Почему некоторые деревья сбрасывают листья осенью, а другие остаются зелеными

В начале осени леса радуют красивой палитрой красных, желтых и золотых оттенков. За сезон эти яркие цвета блекнут, уступая место голым ветвям, а опавшие листья покрывают лесную подстилку, чтобы вернуть питательные вещества почве.

Однако зрелище не столь впечатляюще, если посмотреть на более северные леса, где лиственные деревья уступают место хвойным, которые сохраняют свои темно-зеленые иголки всю зиму.

Эти контрастные ландшафты знакомы всем, но почему же некоторые виды деревьев сбрасывают листья осенью, а другие – нет, оставаясь зелеными в течение всего года? Почему эти две привычки сосуществуют? Отражают ли они адаптацию к окружающей среде? Эти вопросы интриговали экологов в течение долгого времени, но только в последние десятилетия появилась четкая концептуальная и теоретическая основа, позволяющая лучше понять экологическое значение этой черты.

Чарльз Марти, лесной эколог, работающий в Carbone boréal, исследовательском проекте Университета Квебека в Шикутими, Канаде, собрал команду, которая изучает роль бореальных лесов в глобальном цикле углерода и лучшие методы управления для смягчения изменения климата.

Вечнозеленые виды деревьев – те, которые имеют листья в течение всего года. В Канаде наиболее распространенными вечнозелеными деревьями являются сосны, пихты и ели. Напротив, листопадные виды деревьев, такие как клены, осины и березы, имеют голый полог в течение определенного периода года.

«В наших широтах листопадные деревья сбрасывают листья осенью, чтобы избежать холодной зимы, но в других регионах мира, например, в средиземноморском биоме, некоторые листопадные виды сбрасывают листья в начале лета, чтобы избежать водного стресса. Обычно продолжительность жизни листьев листопадных видов составляет всего несколько месяцев, тогда как у вечнозеленых видов она больше года, что позволяет сосуществовать на кроне нескольким когортам. Например, иголки черной ели могут оставаться на ветвях более двадцати лет», – рассказывает Чарльз Марти.

Считается, что первыми растениями, которые колонизировали землю около 400 миллионов лет назад, были вечнозеленые растения, а опадение листьев развилось позже под влиянием сезонных и биотических факторов, особенно в регионах, характеризующихся сильной сезонностью. Сегодня вечнозеленые деревья наиболее распространены в тропиках, где сезонность незначительна, и в бореальных лесах, где, напротив, времена года ярко выражены. Разве это не парадокс?

Объяснение этого бимодального распределения «вечнозелености» можно понять с экономической точки зрения, в которой углерод является основной валютой. Все деревья, будь то листопадные или вечнозеленые, используют листья для захвата углерода в форме углекислого газа (CO₂) из атмосферы посредством фотосинтеза.

Поскольку углерод требуется в больших количествах для роста и размножения, листья играют важную роль в выживании растений в их соответствующих средах обитания. Поэтому деревья развили листья разной формы и структуры для максимально эффективного улавливания углерода в соответствии с местными условиями. Например, хвойные имеют толстые игольчатые листья, тогда как лиственные – тонкие и плоские листья.

«Стоимость строительства листьев сильно варьируется в зависимости от типа листьев. Для заданной поверхности, скажем, в один квадратный сантиметр, толстые листья тяжелее и, следовательно, более «дорогие» для строительства, чем тонкие. Следовательно, толстые листья должны жить дольше, чтобы «окупить» углерод, вложенный в их строительство. Напротив, более тонкие и, следовательно, «дешевые», могут захватить достаточно углерода в течение вегетационного периода, чтобы окупить первоначальные инвестиции, и свободно падать», – проводит аналогию Марти.

Эта парадигма углеродной экономики поддерживается сильной наблюдаемой корреляцией во всем мире между массой листьев на единицу площади и их долговечностью. Однако приходит на ум один вопрос. Хотя совершенно логично, что толстые листья должны жить дольше, чтобы окупить свою высокую стоимость углерода, почему тонкие листья не живут дольше, чтобы максимизировать поглощение CO₂?

Короткий ответ заключается в том, что тонкие листья более уязвимы к повреждениям от травоядных животных, мороза, засухи и ветра. Более толстые и прочные листья лучше защищены от этих опасностей, но их производство требует больше углерода.

За последние десятилетия ученые обнаружили, что долговечность листьев является краеугольным камнем двух различных стратегий: стратегии медленной окупаемости инвестиций (или консервативной стратегии) ​​и стратегии быстрой окупаемости инвестиций (или стратегии приобретения). Вечнозеленые и листопадные виды находятся на крайних концах листового экономического спектра. Листья вечнозеленых видов усваивают углерод в течение длительного времени и улучшают сохранение питательных веществ, тогда как короткоживущие листья способствуют быстрому усвоению углерода.

«Обе стратегии являются результатом компромиссов, когда две или более черт или функций не могут быть оптимизированы одновременно. Максимизация одной функции происходит за счет другой. Распространение вечнозеленых и листопадных видов по всему миру можно объяснить успешностью этих двух стратегий в зависимости от условий окружающей среды», – отмечает Чарльз Марти.

По словам эколога, в средах, где ресурсов, таких как солнечный свет, вода и питательные вещества, в изобилии, листопадные виды обычно превосходят вечнозеленые. Создание тонких листьев дает преимущество большей площади поверхности для заданного количества биомассы, которая может собирать большее количество солнечной энергии, ресурса, необходимого для поглощения углерода. В этих условиях листопадные деревья процветают, быстро растут и сбрасывают листья после окончания вегетационного периода.

В более суровых условиях, где питательных веществ мало, а вегетационный период короткий, вечнозеленость дает ряд преимуществ. Во-первых, ежегодное сбрасывание листьев обходится дорого как с точки зрения углерода, так и питательных веществ. Более длительное сохранение листьев сокращает ежегодные потери питательных веществ в почве и увеличивает среднее время пребывания этих питательных веществ в растении.

Во-вторых, стратегия сохранения листьев дольше позволяет им захватывать углерод ранней весной, как только условия станут благоприятными. Между тем, лиственным деревьям нужно время, чтобы вырастить новые листья, которые смогут поглощать углерод только через несколько недель, что ставит их в невыгодное положение.

«Хотя углеродная экономика растений сама по себе может объяснить доминирование вечнозеленых растений как в экваториальной, так и в бореальной зонах, вечнозеленые и листопадные растения часто сосуществуют в различных экосистемах, поскольку обе стратегии достаточно эффективны, чтобы обеспечить выживание популяций», – резюмирует ученый.

Поддержать развитие блога можно на Boosty по ссылке.