Сеть жилок листа определяет его функции

Новое исследование Университета Аризоны показывает, что узор жилок в листьях коррелирует с такими функциями, как поглощение углерода и использование воды. Эти знания могут помочь ученым лучше понять сложный углеродный цикл, лежащий в основе глобального потепления климата.

"Листья имеют очень разные сети жилок. У них разная форма, размер, толщина", — говорит Бенджамин Блондер, аспирант кафедры экологии и эволюционной биологии. "По-настоящему интересный вопрос — как лист определенной формы обеспечивает определенную функцию".

Блондер разработал математическую модель для предсказания функций листа на основе трех свойств сети жилок:

• Плотность — отражает, сколько энергии и ресурсов лист вложил в сеть.
• Расстояние между жилками — показывает, насколько хорошо жилки снабжают лист ресурсами.
• Количество петель (замкнутых областей мелких жилок, подобных капиллярам у человека) — мера устойчивости листа и фактор, определяющий продолжительность его жизни. Если жилки часто пересоединяются, то при повреждении части листа ресурсы могут циркулировать по альтернативным путям.

"Это как в городе, где где-то перекрыта дорога. Если город спроектирован хорошо, вы все равно сможете доехать до нужного места по другой дороге", — поясняет Блондер.

Сеть жилок в листе выполняет несколько ключевых функций, подобно системам органов у человека:

• Скелет — поддерживает лист, позволяя ему улавливать солнечный свет.
• Кровеносная система — распределяет воду от корней ко всем клеткам и переносит продукты фотосинтеза к другим частям растения.
• Нервная система — передает химические сигналы от других частей растения через жидкость в жилках.

"Когда одна структура задействована в столь многих различных процессах, очевидно, будут компромиссы между способностью хорошо выполнять все эти разные функции", — отмечает Блондер. Например, лист с очень петлистой сетью жилок может жить дольше, но и создание такой сети требует больших затрат углерода, который растения поглощают из атмосферного CO₂.

Модель Блондера успешно предсказала взаимосвязи между скоростью фотосинтеза, продолжительностью жизни, затратами углерода и азота для более чем 2500 видов растений по всему миру на основе глобальных данных. Тесты на 25 видах растений в кампусе UA показали, что модель, вероятно, будет работать и на локальном уровне, но для подтверждения необходимы более масштабные исследования.

Связь с углеродным циклом и климатом

"Углерод может попасть в лист только через маленькие поры на его поверхности, и когда углерод поступает (что полезно для растения), вода также выходит", — объясняет Блондер. "Для всех растений существует невероятно сложный компромисс: им нужно получать углерод для производства энергии, но, получая его, они в процессе теряют много воды. Таким образом, чтобы получить больше углерода, нужно потерять больше воды".

Растения с более плотными сетями жилок (с близко расположенными жилками) способны выдерживать более высокий уровень потери воды и поглощать больше углерода. Однако масштабировать этот эффект на целое растение или экосистему сложнее.

"Поток углерода от растений критически важен для понимания глобальных изменений и глобального углеродного цикла", — говорит Блондер. "Мы надеемся понять часть картины, связанную с листьями, но в растениях и окружающей среде, очевидно, есть гораздо больше аспектов. Это не ответ на все экологические вопросы, но это хорошее начало, потому что листья — это место фотосинтеза и углеродного обмена".

Блондер надеется использовать свою модель для разработки более комплексных климатических моделей, учитывающих растения, и для лучшего понимания климатов прошлого. Модель может сыграть важную роль в понимании экологии растений, глобального круговорота углерода и других экологических процессов в будущем.