Какова связь между фотосинтезом и глобальным потеплением?
Мы, люди, нуждаемся в растениях для нашего выживания. Все, что мы едим, состоит из растений или животных, которые зависят от растений где-то в пищевой цепочке. Растения также составляют основу природных экосистем и поглощают около 30 процентов всего углекислого газа, выделяемого человеком каждый год. Но по мере того, как последствия изменения климата ухудшаются, как более высокие уровни CO2 в атмосфере и более высокие температуры влияют на растительный мир?
CO2 повышает продуктивность растений
Растения используют солнечный свет, углекислый газ из атмосферы и воду для фотосинтеза, чтобы производить кислород и углеводы, которые растения используют для получения энергии и роста.
Повышение уровня CO2 в атмосфере приводит к увеличению фотосинтеза растений — эффект, известный как эффект углеродного удобрения. Новое исследование показало, что в период с 1982 по 2020 год глобальный фотосинтез растений вырос на 12 процентов, а уровень CO2 в атмосфере вырос на 17 процентов. Подавляющее большинство этого увеличения фотосинтеза было связано с оплодотворением углекислым газом.
Увеличение фотосинтеза приводит к большему росту некоторых растений. Ученые обнаружили, что в ответ на повышенный уровень CO2 рост надземных растений увеличился в среднем на 21 процент, а рост подземных — на 28 процентов. В результате ожидается, что некоторые культуры, такие как пшеница, рис и соя, выиграют от увеличения выбросов CO2 с увеличением урожайности с 12 до 14 процентов. Рост некоторых тропических и субтропических трав и некоторых важных сельскохозяйственных культур, включая кукурузу, сахарный тростник, сорго и просо, однако, не так подвержен влиянию повышенного содержания CO2.
Устьица хвои пихты, пропускающие CO2 и выходящие водяные пары. Фото: Университет штата Орегон
При повышенных концентрациях CO2 растения используют меньше воды во время фотосинтеза. У растений есть отверстия, называемые устьицами, которые позволяют поглощать CO2 и выделять влагу в атмосферу. Когда уровень CO2 повышается, растения могут поддерживать высокую скорость фотосинтеза и частично закрывать свои устьица, что может снизить потерю воды растением на 5–20 процентов. Ученые предположили, что это может привести к тому, что растения будут выделять меньше воды в атмосферу, тем самым удерживая больше воды на суше, в почве и ручьях.
Но другие факторы имеют значение
Повышенный уровень CO2 в результате изменения климата может позволить растениям извлечь выгоду из эффекта углеродного удобрения и использовать меньше воды для роста, но это не все хорошие новости для растений. Это сложнее, потому что изменение климата также влияет на другие факторы, имеющие решающее значение для роста растений, такие как питательные вещества, температура и вода.
Ограничения по азоту
Исследователи, изучавшие сотни видов растений в период с 1980 по 2017 год, обнаружили, что в большинстве неудобренных наземных экосистем возникает дефицит питательных веществ, особенно азота. Они объяснили это уменьшение питательных веществ глобальными изменениями, включая повышение температуры и уровня CO2.
Азот является самым распространенным элементом на Земле, составляющим около 80 процентов атмосферы. Это важный элемент ДНК и РНК, необходимый растениям для производства углеводов и белков для роста. Однако растения не могут использовать газообразный азот, содержащийся в атмосфере, потому что в нем есть два атома азота, тройно связанные друг с другом настолько прочно, что их трудно разделить в форму, которую могут использовать растения. У молнии достаточно энергии, чтобы разорвать тройную связь — процесс, называемый фиксацией азота. Азот также фиксируется в промышленном процессе производства удобрений.
Но большая часть фиксации азота происходит в почве, где определенные виды бактерий прикрепляются к корням растений, таких как бобовые.Бактерии получают углерод от растения и в процессе симбиотического обмена фиксируют азот, объединяя его с кислородом или водородом в соединения, которые растения могут использовать.
Кевин Гриффин, профессор кафедры экологии, эволюции и биологии окружающей среды Колумбийского университета и Земной обсерватории Ламонта-Доэрти, объяснил, что у большинства живых существ относительно фиксированное соотношение между углеродом и азотом. Это означает, что если растения поглощают больше CO2 для создания углеводов, потому что в атмосфере больше CO2, количество азота в листьях может быть разбавлено, а продуктивность растения зависит от наличия достаточного количества азота. «Если вы увеличиваете концентрацию CO2 вокруг листа, вокруг растения или вокруг участка леса, обычно производительность повышается», — сказал он. «Но будет ли это увеличение продуктивности продолжительным и постоянным, может зависеть от того, достаточно ли у вас азота. Поэтому, если азот ограничен, может случиться так, что растение просто не сможет использовать этот дополнительный CO2, и его повышение производительности может быть недолгим».
В настоящее время деревья поглощают около трети антропогенных выбросов CO2, но их способность продолжать это делать зависит от того, сколько азота им доступно. Если азот ограничен, выгода от повышенного содержания CO2 также будет ограничена.
Более ранние исследования фиксации азота, основанные на измерениях свободноживущих бактерий, предсказали, что процесс фиксации происходит быстрее всего при 25°C, а при повышении температуры выше 25°C скорость фиксации снижается. В условиях потепления это означало бы безудержный сценарий, при котором фиксация азота уменьшалась бы по мере повышения температуры, что приводило к снижению продуктивности растений. Тогда растения будут удалять меньше CO2 из атмосферы, что вызовет дальнейшее потепление и меньшую фиксацию азота, и так далее.В новой статье Гриффин описывает, как он и его коллеги разработали прибор, который позволил им измерить температурную реакцию азота на бактерии, которые сформировали ассоциацию с корнями растений, в отличие от свободноживущих бактерий.
«С помощью нашего нового прибора, изучающего симбиоз целых растений в деревьях умеренного и тропического поясов, мы обнаружили, что оптимальная температура для фиксации азота на самом деле была примерно на 5°C выше, чем любая из этих предыдущих оценок, а в некоторых случаях даже на 11°C. °С выше. Это нужно проверить на огромном количестве растений, но если это так, это означает, что вероятность снижения фиксации азота намного ниже, чем мы думали, а это означает, что растения могут оставаться более продуктивными и предотвращать сценарий разгона».
Повышение температуры
Работа Гриффина также показала, что температурная реакция фиксации азота не зависит от температурной реакции фотосинтеза, в котором участвуют ферменты, вырабатываемые азотом. Более высокие температуры могут сделать эти ферменты менее эффективными. Рубиско — это ключевой фермент, который помогает превращать углекислый газ в углеводы в процессе фотосинтеза, но по мере повышения температуры он «расслабляется», и форма его кармана, в котором содержится СО2, становится менее точной. Следовательно, в одной пятой части времени фермент фиксирует кислород вместо углекислого газа, снижая эффективность фотосинтеза и растрачивая ресурсы растения. При еще большем повышении температуры Рубиско может полностью дезактивироваться. Поскольку растения реагируют на азотные удобрения, увеличивая количество Rubisco, которое они имеют, и растут больше, обнаружение того, что фиксация азота может поддерживаться при более высоких температурах, чем считалось ранее, дает возможность компенсировать снижение эффективности Rubisco при более высоких температурах.
Повышение температуры также приводит к тому, что вегетационный период становится длиннее и теплее.Поскольку растения будут расти больше и дольше, они фактически будут использовать больше воды, компенсируя преимущества частичного закрытия устьиц. Вопреки тому, во что верили ученые в прошлом, результатом станет более сухая почва и меньший сток, необходимый для ручьев и рек. Это также может привести к большему локальному потеплению, поскольку эвапотранспирация, когда растения выделяют влагу в воздух, делает воздух более прохладным. Кроме того, когда почвы сухие, растения испытывают стресс и не поглощают столько CO2, что может ограничивать фотосинтез. Ученые обнаружили, что даже если растения поглощали избыток углерода для фотосинтеза в течение влажного года, это количество не могло компенсировать уменьшенное количество CO2, поглощенного в течение предыдущего засушливого года.
Осенний червь является хроническим вредителем на юго-востоке США. Фото: Канадский информационный центр по биоразнообразию
Более теплые зимы и более длительный вегетационный период также помогают вредителям, патогенам и инвазивным видам, наносящим вред растительности. В течение более продолжительных вегетационных периодов может воспроизводиться больше поколений вредителей, поскольку более высокие температуры ускоряют жизненные циклы насекомых, а в теплые зимы выживает больше вредителей и патогенов. Повышение температуры также заставляет некоторых насекомых вторгаться на новые территории, иногда с разрушительными последствиями для местных растений.
