Почему вечнозелёные деревья не меняют цвет и не сбрасывают листву каждую осень?

В Северном полушарии осень — сезон, когда люди наблюдают за ярким ежегодным шоу оранжевой, красной и жёлтой листвы. Однако среди этих красок выделяются деревья, которые остаются неизменно зелёными. Почему вечнозелёные хвойные не участвуют в этом сезонном спектакле?

Проблему зимы деревья решают разными способами.

Когда температура падает, лиственные деревья умеренного пояса (клены, дубы) выводят зелёный хлорофилл из листьев — пигмент, поглощающий солнечный свет для фотосинтеза. Деревья запасают добытые с трудом минералы (в основном азот), вложенные в хлорофилл, в своей древесине для повторного использования. Жёлтые, оранжевые и красные оттенки становятся видны на короткое время перед тем, как листья опадают на зиму.

Вечнозелёные хвойные (шишконосные деревья) сохраняют свою листву круглый год и используют другую стратегию для противостояния зимним стрессам.

Окупаемость инвестиций в листву

Оставаться вечнозелёным — не значит продолжать фотосинтез всю зиму. Холод влияет на метаболизм хвойных так же, как и на метаболизм любых других организмов. Фактически, в холодные зимние дни вечнозелёные хвойные не осуществляют больше фотосинтеза, чем их лишённые листьев соседи.

Лучший способ понять преимущество вечнозелёности — рассмотреть затраты на строительство листьев. Хвоинки — это всего лишь видоизменённые листья. Как деревья балансируют между энергией, затраченной на рост листа, и энергией, которую этот лист производит в процессе фотосинтеза? Иными словами, сколько времени требуется листьям, чтобы окупить затраты на своё создание и принести дереву возврат на инвестиции?

Лиственным деревьям необходимо окупить вложения в свою листовую крону всего за один вегетационный сезон. В отличие от них, вечнозелёные хвойные, сохраняя хвою, позволяют этим иголкам вносить вклад в "баланс" дерева в течение нескольких вегетационных сезонов. В этом и заключается реальная польза от того, чтобы оставаться зелёным.

Большая долговечность листьев у вечнозелёных позволяет им выживать в условиях, непригодных для их лиственных собратьев. На более высоких широтах и высотах более короткие и прохладные вегетационные сезоны могут ограничивать фотосинтетическую активность. Засуха также может мешать фотосинтезу. В этих суровых условиях одного года может быть недостаточно, чтобы лист произвёл достаточно энергии для окупаемости затрат дерева на его рост.

Это может объяснять, почему вечнозелёные хвойные доминируют на горных вершинах и в бореальных лесах, простирающихся на высоких широтах в Аляске, Канаде и Северной Европе. Лиственные широколиственные деревья в основном исчезают из таких мест обитания — условия не позволяют им сбалансировать "счета" по инвестициям в листья и фотосинтетической отдаче от них за один сезон.

Долговечность хвои сильно варьируется и коррелирует со степенью стресса в вегетационный сезон. Некоторые деревья умеренного пояса, распространённые на юге Новой Англии, например, сосна белая, сохраняют хвою всего два вегетационных сезона. Любая отдельная хвоинка белой сосны зимует только один раз, что минимально соответствует определению "вечнозелёный".

Некоторые хвойные, например, лиственница, не достигают даже этого, сбрасывая всю свою хвою каждую осень в ослепительно золотистом шоу, которое может быть кульминацией осеннего великолепия там, где они растут.

Напротив, сосны остистые, обитающие на больших высотах в засушливом юго-западном регионе США, сохраняют отдельные хвоинки почти 50 лет. Учитывая стрессы вегетационного сезона, с которыми они сталкиваются, хвоинкам остистой сосны может потребоваться почти столько же времени, чтобы достичь фотосинтетической окупаемости затрат на своё создание.

Адаптации для борьбы с зимними стрессами

Перезимовка — это глубоко стрессовый процесс для деревьев.

Температуры ниже нуля несут риск замерзания клеток в вечнозелёной хвое, что было бы смертельно. Чтобы предотвратить замерзание, вечнозелёные хвойные накапливают высокие концентрации растворённых веществ, известных как криопротекторы. Они понижают точку замерзания воды в клетках и защищают ключевые клеточные структуры, не мешая метаболизму.

Холод, снег и ледяной ветер, а также требования долговечности заставляют вечнозелёные хвойные вкладывать энергию в прочность хвои. Хвоя различается по прочности; например, относительно недолговечные иголки белой сосны более нежные. Волокнистые материалы, повышающие долговечность хвои, ещё больше увеличивают инвестиции хвойных деревьев, продлевая период, необходимый для достижения окупаемости затрат на создание хвои.

Тяжёлые снежные нагрузки могут привести к поломке ветвей — постоянный риск вечнозелёности. Тонкие, часто поникающие хвойные иголки задерживают меньше снега, чем широкие листья лиственных деревьев. Действительно, когда лиственные деревья теряют ветви из-за снегопадов, это обычно происходит во время штормов на границах снежного сезона — осенью или весной, — а не в середине зимы, когда кроны голые. Если вы когда-нибудь задумывались, почему лиственные деревья так медленно распускают листья весной, упуская отличные дни для роста, помните, что деревья не хотят рисковать повреждениями, которые может вызвать аномальный весенний шторм.

Архитектура ветвей хвойных также приспособлена для сбрасывания снега. Ветви хвойных, как правило, расходятся в стороны и вниз от ствола (вспомните рождественскую пихту). Более того, ветви хвойных обычно более гибкие, чем у лиственных деревьев. Собирая тяжёлый снег, ветви хвойных наклоняются до тех пор, пока снег не соскользнет.

Независимо от вида, в средних широтах, где зимой идёт снег, а вегетационные сезоны в целом благоприятны, деревьям нужны стратегии, чтобы продержаться. Одни каждую весну заново создают крону из листьев. Вечнозелёные снабжают свои иголки и ветви особенностями, необходимыми для выживания зимой, чтобы дожить до следующей весны — а для некоторых и до многих последующих весен.