Что вызывает отмирание листьев осенью?

Листья лиственных деревьев умеренного климата светятся во всей своей желто-красной красоте перед падением, сигнализируя о наступлении осени. Этот процесс, называемый старением листьев, позволяет деревьям подготовиться к приближающейся зиме, приостанавливая их рост и извлекая питательные вещества из листвы. В фенологическом цикле деревьев старение листьев знаменует собой конец продуктивного периода, в течение которого они поглощают СО2 посредством фотосинтеза.

Что вызывает отмирание листьев осенью?

Глобальное потепление привело к увеличению продолжительности вегетационных периодов в последние годы: появление весенних листьев у европейских деревьев произошло примерно на две недели раньше, чем 100 лет назад, а осеннее старение — примерно на шесть дней позже. Обычно ожидается, что старение будет и дальше задерживаться в условиях потепления климата, увеличивая количество углерода, улавливаемого этими растениями при изменении климата.

Однако исследователи из ETH Zurich пришли к противоположному выводу. В исследовании, опубликованном в журнале Science, они продемонстрировали механизм саморегулирования, ограничивающий продуктивный период. Повышенный фотосинтез весной и летом приводит к более раннему старению, что может привести к более раннему опаданию листьев осенью.

«Точные прогнозы вегетационного периода деревьев ранее были затруднены, поскольку факторы старения листьев не были хорошо изучены», — говорит Константин Зохнер, руководитель исследования и старший научный сотрудник лаборатории Crowther Lab ETH в Цюрихе.

До сих пор ученые обычно предполагали, что после окончания лета осеннее снижение температуры и продолжительности дня являются основными сигналами, определяющими время старения листьев. Некоторые исследования дополнительно показали, что появление листьев весной влияет на их гибель осенью. «Но поскольку важность этих механизмов оставалась неясной, фенологические модели могли в лучшем случае лишь частично учитывать такие эффекты», — говорит биолог.

Зохнер подозревал, что связь между весенней и осенней фенологией может быть объяснена фотосинтетической активностью — или, точнее, явлением ограничения стока углерода. Согласно этой гипотезе, дефицит питательных веществ в почве, таких как азот, среди прочего, ограничивает количество CO2, которое растение может поглотить в течение сезона. Следовательно, чем больше углерода деревья поглощают весной и летом, тем раньше должно начаться старение листьев.

Эта роль фотосинтеза в контроле старения листьев давно известна, например, для сельскохозяйственных культур, но никогда не проверялась на деревьях. Это то, что побудило исследователей ETH Zurich изучить движущие силы осенней фенологии с использованием комбинированного подхода полевых наблюдений, лабораторных испытаний и моделирования.

Основой исследования послужили многолетние наблюдения за шестью европейскими породами лиственных деревьев за последние шесть десятилетий. Используя эти данные, команда Зохнера проверила относительное влияние различных факторов на время осеннего старения, включая появление листьев весной, сезонный фотосинтез, концентрацию CO2, температуру и осадки.

Кроме того, исследователи также провели серию экспериментов с саженцами в климатических камерах и на открытом воздухе. Это позволило им изолировать эффекты температуры, дневного света и содержания CO2, которые определяют корреляцию между фотосинтезом и старением листьев.

Многолетние наблюдения выявили сильный эффект фотосинтеза: в годы с повышенным фотосинтезом весной и летом старение листьев начиналось раньше, с каждым десятипроцентным увеличением фотосинтетической активности, опережающим старение листьев на восемь дней. Эксперименты подтвердили эти выводы.

«Наш анализ показывает, что сезонный фотосинтез, осенние температуры и продолжительность дня являются ключевыми факторами старения», — говорит ведущий автор Дебора Зани, объясняя задействованные силы. «Некоторые другие факторы, такие как концентрация CO2 в атмосфере, летние температуры, уровень освещенности и осадки, также, по-видимому, влияют на старение, но только косвенно, через фотосинтез».

Поэтому более теплая осень в условиях изменения климата, как правило, замедляет старение. Однако этому эффекту противодействует увеличение фотосинтеза весной и летом за счет повышения концентрации CO2, более теплых летних периодов и более раннего появления листьев.

Зани и Зохнер разработали новую модель осенней фенологии, которая учитывает все факторы в зависимости от их веса. Эта модель позволила исследователям предсказать время осеннего старения за последние шесть десятилетий с точностью до 42 процентов по сравнению с предыдущими моделями.

Затем авторы использовали эту модель для создания обновленных прогнозов времени старения листьев на оставшуюся часть столетия, и результаты были весьма неожиданными. До сих пор ожидалось, что старение наступит через две-три недели к концу века. «Наша новая модель предполагает обратное: если фотосинтез продолжит увеличиваться, листья стареют на три-шесть дней раньше, чем сегодня», — говорит Зани. «Это означает, что к концу века вегетационный период продлится всего на 8–12 дней, что примерно в два-три раза меньше.