Забытый эксперимент вековой давности рассказал о причинах смены одних пород деревьев другими

Эксперимент, начатый 100 лет назад, показал, что породы деревьев в лесу сменяют друг друга не только в соответствии с временными закономерностями, но и из-за случайных причин. Выяснить это помогли записи наблюдений, которые были начаты в 1916 году, и большей частью никогда не публиковались. Исследование описано в журнале Ecology.

Видовой состав биологических сообществ меняется со временем. Постепенно одни сообщества сменяют другие, такой процесс называется сукцессией. Именно сукцессия происходит, к примеру, на месте пожарища, когда выгоревшие районы леса сперва покрываются травянистыми растениями, затем кустарниками, а затем на них вырастают новые деревья.

Есть несколько представлений о том, как происходит сукцессия. Согласно одному из них, это детерминированный процесс — по мере накопления богатства в сообществе одни, неприхотливые виды, уступают место другим, более капризным но и более продуктивным и конкурентоспособным. Эта точка зрения предполагает, что в каждой природной зоне есть свой собственный порядок, в котором должна происходить сукцессия. Например в Средней полосе России на смену хвойным породам деревьев должны прийти лиственные, среди которых со временем победит дуб. Если бы леса в Подмосковье не рубились и не сгорали, то, в соответствии с такими представлениями, все они были бы дубравами.

Другая точка зрения отдает ведущую роль в сукцессии стохастическим процессам. Это значит, что нарушенный природный участок заселят случайные виды растений, семена которых попали сюда с помощью ветра или животных. В этой гипотезе нет жесткой привязки смены видового состава биологических сообществ к местным условиям.

Брайан Бума (Brian Buma) из Колорадского университета и его коллеги решили выяснить, что же важнее в процессе сукцессии — предопределение или случайность. Выяснить наверняка это можно только поставив эксперимент и посмотрев на результаты. Но сукцессия долгий процесс, который идет десятилетиями и веками. Поэтому экологи использовали данные и инструменты эксперимента, который был однажды начат, и почти забыт со временем.

В 1916 году американский ученый Уильям Купер (William S. Cooper) начал эксперимент по изучению сукцессии. На участке площадью 707 квадратных метров, недавно освободившемся из-под ледника в национальном парке Глейшер-Бей (Glacier Bay National Park) на Аляске, он разбил землю на квадраты площадью по одному метру. Поскольку участок был практически безжизненным, он хорошо подходил для того, чтобы проследить, как происходит развитие биологического сообщества и смена видов в нем. Каждые 5-10 лет ученый приезжал на территорию и документировал состояние участков. Он вел учет видов, которые росли в каждом квадрате, считал их количество и наносил на схему участка каждый экземпляр растения. Таким образом, он мог проследить, какие растения первыми поселились на участке, какие и когда приходят им на смену.

Купер собирал данные с 1916 по 1939 годы. За это время вышла его монография, посвященная развитию природы после отступления ледника, которая была широко известна в то время. После 30-х годов данные с участка стал собирать ученик Купера, Дональд Лоуренс (Donald Lawrence), который вел записи c 44 по 88 год, но не опубликовал их. После 1988 года площадку никто не посещал.

Благодаря записям Купера и Лоуренса Бума и его коллеги смогли найти место, в котором шел эксперимент. Экологам удалось даже найти разметку квадратов, сделанную Купером с помощью арматуры и камней.

Ученые продолжили исследование, начатое больше 100 лет назад. Они изучили видовой состав ячеек, распределение растений по ним, возраст деревьев, количество света, которое падает на квадраты и химический состав почв.

В соответствии с представлениями и том, что сукцессия происходит в строгом порядке, зависящем от природной зоны, на участке Купера смена растений должна была выглядеть так: мхи — дриада, или куропаточья трава (род Dryas) — ольха зеленая (Alnus viridis) — ель ситхинская (Picea sitchensis) — тсуга западная (Tsuga heterophylla). Каждый из этих видов более требовательный к ресурсам, поэтому приходит на смену предыдущему по мере того, как почвы становятся богаче.

Судя по тому что увидели ученые на заброшенной экспериментальной площадке, «протокол» смены видов на деле выглядел так: мхи — дриада. Дальше видимых закономерностей не было, где-то росла ольха, где-то ель, а где-то тсуга. При этом деревья выросли примерно в одно и то же время, вне зависимости от породы. Анализ химии почв показал, что есть корреляция между распространением ольхи и содержанием азота, но неясно, есть ли тут причинно-следственная связь. Между плотностью ельника и азотом никаких соответствий не нашлось.

Если бы смена пород деревьев происходила так, как предполагалось, то на участках с ольхой должны были бы расти по крайней мере молодые ели. Но и этого не было — ельники и ольшаники между собой почти не смешивались. Леса в основном выросли 50-70 лет назад, и с тех пор их видовой состав не меняется.

Ученые сделали вывод, что теоретически предположенный ход сукцессии шел до момента образования травяного покрова включительно. Дальше все зависело не от условий местности, а от случайностей, вроде рассеивания семян деревьев, принесенных ветром, птицами и зверями. После этого деревья, которым повезло вырасти, образовывали на участке сплошной полог леса, рост других пород деревьев прекращался из-за нехватки света и положение закреплялось. Авторы предполагают, что если что-нибудь, например, пожар, не нарушит участок, то преобладающие виды будут занимать свои места неограниченно долгое время.

Авторы статьи заключают, что временные последовательности видов, сменяющих друг друга не теряют своей важности. Содержание питательных веществ и климат играют важную роль в определении видов, которые могут расти в тех или иных местах. Но и случайные процессы, которые определяют, какие виды заселят территорию, не менее важны. Здесь, как ни странно, могут сыграть свою роль и медведи — мы писали о том, что они главные переносчики семян ягодных кустарников на Аляске.

Максим Абдулаев