Теория катастроф поможет понять влияние засухи на растения

Иногда всё хорошо — до тех пор, пока не станет плохо. Переворачивается лодка. Обрушивается мост. Резко меняется фондовый рынок.

Это примеры «теории катастроф» — математического инструмента для описания набора переменных, которые, сочетаясь в определённой точке, полностью меняют систему. Теперь учёный из Университета Джорджии предлагает использовать этот подход, чтобы лучше понять, как растения используют воду и реагируют на засуху.

В новом обзоре, опубликованном в журнале Plant, Cell & Environment, Дэн Джонсон, доцент Школы лесного хозяйства и природных ресурсов Уорнелла, утверждает, что вместо восприятия реакции растений на водный стресс как медленного угасания, исследователям следует применять теорию катастроф для изучения действующих сил.

«Я хотел направить это в количественное русло и предложить нечто новое — новую основу для гидравлики растений», — сказал Джонсон. «Нам следует изменить взгляд на эту область, которая восходит ко временам (Леонардо) да Винчи».

Сейчас, когда учёные изучают движение воды в растениях, они в основном сосредотачиваются на структуре и функции. Под корой деревьев находится ксилема (древесина) — система трубок, перемещающих воду от корней к ветвям. Исследования часто сосредоточены на том, как работает ксилема или как засуха влияет на её функцию.

Но вместо изучения структурных повреждений, предлагает Джонсон, что если исследовать точку, вызывающую гибель растения? «Я подумал, что нам нужно определить точки перелома — уровни стресса, после которых растение погибнет», — добавил он. «То же для экосистемы — в какой момент лес превращается в луговые угодья?»

Джонсон объединился с двумя коллегами из Университета Дьюка, Габриэлем Катулом и Жан-Кристофом Домеком, чтобы разработать способ использования математической теории для анализа точек перелома у растений. Катул — профессор гидрологии и микрометеорологии, а Домек — приглашённый профессор в Школе окружающей среды Николас и профессор устойчивого лесного хозяйства в Bordeaux Sciences Agro во Франции.

Вместе они создали основу, позволяющую отслеживать изменения в системе (будь то дерево или целая экосистема) и видеть их влияние на организм. Например, как переменные, такие как дыхание или рост, меняются при изменении температуры?

Благодаря многолетнему опыту у Джонсона было предположение, что эти точки перелома существуют. Но математическая основа доказала, что то, что он наблюдал в ходе исследований, — не просто серия совпадений.

Статья размещена на сайте журнала и выйдет в печати позже в этом году. Джонсон надеется, что она станет отправной точкой для новых работ в области гидравлики растений.

Команда месяцами работала над деталями на встречах в Zoom.

«Это была огромная работа, но это также была одна из самых интересных статей, которые я писал, потому что мы учились друг у друга», — сказал Джонсон. «Мы начали с пузырьков воздуха в ксилеме — нанометрового масштаба — и спросили: "Что контролирует расширение пузырька воздуха и блокировку сосудистой сети?" Затем мы масштабировали это до уровня целого дерева и экосистемы, а также всех промежуточных уровней. Это была титаническая работа».