В январе 2014 года группа исследователей провела необычный, можно сказать парадоксальный, эксперимент на арктическом архипелаге Шпицберген: их целью было заключить небольшие растения, растущие в тундре, в толстый слой льда.Хотя это может показаться странным — природа довольно хорошо справляется с защитой растений на Свальбарде льдом и снегом — исследователи пытались использовать свой эксперимент как своего рода биологический хрустальный шар.
Глобальное потепление означает, что зимой в таких местах, как Шпицберген, будет больше дождей, и исследователи задались вопросом, что это изменение климата повлияет на обычное тундровое растение, называемое Cassiope tetragona, или арктический вереск. Это больше, чем просто академический вопрос, поскольку климатологи говорят, что на Свальбарде уже наблюдалось самое сильное повышение температуры из всех мест в Европе за последние три десятилетия.«Мы уже видим большие изменения в климате Шпицбергена, и мы ожидаем, что они появятся в будущем» из-за глобального потепления, — сказал Браге Б. Хансен, биолог из Центра динамики биоразнообразия Норвежского университета науки и технологий и один из авторов статьи. . «Мы знаем, что когда у нас будет летнее потепление, растения будут расти больше, но когда у нас будет зимнее потепление, которое еще более ощутимо в таком месте, как Шпицберген, мы действительно не знаем, как это влияет на растения».И поэтому Хансен и его коллеги-ученые из Университетского центра на Шпицбергене и Университета Абердина разработали эксперимент, чтобы увидеть, смогут ли они выяснить, как Кассиопа будет жить в ледяном покрове.
Ящики для льдаИсследование, опубликованное в журнале Ecology and Evolution в феврале, было тем, что исследователи называют пилотным проектом — где они проверяют идею, чтобы увидеть, заслуживает ли она продолжения.
Логистика оказалась большой частью проблемы, с которой они столкнулись при принятии решения о проведении исследования.За пределами Лонгйира, где круглый год проживает около 2000 человек, есть несколько разрозненных поселений, но практически никакой инфраструктуры. Если бы исследователи захотели заморозить свои растения в естественных условиях в тундре, им пришлось бы вывозить каждую каплю воды на выбранный ими исследовательский участок на снегоходе в кромешной тьме и сильном морозе полярной ночи.
Их экспериментальный план предполагал использование деревянных бездонных ящиков или рам размером 50 х 50 см, чтобы изолировать области Кассиопы, чтобы они могли создать толстый ледяной покров внутри ящика. «Мы проверяли наши идеи и логистику и начали с относительно небольших размеров, с шести ящиков, в которые мы помещали растения в лед, и шести контрольных участков для последующего сравнения с необработанными растениями», — говорит Ойстейн Варпе, доцент Университетского центра на Свальбарде.
Затем возникла удивительно сложная задача — заморозить растения. Исследователи использовали 40 литров воды, чтобы заморозить растения внутри каждого из бездонных контейнеров для обработки.
Они быстро узнали, что если слишком быстро налить воду в ящики с открытым дном, она просто вытечет на дно. Если у них заканчивалась вода, им приходилось ехать обратно в Лонгйир, чтобы снова заправиться, поэтому каждая потерянная капля усложняла настройку эксперимента. В конце концов они придумали систему, в которой они построили по периметру ящиков влажные стены из снега, чтобы удерживать воду до тех пор, пока она не замерзнет.«Это холодная, влажная и сложная работа, когда температура -15 C и вы работаете с водой», — сказал Хансен. «Вы должны очень много работать, чтобы это сработало».
Больше повреждений, но больше ростаКогда наступило лето, и исследователи вернулись, чтобы увидеть последствия обледенения, они обнаружили, что растения, которые были заключены в лед, с большей вероятностью пострадали.
Кассиопа на самом деле представляет собой крошечный кустарник, который растет либо за счет удлинения побегов, либо за счет появления новых побегов. «Обработка обледенением повредила и фактически погубила некоторые побеги растения, а также покрытые льдом растения меньше цвели», — сказал Варпе. Ни один из этих выводов не удивил команду.Но что их действительно удивило, так это то, что растения, которые были покрыты льдом, на самом деле имели больший рост на своих оставшихся неповрежденных побегах по сравнению с растениями на контрольных участках.