Более высокие температуры и увеличение влажности также делают сельскохозяйственные культуры более уязвимыми. Сорняки, многие из которых размножаются в условиях жары и повышенного содержания CO2, уже вызывают около 34% потерь урожая; насекомые вызывают 18 процентов потерь, а болезни — 16 процентов. Изменение климата, вероятно, увеличит эти потери.
Многие культуры начинают испытывать стресс при температуре выше 32–35°C, хотя это зависит от типа культуры и наличия воды. Модели показывают, что каждый дополнительный градус тепла может привести к снижению урожайности некоторых важных культур, таких как кукуруза и соя, на 3-7 процентов.
Посевы сои могут пострадать от повышения температуры. Фото: тихий Джефф
Кроме того, повышение температуры ускоряет жизненный цикл растения, так что по мере того, как растение созревает быстрее, у него остается меньше времени для фотосинтеза и, следовательно, оно дает меньше зерен и меньшую урожайность.
Растения также находятся в движении в ответ на потепление. Виды, приспособленные к определенным климатическим условиям, постепенно перемещаются на север или в более высокогорья, где прохладнее. За последние несколько десятилетий многие североамериканские заводы перемещались примерно на 36 футов в более высокие места или на 10,5 миль в более высокие широты каждые 10 лет. Линия арктических деревьев также ежегодно перемещается на 131–164 фута к северу к полюсу. Новая среда может быть менее гостеприимной для видов, переселяющихся в нее, поскольку может быть меньше места или больше конкуренции за ресурсы. Некоторым видам может некуда двигаться, и, в конечном итоге, одни виды пострадают от изменений, а другие выиграют.
Экстремальные погодные условия
Изменение климата приведет к более частым и суровым экстремальным погодным явлениям, включая экстремальные осадки, волнение ветра, периоды сильной жары и засуху. Экстремальные осадки могут нарушить рост растений, особенно в недавно сгоревших лесах, и сделать растения более уязвимыми к наводнениям, а почвы — к эрозии. Более частые сильные ветры могут нанести ущерб древостоям.
Ожидается также, что изменение климата вызовет более комбинированные волны тепла и засухи, что, вероятно, сведет на нет любые выгоды от эффекта углеродных удобрений. Хотя урожайность сельскохозяйственных культур часто снижается в жаркие вегетационные периоды, сочетание жары и засухи может привести к падению урожайности кукурузы на 20 процентов в некоторых частях США и на 40 процентов в Восточной Европе и Юго-Восточной Африке. Кроме того, сочетание тепла и нехватки воды может снизить урожайность в таких местах, как север США, Канада и Украина, где, по прогнозам, урожайность возрастет из-за более высоких температур.
Другие эффекты повышенного содержания CO2
Хотя урожайность некоторых сельскохозяйственных культур может увеличиться, повышение уровня CO2 влияет на уровень важных питательных веществ в сельскохозяйственных культурах. Согласно одному исследованию, при повышенном уровне CO2 концентрация белка в зернах пшеницы, риса и ячменя, а также в клубнях картофеля снизилась на 10–15 процентов. Посевы также теряют важные минералы, включая кальций, магний, фосфор, железо и цинк. Исследование сортов риса, проведенное в 2018 году, показало, что, хотя повышенные концентрации CO2 увеличивают содержание витамина Е, они приводят к снижению содержания витаминов B1, B2, B5 и B9.
Почвы могут хранить меньше углерода, поскольку растения получают больше питательных веществ из земли. Фото: CupcakePerson13
И, как это ни парадоксально, увеличение роста растений за счет CO2 может привести к уменьшению запасов углерода в почве. Недавние исследования показали, что растения должны получать больше питательных веществ из почвы, чтобы не отставать от дополнительного роста, вызванного углеродными удобрениями. Это стимулирует микробную активность, которая в конечном итоге приводит к выбросу CO2 в атмосферу, который в противном случае мог бы остаться в почве. Полученные результаты бросают вызов давнему убеждению, что по мере роста растений из-за увеличения содержания CO2 дополнительная биомасса будет превращаться в органическое вещество, а почвы могут увеличивать запасы углерода.
Растения ждут неопределенного будущего
Многие исследования реакции растений на изменение климата, по-видимому, предполагают, что большинство растений в будущем будут подвергаться большему стрессу и будут менее продуктивными. Но все еще остается много неизвестного о том, как сложные взаимодействия между физиологией и поведением растений, доступностью и использованием ресурсов, сменой растительных сообществ и другими факторами повлияют на общую жизнь растений перед лицом изменения климата.
