Математическая модель объясняет, как меняются растительные сообщества при заселении необитаемых земель

Некоторые растения способны заселять необитаемые пространства, такие как песчаные дюны или вулканические субстраты. Эти первые колонизаторы обладают специфическими чертами, позволяющими им расти в столь враждебных условиях. Другие растения, лишённые таких черт, вскоре следуют за этими пионерами.

Рикардо Мартинес-Гарсия из Центра изучения сложных систем (CASUS) в Гельмгольц-Центре Дрезден-Россендорф и его коллеги из Испании и Бразилии исследовали тип взаимодействия между разными видами на этих вновь завоёванных территориях с помощью математической модели физиологии корней растений.

Их модель связывает тип взаимодействия видов с общей доступностью дефицитного почвенного ресурса.

Растения взаимодействуют множеством способов, и часто мы видим, что одна особь поддерживает другую особь другого вида. Эксперты называют это фасилитацией.

• При симбиотической фасилитации растения взаимно поддерживают друг друга.
• При комменсалистической фасилитации растение-реципиент не влияет на растение-донора ни положительно, ни отрицательно.
• Третий тип — антагонистическая фасилитация. Здесь растение-реципиент получает выгоду за счёт растения-донора. Последнее, например, оставляет самостоятельно произведённый ресурс партнёру, хотя могло бы использовать его само. Донор, по-видимому, «принимает» эту ситуацию: не наблюдается ни защитной реакции против изъятия ресурсов, ни полного прекращения их производства.

«Существуют споры о том, существует ли антагонистическая фасилитация на самом деле. Наше исследование даёт чёткий результат: этот тип взаимодействия между видами растений может происходить в природе», — говорит доктор Рикардо Мартинес-Гарсия, ведущий автор исследования, опубликованного в New Phytologist.

Растения как «шахтёры»

Авторы исследования сосредоточили свои усилия по моделированию на примере из природы, где существование антагонистической фасилитации давно подозревалось: растения-пионеры, начинающие расти на необитаемой почве, и другие растения, вскоре следующие за ними.

Такие растения-пионеры могут изменять свою среду, чтобы увеличить доступность определённых дефицитных почвенных ресурсов, таких как азот и фосфор. Их способности, безусловно, помогают им процветать, и они, кажется, не беспокоятся о растениях-оппортунистах, которые «помогают себе» за их счёт.

Результаты представленной модели являются сильным аргументом в пользу существования антагонистической фасилитации в этих пионерных сообществах.

«Наша модель также показывает, что взаимодействия растений — это свойство, возникающее из доступности ресурсов», — добавляет Сиро Кабаль. — «Оказалось, что в средах с низкой и средней доступностью ресурсов антагонистическая фасилитация является лучшей стратегией».

Таким образом, исследовательская группа не только смогла предоставить надёжные результаты для подтверждения существования этого типа взаимодействия, но и показала, что при некоторых условиях среды антагонистическая фасилитация является оптимальным взаимодействием между двумя растительными сообществами.

Со временем, по мере изменения почвы и увеличения числа видов растений, взаимодействие между видами меняется. Хотя виды-пионеры продолжают увеличивать доступность ресурсов, это больше не влияет на другие растения из-за общей хорошей ресурсной ситуации. Фаза антагонистической фасилитации заканчивается, и все растения конкурируют друг с другом.

В дальнейшем способность пионеров «добывать» ресурсы даже становится обузой в этой конкуренции. Пионеры оказываются в невыгодном положении. В итоге в конкуренции побеждают другие виды растений, и пионерные виды больше не встречаются на данной территории.

Как моделирование корней помогает объяснять экологические паттерны

Моделирование — важный инструмент в экологии, позволяющий проверять гипотезы и исследовать идеи, которые трудно изучать в полевых или лабораторных экспериментах.

В исследовании для New Phytologist была расширена и усовершенствована математическая модель корней, представленная в статье в Science в 2020 году. Она предсказывает плотность и пространственное распределение корней взаимодействующих растений и хорошо согласуется с экспериментами.

Обновлённая модель учитывает динамику востребованного почвенного ресурса (поступление, распад, доступность для растений, способность пионеров его «добывать»), размер и форму корневых систем растений, а также затраты на рост и поддержание корней, «добычу» ресурса и его транспорт внутри растений.