Искусственная засуха помогла экологам разрешить парадокс Пыльного котла
Американские экологи разрешили парадокс Пыльного котла — увеличение биомассы C3-растений во время масштабных засух 1930 годов на Великих равнинах. Эксперимент показал, что, вопреки ожиданиям, они переносят нехватку влаги в летние месяцы лучше, чем C4-растения, которые традиционно считаются более устойчивыми к засухам. В статье для журнала Proceedings of the National Academy of Sciences авторы отмечают, что результаты исследования помогут лучше прогнозировать ответ экосистем на антропогенные изменения климата.
В 1930 годах Великие равнины в США и Канаде пережили серию катастрофических пылевых бурь, которые получили собирательное название «Пыльный котел». Их причиной считается комбинация жаркой погоды и масштабных засух с эрозией почвы, вызванной неустойчивым ведением сельского хозяйства, в частности, перевыпасом скота. Пыльный котел совпал по времени с Великой депрессией и вынудил многих фермеров покинуть насиженные места. Последствия экологической катастрофы отражены во многих произведениях искусства, например, в романе Джона Стейнбека «Гроздья гнева».
Засухи и эрозия повлияли не только на людей, которые жили на Великих равнинах, но и на местные экосистемы. Экологи по горячим следам зафиксировали быструю реакцию растительных сообществ в центральной части региона, включая сокращение биомассы и изменения видового состава.
Специалисты первой половины XX века еще не знали, что растения используют два основных вида фотосинтеза: стандартный С3 и более эффективный С4. Считается, что С4-растения лучше приспособлены к высоким температурам и нехватке воды. Логично предположить, что они получили преимущество во времена Пыльного котла. Однако в реальности популяции C4-растений, которые доминировали на Великих равнинах до начала засух, сократились, зато произошла неожиданная экспансия С3-растений, включая виды из северных регионов, приспособленные к более прохладному климату. Особенного успеха добилась трава Pascopyron smithii. Вернуться к первоначальному состоянию экосистемы смогли лишь спустя 20 лет.
Этот парадокс остается неразрешенным до сих пор. Чтобы разобраться в нем, команда исследователей во главе с Аланом Кнаппом (Alan K. Knappa) из Университета штата Колорадо провела четырехлетний эксперимент на двух естественных пастбищах. Первое из них располагалось в Канзасе, в центре Пыльного котла 1930 годов, а второе — в Вайоминге, на его северной окраине. На канзасском пастбище доминировали C4-растения, а на вайомингском — С3. P. smithii рос на обоих участках.
На каждом пастбище авторы заложили по 30 экспериментальных площадок, которые изолировали от окружающих почв. Чтобы сымитировать засуху, они с помощью специальных щитов примерно наполовину уменьшили количество влаги, выпадающей на участки. Ученые попытались тщательно воспроизвести изменения в объеме осадков, характерные для Пыльного котла, поэтому сильнее всего сократили их объем в летние месяцы, а слабее всего — в весенние.
В отличие от равнин в эпоху Пыльного котла, экспериментальные площадки не подвергались воздействию экстремальных температур, перевыпасу и осаждению пыли. Однако изменения режима осадков оказалось достаточно, чтобы сдвинуть экологическое равновесие. Как и в 1930 годы, искусственная засуха привела к увеличению доли C3-растений на обоих пастбищах. Например, первичная продукция P. smithii за первые три года эксперимента выросла в пять раз. С3-растения оказались намного менее чувствительными к экспериментальной засухе, чем С4-растения, биомасса которых сократилась в среднем на 40 процентов.
Авторы предположили, что С3- и С4-растения предпочитают разные климатические режимы. Первые приспособлены к относительно сухому лету и выпадению осадков в прохладные периоды года, а вторые — к дождливым летним месяцам. Проанализировав данные об осадках в центральной части США с 1895 по 2017 годы, исследователи нашли подтверждение своей идее. Оказалось, что на пастбищах в регионах, где летние месяцы самые влажные, доминируют С4-растения, а там, где выпадение осадков происходит в прохладные периоды года, преобладают C3-растения.
Вероятно, гибель С4-растений из-за сокращения летних осадков позволила менее чувствительным к этому фактору С3-видам получить доступ к дополнительной влаге и питательным веществам как в эксперименте, так и в реальных условиях Пылевого котла. Интересно, что на контрольном участке за четыре года также стало выпадать меньше летних дождей, в результате чего доля C4-растений уменьшилась и на них.
Авторы подчеркивают, что результаты эксперимента нельзя было предсказать, основываясь на традиционных представлениях о физиологии С3- и С4-растений. Ключевым фактором, который определяет их выживаемость во время засух, оказалась вовсе не устойчивость к нехватке влаги, а приспособленность к определенным режимам осадков.
Исследователи надеются, что их выводы не только помогут реконструировать процессы в Пыльном котле, но и позволят точнее прогнозировать реакцию травянистых экосистем на глобальные изменения климата, которые будут сопровождаться увеличением частоты засух.
В последние годы масштабные засухи возвращаются в Северную Америку. Как показало недавнее исследование годичных колец деревьев из штата Миссури, нехватка влаги, которая наблюдалась здесь на рубеже XX и XXI веков, стала самой разрушительной за последние 1200 лет, превзойдя даже засухи времен Пыльного котла. Ее причиной специалисты называют антропогенные изменения климата.
