Международная группа под руководством Вашингтонского университета обнаружила способ определения древесного покрова и плотности деревьев, кустарников и кустарников в разных местах с течением времени на основе подсказок в ячейках окаменелостей растений, сохранившихся в скалах и почве. Плотность деревьев напрямую влияет на осадки, эрозию, поведение животных и множество других факторов в мире природы. Количественная оценка структуры растительности во времени может пролить свет на то, как экосистемы Земли менялись за миллионы лет.
«Знание структуры растительности местности и расположения листьев на поверхности Земли является ключом к пониманию земной экосистемы. Это контекст, в котором живут все наземные организмы, но до сих пор у нас не было способа измерить это», сказал ведущий автор Риган Данн, палеонтолог из Музея естественной истории и культуры Университета Берка. Данн завершил эту работу в качестве докторанта UW в лаборатории Кэролайн Стромберг, доцента биологии Эстеллы Б. Леопольд и куратора палеоботаники в Музее Берка.
Результаты опубликованы 16 января в журнале Science.Команда сосредоточила свои полевые исследования на нескольких участках в Патагонии, Аргентина, где есть одни из наиболее хорошо сохранившихся окаменелостей в мире, и вместе они представляют 38 миллионов лет истории экосистемы (49-11 миллионов лет назад). Палеонтологи годами кропотливо собирали окаменелости с этих мест и работали над точным определением их возраста с помощью радиометрического датирования. Новое исследование основывается на этом растущем объеме знаний.
В Патагонии и других местах ученые имеют некоторое представление, основанное на остатках древних растений, таких как окаменевшая пыльца и листья, какие виды растений были живы в определенные периоды истории Земли. Например, в ходе предыдущей работы команда задокументировала состав растительности в этой области Патагонии. Но не было способа точно количественно оценить открытость растительности, кроме общих предположений об открытых или голых средах обитания в отличие от закрытых или покрытых деревьями местообитаний.«Теперь у нас есть инструмент, позволяющий взглянуть на множество различных важных периодов нашей истории, когда мы не знаем, что случилось со структурой растительности», — сказал Данн, сославшись на период сразу после массового вымирания, которое привело к гибели растений. динозавры.
«Значение этой работы невозможно переоценить», — сказал соавтор Стромберг. «Структура растительности связывает все аспекты современных экосистем, от влажности почвы до первичной продуктивности и глобального климата. Используя этот метод, мы можем, наконец, подробно количественно оценить, как сообщества растений и животных Земли реагировали на изменение климата за миллионы лет, что имеет жизненно важное значение для прогнозирование того, как экосистемы изменятся в соответствии с предсказанными будущими климатическими сценариями ».
Работа других ученых показала, что клетки, находящиеся в самом внешнем слое растения, называемом эпидермисом, меняют размер и форму в зависимости от того, сколько солнца подвергается воздействию солнца во время развития его листьев. Например, клетки листа, которые растут в более глубокой тени, будут больше и изогнутее, чем клетки листьев, которые развиваются в менее закрытых областях.Данн и его сотрудники обнаружили, что эти клеточные структуры, указывающие на рост в тени или на солнце, аналогичным образом обнаруживаются в окаменелостях некоторых растений.
Когда листья растения опадают на землю и разлагаются, крошечные частицы кремнезема внутри растений, называемые фитолитами, остаются частью слоя почвы. Было обнаружено, что фитолиты идеально имитируют форму и размер клеток, которые указывают на то, росло ли растение в тени или на открытом месте.Исследователи решили проверить свою гипотезу о том, что окаменелые клетки могут рассказать более полную историю структуры растительности, проверив ее в современных условиях: Коста-Рика.
Данн взял пробы почвы с участков в Коста-Рике, которые варьировались от покрытых тропических лесов до травянистых саванн и лесных кустарников. Она также сделала фотографии, глядя прямо на кроны деревьев (или их отсутствие) на каждом участке, отмечая общий растительный покров.Вернувшись в лабораторию, она извлекла фитолиты из каждого образца почвы и измерила их под микроскопом.
При сравнении с покрытием деревьев, оцененным по соответствующим фотографиям, Данн и соавторы обнаружили, что кривые и размеры ячеек напрямую связаны с количеством тени в окружающей их среде. Исследователи охарактеризовали степень тени как «индекс площади листьев», который является стандартным способом измерения растительности на определенной территории.Тестирование этой взаимосвязи между индексом площади листа и структурами растительных клеток в современных условиях позволило команде разработать уравнение, которое можно использовать для прогнозирования открытости растительности в любое время в прошлом, при условии наличия сохранившихся окаменелостей растений.
«Индекс площади листа — хорошо известная переменная для экологов, климатологов и разработчиков моделей, но никто никогда не мог представить, как можно было бы восстановить покрытие деревьев в прошлом — и теперь мы можем», — сказал соавтор Ричард Мэдден из Чикагский университет. «Мы должны быть в состоянии восстановить индекс площади листьев, используя все виды средств сохранения ископаемых растений, а не только фитолиты. Как только это будет продемонстрировано, количество мест в мире, где мы сможем это реконструировать, увеличится».Когда Данн и соавторы применили свой метод к фитолитам из Патагонии возрастом 40 миллионов лет, они обнаружили кое-что удивительное — среды обитания потеряли густой древесный покров и открылись намного раньше, чем считалось ранее на основе других палеоботанических исследований. Это важно, потому что сокращение растительного покрова произошло в тот же период, что и охлаждение океана, и эволюция животных с типом зубов, которые питаются в открытых пыльных местах обитания.
Исследовательская группа планирует проверить взаимосвязь между растительным покровом и структурой растительных клеток в других регионах мира. Они также надеются найти другие типы окаменелостей растений, которые содержат ту же информацию на клеточном уровне, что и фитолиты.