Как потепление меняет аромат тундры

Из-за изменения климата субарктическая тундра нагревается вдвое быстрее среднемирового показателя, что ускоряет активность растительности. Исследователи из Университета Копенгагена (Дания) и Центра Гельмгольца в Мюнхене (Германия) выяснили, как это потепление влияет на экосистему тундры и почему увеличивается количество летучих соединений, выделяемых из неё.

Результаты опубликованы в авторитетном научном журнале Global Change Biology.

Стелющиеся кустарники и пышные мхи тундры выделяют сложную смесь летучих органических соединений (ЛОС). Эти газы включают тысячи природных химических веществ, в том числе ароматы эфирных масел. ЛОС защищают клетки растений от стрессов, а также служат химическими сигналами — «языком» общения между растениями и животными. Выделяя ЛОС, растения могут отпугивать или привлекать насекомых, а также предупреждать соседние растения об опасностях, например, о нашествии вредителей.

Полевые исследования показали, что повышение температуры всего на несколько градусов удваивает или утраивает количество ЛОС, выделяемых растительностью тундры. До сих пор было неясно, является ли этот «газовый выброс» лишь следствием испарения запасённых в тканях растений эфирных масел из-за температуры или же у растений стимулируется ферментативный синтез ЛОС.

«Наши новые результаты показывают, что доля выделения ЛОС в результате прямой биосинтеза значительно возрастает при глобальном потеплении. Это приводит к сдвигу в составе и количестве выделяемых ЛОС в сторону более реакционноспособных углеводородов», — говорит профессор Риикка Риннан из Университета Копенгагена.

Команда Риннан собрала множество мини-экосистем — блоков тундры с естественно растущими растениями и почвой под ними на глубину 10 см — и доставила их в уникальную фитотронную установку Центра Гельмгольца в Мюнхене. Это одна из лучших климатических камер для имитации естественной среды, позволяющая экспериментировать с разными климатическими сценариями. Мини-экосистемы тундры выращивали в условиях текущего или смоделированного будущего арктического климата, отслеживая выделяемые летучие вещества. Для изучения процессов в растениях и экосистеме мини-экосистемы помещали в воздух с меченым CO₂, который растения поглощают при фотосинтезе, чтобы его можно было отследить.

«13C — это природный стабильный изотоп углерода. Подавая растениям CO₂, обогащённый меченым 13C, мы можем проследить судьбу атмосферного углекислого газа. Мы смоделировали будущий климат и проследили путь CO₂ из атмосферы в субарктическую экосистему», — объясняет первый автор исследования доктор Андреа Гирардо из фитотронной установки в Мюнхене.

В этих условиях исследователи могли отслеживать углерод. Они наблюдали, где меченый углерод оказывается в различных тканях растений, почве, микроорганизмах и выделяемых ЛОС. Когда растения используют CO₂ для синтеза определённых ЛОС, они наблюдали появление 13C в выделяемых ЛОС. Таким образом они могли отличить вновь синтезированные ЛОС от тех, которые просто испарялись из запасающих структур растений или образовывались в почве.

Включение изотопов углерода в ткани и почву помогает исследователям понять, куда экосистема направляет недавно усвоенный углерод, и позволяет количественно оценить углерод, изъятый из атмосферы. Проведение таких экспериментов в климатических камерах в контролируемых условиях даёт ключи к пониманию того, что произойдёт с арктическими экосистемами в будущем.