Сергей Коленов
Виной всему масштабное и преждевременное таяние морского льда
Четыре из пяти колоний императорских пингвинов в центральной и восточной части моря Беллинсгаузена не смогли вывести птенцов в 2022 году. Виной всему масштабное таяние льда, которое началось до того, как молодые особи успели опериться. В результате несколько тысяч птенцов пингвинов, скорее всего, утонули, а их родители покинули колонии. Как отмечается в статье для журнала Communications Earth & Environment, ученые впервые сталкиваются с провалом размножения у императорских пингвинов в пределах целого региона. Однако в будущем из-за антропогенных изменений климата такое будет происходить все чаще, что ставит будущее вида под угрозу. Императорские пингвины (Aptenodytes forsteri) выводят потомство в колониях, расположенных на морском льду вокруг Антарктиды. Они прибывают к местам размножения с конца марта по апрель, а в мае-июне откладывают яйца, из которых спустя два месяца вылупляются птенцы. Пингвинята растут медленно и оперяются только в декабре-январе. Таким образом, чтобы успешно вырастить птенцов, императорским пингвинам необходим стабильный ледовый покров с апреля по январь. Однако, по прогнозам ученых, из-за антропогенных изменений климата площадь льдов вокруг Антарктиды к концу века сильно сократится. В результате более девяноста процентов колоний императорских пингвинов лишатся подходящих мест для размножения, перестанут поддерживать свою численность и исчезнут. Команда орнитологов под руководством Питера Фретуэлла (Peter T. Fretwell) из Британской антарктической службы обнаружила, что по крайней мере в одном регионе Антарктиды императорские пингвины уже в наши дни испытывают серьезные проблемы из-за потери морского льда. Речь о море Беллинсгаузена, которое лежит к западу от Антарктического полуострова. В его центральной и восточной части расположены пять колоний императорских пингвинов, самая большая из которых насчитывает около 3500 пар, а самая маленькая — около 630 пар. Все они были открыты в течение последних 14 лет благодаря изучению спутниковых снимков — и лишь одну из них посещали ученые. В конце 2022 года, когда площадь ледового покрова вокруг Антарктиды находилась на рекордно низком уровне, некоторые части моря Беллинсгаузена начали оттаивать неожиданно рано и уже к ноябрю полностью очистились ото льда. Чтобы понять, как это сказалось на птенцах пингвинов, которые в это время года как раз переходят к самостоятельной жизни, Фретуэлл и его соавторы обратились к спутниковым снимкам всех пяти местных колоний. Исследователи искали на них коричневые пятна, соответствующие пингвиньему помету — по их площади можно судить о численности и успехе размножения колонии. В результате выяснилось, что из-за раннего исчезновения морского льда императорским пингвинам из большинства колоний в море Беллинсгаузена не удалось вывести потомство в 2022 году. Вероятно, птенцы в этих колониях не успели обзавестись водонепроницаемым оперением до того, как лед растаял, в результате чего утонули или умерли от переохлаждения, а их родители просто покинули колонии. Авторы оценивают потери в несколько тысяч молодых особей. В частности, вокруг колонии у острова Смайли, состоящей из примерно 3500 пар, припай разрушился на две недели раньше срока. Из-за этого часть местных пингвинов перебрались на большой айсберг, однако удалось ли выжить кому-то из птенцов, неизвестно. Колонию в заливе Верди осенью прибыло меньше особей, чем обычно — и даже они покинули ее после разрушения морского льда в конце октября — начале ноября. Колония Пфрогнер-Поинт, которая находилась на шельфовом леднике, также исчезла в начале ноября. А месяцем позже похожая судьба постигла колонию Брайант-Кост — после таяния многолетнего припая, на котором она располагалась. Исключение составила лишь небольшая колония у острова Ротшильда. Вокруг него ледовый припай начал разрушаться лишь в конце декабря, благодаря чему около 800 птенцов успели подрасти и опериться (эта цифра была получена во время облета колонии на вертолетах круизного лайнера). Судя по всему, таяние льда около острова Ротшильда замедлилось благодаря особенностям ландшафта и наличию айсбергов вокруг него. Фретуэлл и его соавторы отмечают, что отдельные колонии императорских пингвинов время от времени терпят неудачи, когда морской лед рушится под воздействием сильных штормов. Однако исследователи этого вида никогда не сталкивались с полным провалом размножения у большинства колоний в целом регионе. Более того, до сих пор в море Беллинсгаузена был известен всего один пример, когда колония не смогла вывести ни одного птенца за сезон. В теории императорские пингвины после неудачного года могли бы переместить колонию туда, где ледовые условия более надежны. Однако в море Беллинсгаузена таких мест почти нет. Экстремально низкая площадь антарктического льда в 2022-2023 годах не обязательно напрямую связана с антропогенными изменениями климата (поскольку она сильно колеблется от года к году). Возможно, эта аномалия лучше объясняется тремя подряд годами Ла-Ниньи. Тем не менее, по прогнозам климатологов, по мере того, как планета нагревается, площадь льда вокруг Антарктиды будет сокращаться. А значит, императорские пингвины все чаще будут испытывать серьезные проблемы с размножением, что поставит существование этого вида под угрозу. Магеллановы пингвины (Spheniscus magellanicus), которые обитают на побережьях Южной Америки, тоже страдают от антропогенных изменений климата. Однако для них проблемой стало не отсутствие льда (его в местах их обитания никогда не бывает), а участившиеся волны жары, которые убивают взрослых особей в период размножения. По расчетам зоологов, из-за все более жаркой погоды крупнейшая колония магеллановых пингвинов, расположенная на атлантическом побережье Аргентины, исчезнет в течение ближайших пятидесяти лет.