Основа життя під загрозою через зміну клімату

Фотосинтез є основою життя на Землі, але зміна клімату все більше загрожує цьому важливому процесу. Завдяки передовим інструментам вчені тепер можуть досліджувати, як зміни температури, вологості та світла впливають на фотосинтез і, відповідно, на майбутнє екосистем. Для Ракеша Тіварі, постдокторанта кафедри екології та генетики Університету Уппсали, критично важливо розкрити, як рослини адаптуються – або не адаптуються – до кліматичних змін.

«Я хочу зрозуміти, як види та екосистеми можуть функціонувати в майбутньому», — сказав Тіварі, чиї дослідження охоплюють тропічні ліси в Пуерто-Ріко, Амазонку і навіть контрольований клімат у Тропічній оранжереї Упсали. 

Використовуючи передові інструменти для моделювання екстремальних умов навколишнього середовища, Тіварі прагне зрозуміти здатність рослин до адаптації до кліматичних викликів і їхні потенційні межі.

Спостереження фотосинтезу під тиском

У вологій атмосфері теплиці Уппсали, в оточенні високих пальм і густого листя, Тіварі демонструє свій процес за допомогою портативного аналізатора парникових газів, призначеного для імітації різних умов навколишнього середовища на листі. 

Він поміщає лист гібіскуса в камеру інструмента, піддаючи його інтенсивному світлу та теплу. Реакція листя дає підказки про те, як рослини переробляють сонячне світло, вуглекислий газ і воду для створення глюкози та кисню під різними стресами.

«Оскільки це портативний інструмент, я можу брати його в різні місця та аналізувати реакцію фотосинтезу на різні умови середовища для рослин», — пояснив Тіварі.  «Наприклад, я можу змінювати температуру та рівень освітленості та вимірювати, як це впливає на швидкість фотосинтезу».

Ця робота на місці паралельна дослідженням, які він проводив у природному тропічному середовищі, де він спостерігав чіткі закономірності в тому, як фотосинтез реагує на екстремальну спеку.

Основа життя в тропічному лісі

У 2017 році Тіварі брав участь у дослідницькому проекті в Амазонці, де він та його колеги використовували подібні інструменти для моніторингу стану системи фотосинтезу тропічного лісу. 

«Ми використовували подібний флуорометр, щоб відстежувати, коли фотосистеми почали ламатися. Те, що ми побачили, було чіткою закономірністю. Дерева в одному з найгарячіших місць Амазонки вже відчувають температурні умови, які можуть вплинути на їхні механізми фотосинтезу». 

Дослідники виявили, що рослини в особливо жарких і сухих районах Амазонки вже наближаються до своєї термостійкості, а швидкість фотосинтезу падає під час особливо високих температур.

Межі фотосинтетичної ефективності

Глобальна ефективність фотосинтезу вражаюче низька, як правило, щонайбільше 5%, частково через процес, який називається фотодиханням.  Під час фотодихання фермент під назвою рубіско помилково зв’язує кисень замість вуглекислого газу, проблема, яка посилюється високими температурами. Це знижує здатність рослини ефективно виробляти енергію.

«Іншим фактором є невеликі отвори або продихи в листі рослини, які регулюють поглинання вуглекислого газу та водообмін», — сказав Тіварі. 

«У сильну спеку вони можуть закриватися, щоб заощадити воду. Це стратегія виживання, але вона також знижує швидкість фотосинтезу. У той час як у деяких дерев продихи відкриваються при вищих температурах, щоб використовувати охолодження через випаровування як механізм охолодження листя».

Наслідки для зберігання вуглецю 

Дослідження Тіварі в Уппсалі, проведені спільно з командою Боба Мускарелли, зосереджені на розумінні температурних адаптацій у тропічних і помірних лісах.  Його нещодавні висновки свідчать про те, що температурна чутливість до фотодихання суттєво різниться між видами, що може вплинути на стратегії лісовідновлення, спрямовані на вибір видів, найбільш стійких до зміни клімату.

«Наслідки такого розуміння можуть краще інформувати проекти лісовідновлення. Наприклад, ми можемо зрозуміти, як рослинність може функціонувати в теплішому майбутньому і як ми можемо адаптувати наші майбутні стратегії збереження та лісонасадження», — зазначив Тіварі.

Однак Тіварі підкреслює, що для захисту клімату недостатньо лише висаджувати дерева. Збереження зрілих лісів забезпечує незрівнянні екологічні переваги. 

«Ми не можемо відтворити складність зрілого лісу. Це більше, ніж просто захоплення вуглецю; він підтримує біорізноманіття, регулює водні потоки та забезпечує середовище проживання незліченних видів», – сказав він. 

Збереження основи життя

З 21 жовтня по 1 листопада в Калі, Колумбія, відбудеться конференція ООН з біорізноманіття COP16, на якій лідери обговорять глобальні виклики збереження.  Тіварі сподівається, що дискусії на конференції будуть зосереджені на збереженні природних екосистем, особливо лісів, оскільки вони є незамінними в регулюванні вуглецю та підтримці біорізноманіття.

«Якщо ми втратимо біорізноманіття та лісові екосистеми, ми втратимо найкращу на планеті природну систему уловлювання вуглецю», – сказав він. 

«Одного дня можуть з’явитися технології, які зможуть видалити вуглекислий газ з атмосфери, але чим більше ми покладаємося на штучні рішення, тим більше шкоди ми ризикуємо завдати планеті. Ці ризики ми не можемо собі дозволити».

Баланс між інноваціями та природними рішеннями

З огляду на кліматичні виклики, дослідження Тіварі підкреслюють необхідність як збереження, так і інновацій. Хоча передові інструменти покращують наше розуміння фотосинтезу, збереження існуючих екосистем залишається важливим для досягнення справжньої стійкості. 

«Найкращий спосіб захистити навколишнє середовище — зберегти природні системи, які вже існують», — сказав Тіварі. Його робота підкреслює збалансований підхід: технологічний прогрес у рослинництві в поєднанні з цілеспрямованими зусиллями для збереження природних середовищ існування.

Досліджуючи складні способи реагування рослин на зміну клімату, дослідження Тіварі підкреслюють важливість збереження біорізноманіття в кліматичних діях.  Завдяки збереженню та інноваціям наукове співтовариство може працювати над підтримкою екосистем, які є основою життя на Землі.