Изначально это не имело смысла — если растение пострадало от замораживания, почему оно должно расти больше?Хансен сказал, что он и его коллеги считают, что это произошло потому, что растения компенсировали ущерб.
По его словам, если бы у них было меньше побегов (потому что некоторые были убиты) и они не вкладывали энергию в создание цветов, энергия, которая могла бы уйти на цветение и поддерживать мертвые побеги, могла бы вместо этого быть направлена на выжившие части растения. .«Возможно, это отражает их стратегию жизненного цикла», — сказал он, добавив, что ученые строят предположения и пока не имеют окончательных доказательств в пользу причины. «Если у вас действительно плохие условия, вы пропускаете размножение и некоторые стебли умирают, но вы тратите больше своих ресурсов на рост оставшихся стеблей».Несмотря на то, что у них было относительно мало выборочных графиков для анализа, тенденция была настолько сильной, что она была статистически значимой.
Кассиопа как мера прошлых погодных явленийОдна из причин, по которой исследователи решили изучить Кассиопу, заключается в том, как она растет и как другие исследователи использовали эту особую модель роста в исследованиях климата.Исследователи уже давно используют годичные кольца деревьев как своего рода машину времени, особенно когда речь идет о погоде и климате. Например, в лиственных лесах умеренного пояса дерево каждый год увеличивает рост вокруг своего ствола.
Это кольцо роста видно, если вы срубите дерево и посмотрите на характерный узор из концентрических колец в поперечном сечении ствола дерева.Неудивительно, что эти годичные кольца толще при хороших условиях роста и тоньше при плохих. Деревья, которые живут очень долго, такие как сосны из щетины (которые могут жить тысячи лет), предлагают своего рода взгляд на условия выращивания для каждого года роста, показанного на годичных кольцах.
Оказывается, что и Кассиопа, даже несмотря на то, что это всего лишь небольшой арктический кустарник, имеет особую структуру роста, которую исследователи могут использовать для измерения годового прироста, подобно кольцу деревьев. Каждый год на каждом выжившем побеге образуется новый участок роста, длину которого можно легко измерить и сравнить с участками предыдущих лет.
Эти исследователи давно предполагали, что если Кассиопа сильно вырастет за год, они могут предположить, что условия выращивания были хорошими, а если она растет плохо, то условия выращивания были плохими. Это предположение использовалось некоторыми исследователями для восстановления температурных записей в Арктике еще в 1840 году.Это предположение, возможно, придется пересмотреть, сказал Хансен.«Мы должны знать, что некоторые из имеющихся у нас данных (о росте растений) могут быть искажены другими климатическими корреляциями», — сказал он. «Если у вас было действительно теплое лето, а затем вы заметили усиленный рост побегов, вы могли бы легко сделать вывод, что теплое лето было ответственно за усиленный рост, в то время как на самом деле это могло быть теплой зимой и повреждением растений».
Три магистранта найдут ответыНеожиданные результаты пилотного исследования 2014 года побудили Хансена и его коллег прошлой зимой начать более масштабное и сложное исследование.
На этот раз вместо шести ящиков в паре с шестью контрольными объектами у исследователей теперь есть 22 разных ящика с разными экспериментальными установками. Они также проводят свои исследования растений, которые важны в качестве корма для травоядных на Свальбарде, таких как северный олень, гуси и белая куропатка, вместо Кассиопы, которую животные совсем не едят.Этим летом три магистранта будут измерять рост и цветение всех растений в разных ящиках, чтобы увидеть, что произойдет. Исследование также продлится несколько лет, потому что иногда последствия суровой зимы могут быть отложены.
«Мы знаем, что могут быть отсроченные эффекты», — сказал он. «Может быть, если вы выращиваете много цветов в один год, то в следующем вы их не выращиваете, или наоборот».