Международное исследование, опубликованное в журнале Nature Ecology & Evolution, показывает, что дубы, пораженные гусеницами в предыдущем году, изменяют свой календарь цветения, чтобы избежать нападения хищников.
Анализ, проведенный с использованием радиолокационных спутников Sentinel-1 на территории лесов площадью 2400 квадратных километров в Нижней Франконии (Германия), показывает, что эта временная и обратимая стратегия более эффективна, чем производство горьких дубильных веществ.
Весна в лесных экосистемах подчиняется древнему сценарию: насекомые, особенно гусеницы различных видов чешуекрылых, вылупляются одновременно с появлением первых листьев деревьев, которые на ювенильной стадии нежные и богаты питательными веществами.
Это явление обеспечивает фитофагам немедленный доступ к источнику пищи и позволяет колониям начать свое развитие без первоначального дефицита. Однако международная группа исследователей недавно задокументировала адаптивный ответ у дубов, который полностью меняет этот экологический период: если дерево подвергается сильному нападению гусениц в течение года, это задерживает распускание почек примерно на три дня следующей весной.
Эта фенологическая задержка, которая на первый взгляд может показаться незначительной, имеет разрушительные последствия для насекомых, объедающих листья. Когда гусеницы вылупляются из яиц, рассчитывая на то, что бутоны уже раскрылись, они буквально попадают на пустую тарелку: листья все еще сложены и тверды внутри цветочных бутонов, недоступны для первоначального питания.
Исследовательская группа под руководством Сумена Маллика из Центра бионаук Вюрцбургского университета и первого автора исследования, количественно оценила эффект этой стратегии. Трехдневной задержки достаточно, чтобы значительно снизить выживаемость гусениц, а повреждения дуба от поедания травоядными животными уменьшаются на 55%, что, по словам авторов, является впечатляющим результатом.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Ecology & Evolution и представляют собой сдвиг парадигмы в понимании начала весны в умеренных лесах. До сих пор экологические модели предполагали, что пробуждение деревьев после зимы зависит почти исключительно от абиотических факторов, главным образом от температуры окружающей среды и фотопериода.
Однако дубы, демонстрируя такую реакцию, показывают свою способность интегрировать биологическую информацию, в частности, уровень поражения вредителями в предыдущем цикле, и соответствующим образом корректировать свою фенологию. Эта стратегия задержки более эффективна для дуба, чем химическая защита, такая как выработка горьких дубильных веществ в листьях, объясняет Маллик, поскольку синтез этих соединений требует значительных энергетических затрат для дерева, в то время как временная модификация ритма распускания почек имеет меньшие метаболические затраты.
Чтобы прийти к этим выводам, исследователи отказались от традиционных методов наземного наблюдения, которые требовали ручного и кропотливого мониторинга отдельных деревьев. Вместо этого они обратились к высокоточному дистанционному зондированию с использованием спутниковой группировки Sentinel-1, эксплуатируемой Европейским космическим агентством.
Техническое преимущество этих спутников заключается в использовании радиолокатора с синтезированной апертурой, что позволяет им получать достоверные данные о состоянии крон деревьев даже при плотной облачности, что крайне важно в климате Центральной Европы. Исследуемая территория охватывала 2400 квадратных километров региона Нижняя Франкония, на севере Баварии , а анализируемый период включал пять последовательных лет, с 2017 по 2021 год.
Исследователи обработали в общей сложности 137 500 отдельных наблюдений, извлеченных из спутниковых снимков. Пространственное разрешение данных составляло 10 на 10 метров на пиксель, что примерно соответствует размеру кроны взрослого дуба.
Таким образом, команда смогла независимо отслеживать реакцию 27 500 пикселей, распределенных по 60 различным лесным массивам. 2019 год оказался особенно показательным для исследования, поскольку в том году в регионе произошла массовая вспышка численности так называемой губчатой моли (Lymantria dispar), вида гусениц, известного своей способностью уничтожать листву целых дубовых лесов.
Радарные датчики точно зафиксировали, какие деревья были полностью лишены листвы и как эти же деревья отреагировали на следующий год, поясняет профессор Йорг Мюллер, заведующий кафедрой природоохранной биологии и лесной экологии Вюрцбургского университета, который был одним из руководителей исследования.
Таким образом, исследование дает убедительное объяснение явлению, которое экологи и лесоводы наблюдали годами, не имея возможности его объяснить: почему некоторые леса в определенные весенние периоды не зеленеют так быстро, как предсказывали бы температуры. До сих пор вычислительные модели, имитирующие состояние растительности, часто страдали от неточностей, поскольку включали только инертные факторы, такие как температурные ряды, игнорируя динамические биологические взаимодействия между растениями и фитофагами. Это упущение приводило к ошибочным прогнозам первичной продуктивности и состояния деревьев.
В конечном счете, дубы участвуют в эволюционной борьбе, последствия которой в условиях изменения климата становятся все более сложными. С одной стороны, повышение зимних и весенних температур оказывает селективное давление на деревья, заставляя их быстрее формировать почки, используя преимущества более длительного вегетационного периода.
С другой стороны, давление со стороны насекомых-вредителей, численность которых также изменяется в зависимости от климата, вынуждает дубы задерживать раскрытие почек, чтобы не синхронизироваться со своими хищниками. Ключевое преимущество тактики временной задержки заключается в её преходящем и обратимом характере: поскольку дерево задерживает распускание почек только в том случае, если оно действительно подверглось нападению в предыдущем году, насекомые не могут выработать постоянную генетическую адаптацию к этой защите. Таким образом, здесь нет стабильной эволюционной гонки вооружений, а скорее пластичный ответ, который активируется и деактивируется в зависимости от условий.
«Эта динамичная игра является примером высокой устойчивости и адаптивных способностей леса в меняющемся мире», — добавляет профессор Андреас Принзинг из Университета Ренна (Франция), также являющийся соруководителем исследования. Команда планирует провести дальнейшие эксперименты, чтобы более точно раскрыть молекулярные и гормональные механизмы, которые позволяют дубу запоминать на протяжении всей зимы интенсивность нападения гусениц, пережитого за несколько месяцев до этого.
На данный момент спутниковые данные, опубликованные в журнале Nature Ecology & Evolution, показывают, что многовековые дубы франконских лесов — это не просто биологические термометры, а активные стратеги, способные читать историю своей собственной листвы и решать каждую весну, когда безопасно распустить новые листья.
