Ученые восстановили историю изменений растительности на северо-востоке Камчатки за последние 5 тыс. лет. Проследить, как в прошлом менялись растительность, ландшафт и климат, им помогли исследования древней пыльцы и вулканического пепла. Полученные данные помогут не только получить более надежный прогноз природных изменений в условиях меняющегося климата и возрастающей антропогенной нагрузки, но и создать сверхустойчивые к экстремальным воздействия растения, рассказали «Известиям» опрошенные эксперты.
Как тысячелетиями менялась растительность Камчатки
Узнать, как с течением времени менялись растительность, ландшафт и климат, помогают исследования древней пыльцы. Анализируя, какие пыльцевые зерна сохранялись в торфяниках и озерных отложениях на протяжении тысячелетий, ученые реконструируют природную обстановку разных эпох. Болота при этом служат своеобразными «архивами» палеоэкологической информации: слой за слоем они накапливают из воздуха пыльцу, отражающую растительные сообщества окружающих территорий.
Ученые из Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова и Геологического института РАН предложили новые подходы к реконструкции динамики региональной растительности и изменений в болотных экосистемах в ответ на выпадение вулканического пепла на Дальнем Востоке России, в частности на Камчатке. Они использовали методы пыльцевого и ботанического анализов торфа, подкрепленные моделью осадконакопления в регионе.
Торфяные толщи там нередко чередуются с прослоями вулканического пепла (тефры), которые выпадают на поверхность болота и затем консервируются под новыми слоями болотных отложений, рассказали «Известиям» ученые. Такие пеплопады могут влиять на динамику экосистем, однако выраженные изменения фиксируются в непосредственной близости от вулканов. Вопрос о том, насколько заметно воздействие пепла на экосистемы на удалении от источника извержения, до сих пор остается дискуссионным.
— Мы получили очень подробную летопись с разрешением около 60 лет и выделили более 25 прослоев тефры. Это позволило отделить влияние пеплопадов от «фоновых» климатических колебаний и определить, что региональные изменения растительности обоснованы климатическими колебаниями, характерными для Северного полушария. Пеплопады выглядят драматично, но они не привели к кардинальным перестройкам региональной растительности за последние пять тысячелетий, — рассказал аспирант кафедры экологии и географии растений и научный сотрудник кафедры общей экологии и гидробиологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Валерий Пименов.
Ученые предположили, что климат оказывал решающее влияние на состав растительного покрова. В холодные периоды распространялись сообщества ольхового стланика — вида, приспособленного к более суровым условиям. В относительно теплые эпохи, напротив, увеличивалась площадь березовых лесов.
— Эти изменения отражены в пыльцевых спектрах и согласуются с известными климатическими осцилляциями (повторяющимися циклическими колебаниями), — объяснил Валерий Пименов.
Статистический анализ подтвердил, что ключевые изменения локальной растительности определялись прежде всего последовательной закономерной сменой одних биологических сообществ другими и гидрологическими условиями на определенном участке среды, тогда как влияние выпадений тефры носило вторичный характер.
— Исследование — лишь первый этап большого проекта, посвященного изучению водно-болотных экосистем полуострова Камчатка. Мы собираем сопоставимые по качеству и временно́му разрешению данные для разных районов региона, чтобы проверить, насколько универсальны выявленные закономерности. В этом смысле наша работа дополняет немногочисленные исследования зарубежных коллег и расширяет представления о динамике экосистем вулканически активных территорий, — отметил руководитель проекта, профессор, д.б.н., член-корреспондент РАН Юрий Мазей.
Зачем нужно исследовать древнюю растительность
Полученные результаты показывают значимость междисциплинарных исследований в современной экологии: сочетание разных подходов позволяет детально проследить связи в системе «растительность – климат – геология», что необходимо для более надежных прогнозов в условиях меняющегося климата и возрастающей антропогенной нагрузки, резюмировал Юрий Мазей.
Важно понять, как трансформируются экосистемы в ответ на изменения тепло- и влагообеспеченности, уточнила доцент кафедры экологии и природопользования Сибирского федерального университета, кандидат географических наук Анна Гренадерова.
— Территория полуострова Камчатка уникальна, к прочим природным условиям, влияющим на экосистемы, добавляется вулканизм. Конечно, извержения вулканов на Камчатке не сопоставимы с теми, которые вызывали понижение глобальной средней температуры воздуха на несколько градусов, как, например, вулкан Тамбора в 1815 году, но тоже могут оказывать влияние на локальные и региональные климатические, почвенно-гидрологические условия, растительный покров и животный мир. Данное исследование, несомненно, расширит представления о влиянии вулканизма на природные системы, — сказала исследователь.
Вулканические извержения давно используют для датировки в археологии, используя слои пепла в качестве стратиграфических маркеров для привязки исторических событий к тем или иным эпохам. В этом случае авторы работы изучили, какие изменения в растительном покрове происходят после мощных вулканических извержений. Было показано, что особых последствий в видовом составе наземной растительности они не вызывают, отметил д.б.н., ведущий научный сотрудник Института биофизики СО РАН, доцент кафедры биофизики СФУ Денис Рогозин.
Основываясь на палеогенетических данных (результатах исследований, направленных на изучение древней ДНК, которая сохраняется в биологических останках разного возраста), можно создавать новые культуры растений, устойчивые к экстремальным воздействиям, уверена к.ф.-м.н., доцент департамента экологической безопасности и менеджмента качества продукции Института экологии РУДН имени Патриса Лумумбы Татьяна Ледащева.
— Это одно из самых перспективных направлений современной биотехнологии. Но это очень сложный, многоступенчатый процесс, далекий от действий вроде «найти в вечной мерзлоте семечко, посадить и вырастить». Ученые расшифровывают древнюю ДНК и сравнивают ее с ДНК современных видов, находят ключевые участки, отвечающие за устойчивость при засухах, похолоданиях, при столкновении с вредителями, патогенами и т.д. Дальше, если полезная аллель (вариант одного и того же гена, который увеличивает приспособленность организма к условиям среды) выявлена в современных видах, проводят направленную селекцию, — пояснила ученый.
Другой путь — генетическое редактирование, прямое внедрение полезного гена в геном современного вида. При этом приходится учитывать деградацию и разрушение ДНК. Чем старше образец, тем сложнее найти сохранный геном. Кроме того, часто устойчивость обеспечивается не одним геном, а целым комплексом, который сложнее исследовать и перенести, отметила Татьяна Ледащева.
— Важно при генетическом редактировании не нарушить существующий геном и даваемые им полезные свойства вида, а также не получить неожиданные нежелательные свойства. Нельзя забывать и об этических и законодательных барьерах при использовании методов генного редактирования, — обратил внимание к.э.н., доцент, член общественного совета Базовой организации государств — участников СНГ по экологическому образованию Владимир Пинаев.
В целом это исследование — пример того, как академический интерес к далекому прошлому дает основу для понимания настоящего и разработки стратегий будущего. Это знание меняет приоритеты в прогнозных моделях: для предсказания будущего в вулканических регионах мира следует сосредоточиться на климатических сценариях, а не на вулканических рисках, резюмировал он.
Исследование опубликовано в журнале Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology.