Augi ir lasījuši planētas klimatu simtiem miljonu gadu.Pielāgojoties brutālām temperatūras izmaiņām, sausuma periodiem, ledus laikmetiem un periodiem ar atmosfēru, kas piesātināta ar oglekļa dioksīdu, mēs tagad piedzīvojam vēl vienas būtiskas klimata pārmaiņas, taču šoreiz tās galvenokārt izraisa cilvēka darbība, un pārmaiņu ātrums ir tik liels, ka pat šie vecie izdzīvojušie cīnās.
Lai gan mēs to dažreiz aizmirstam, Mūsu brokastu kafija, maize, šokolāde vai vīns ir pilnībā atkarīgi no tā, kā augi reaģē uz klimata pārmaiņām.Kad mainās nokrišņu daudzums, pastiprinās karstuma viļņi vai izplatās kaitēkļi, cieš ne tikai meži un ainavas: apdraudētas ir arī veselas ražas, veselu reģionu ekonomika un globālā pārtikas drošība. Ja kāds var mums pateikt, kas īsti notiek ar klimatu, tie ir viņi paši.
Ko augi jau tagad mums stāsta par klimata pārmaiņām?
Labs šī klusā vēstījuma piemērs ir Kafijas audzēšana, kas ir būtiska miljoniem cilvēku Un daudzu valstu ekonomikām. Vadošajās valstīs, piemēram, Brazīlijā un Vjetnamā, jau ir novērots aptuveni 23% ražošanas kritums, kas saistīts ar temperatūras izmaiņām, neregulāru nokrišņu daudzumu un ekstremāliem laikapstākļiem. Starptautiskā kafijas nozare ir modra, un tas ir pamatoti, ņemot vērā miljoniem tasīšu, kas tiek patērētas katru dienu, un to, kā strauji pieaudzis globālais pieprasījums.
Taču kafija nav atsevišķs izņēmums: Arī citas pasaules pārtikas apgādes pamatkultūras ir pakļautas klimata spiedienamKakao, augs, no kura rodas šokolāde; kvieši, augs, ko izmantojam maizes un makaronu cepšanai; kukurūza; rīsi; banāni; un vīna dārzi, kas baro veselus vīnogu audzēšanas reģionus, jau izjūt ekstremālu temperatūru, ilgstošu sausumu, spēcīgu lietavu, plūdu un kaitēkļu invāzijas pieaugumu ietekmi. Tas viss ir dokumentēts IPCC (Starpvaldību klimata pārmaiņu paneļa) ziņojumos.
Turklāt, Gadalaiki vairs nemainās tā, kā agrāk.Daudzviet ir izzudusi vienmērīgā pāreja starp gadalaikiem: gandrīz bez brīdinājuma mēs pārejam no aukstuma uz intensīvu karstumu vai no sausuma uz stiprām lietavām. Šo traucējumu pamatā galvenokārt ir fosilā kurināmā dedzināšana un citas cilvēku darbības, kas palielina siltumnīcefekta gāzu emisijas un paaugstina vidējo globālo temperatūru.
Šī sasilšana nozīmē, ka Augi arvien vairāk saskaras ar ļoti mainīgiem vides apstākļiem Šie faktori ietekmē to augšanu, attīstību un spēju ražot ziedus, augļus un sēklas. Starptautiskās organizācijas prognozē, ka lauksaimniecības raža nākamo 25 gadu laikā varētu samazināties par aptuveni 30%, ja mēs neuzlabosim adaptāciju, kas tieši ietekmētu pārtikas pieejamību un preču cenas.
Lai mēģinātu paredzēt šo scenāriju, Tiek veikti daudzi pētījumi audzēšanas kamerās un siltumnīcās.kur tiek kontrolēti tādi mainīgie lielumi kā temperatūra, CO2 koncentrācija un mitrums. Lai gan šīs vides pilnībā neatspoguļo dabas sarežģītību, tās ļauj pētniekiem izolēt faktorus un saprast, kā katrs augs reaģē uz dažādām klimatisko stresu kombinācijām. Šie atklājumi pēc tam tiek salīdzināti ar novērojumiem reālos laukos.
Kā mainās lauksaimnieciskā ražošana sasilšanas apstākļos
Jaunākajos darbos pētnieki ir analizējuši palielinātā CO2, karstuma un sausuma kumulatīvā ietekme uz tādām kultūrām kā kvieši, kafija, zemenes vai lucernaKontrolētos apstākļos tiek simulēti IPCC prognozētie scenāriji: oglekļa dioksīda koncentrācija pieaug no pašreizējiem 350–400 ppm līdz vērtībām, kas ir tuvu 700 ppm, un temperatūras pieaugums par aptuveni 4 °C virs apkārtējās vides temperatūras, kas ir tieši tas, kas Vidusjūras reģionā tiek prognozēts līdz gadsimta beigām, ja sekosim pašreizējai tendencei.
Šie pētījumi liecina, ka Paaugstināts CO2 līmenis noteiktās robežās var stimulēt daudzu augu augšanu.Saistībā ar mērenu temperatūras paaugstināšanos tas var palielināt ražu par aptuveni 15–20 %. Tomēr šis "mēslošanas" efekts ir daudz vājāks, nekā dažreiz tiek attēlots, un tas ievērojami samazinās, kad spēlē lomu vēl viens svarīgs faktors: pieejamais ūdens.
Kad relatīvais mitrums strauji palielinās vai, gluži pretēji, kad pastiprinās sausums un augsnē trūkst ūdensŠis ar CO2 saistītais uzlabojums iztvaiko. Smaga ūdens trūkuma gadījumos ražošana var samazināties pat par 50%, kas ir daudz lielāka ietekme nekā jebkurš vienreizējs ieguvums no lielāka CO2 daudzuma atmosfērā. Citiem vārdiem sakot, neatkarīgi no tā, cik daudz oglekļa ir klāt, ja nav pietiekami daudz ūdens, augs vienkārši nevar augt.
Tas noved pie skaidra secinājuma: Ne visiem klimatiskajiem faktoriem ir vienāds svars.Ūdens ir viens no galvenajiem faktoriem, kas nosaka veģetācijas ainavu un ekosistēmu produktivitāti. Veģetācijas izplatību uz planētas nosaka minimālās un maksimālās temperatūras kombinācija, bet ūdens pieejamība izšķiroši nosaka, cik daudz lauksaimniecības un dabas sistēmas var saražot.
Tādos reģionos kā Spānija, kur Klimata modeļi prognozē mazāk nokrišņu un ilgākus sausuma periodus.Ietekme var būt īpaši izteikta. Vidusjūras reģions kļūst par vienu no planētas karstajiem punktiem ūdens stresa ziņā, kas nozīmē vairāk neaizsargātu kultūraugu, vairāk degradētas augsnes un lielāku mežu ugunsgrēku risku.
Ņemot vērā šo scenāriju, Lauksaimniecības pielāgošana nozīmē maksimāli izmantot katru ūdens pilienu.Tas ietver zemākas kvalitātes ūdens avotu izmantošanu (ar nosacījumu, ka tie neapdraud cilvēku vai dzīvnieku veselību), apūdeņošanas sistēmu uzlabošanu, ūdens taupīgāku kultūraugu audzēšanas veicināšanu un tādu šķirņu izvēli, kas labāk panes ūdens stresu. Tas ietver arī to, ka, ņemot vērā jaunos klimatiskos apstākļus, katrā reģionā jāpārdomā, kuras sugas tiek kultivētas.
Jau ir konkrēti piemēri, kas ilustrē šo pāreju. Lucerna ir plaši pētīta termiskā gradienta siltumnīcās. Vairāku iemeslu dēļ: tā piesaista atmosfēras slāpekli, uzlabo augsnes auglību, prasa mazāk mēslojuma un labi pielāgojas tipiskiem Vidusjūras apstākļiem. Tā ir pamatoti pazīstama kā "lopbarības kultūru karaliene", augstu vērtēta tās augstā olbaltumvielu satura un lomas lopbarībā dēļ.
Šajās īpašajās siltumnīcās, kur var simulēt temperatūras gradientu visā konstrukcijā, Gadiem ilgi ir veikts darbs ar lucernas kultūrām kombinācijā ar citām kultūrām, piemēram, kviešiem.Sākot ar 2000. gadu, tika uzsākta eksperimentāla programma, kas aptver vairākas novērošanas vasaras, lai izprastu, kā šīs galvenās kultūras reaģēs uz pakāpeniski siltāku klimatu un CO2 izmaiņām.
Vidēja termiņa mērķis ir pakāpeniski iekļaut Citi lauksaimniecībā un enerģētikā svarīgi augi, piemēram, rapšu sēklas biodīzeļa ražošanai, jauni lopbarības pākšaugi un simboliski kultūraugi, piemēram, vīnogulājsTādā veidā būs iespējams izstrādāt noturīgāku lauksaimniecību, kas ne tikai mazāk cieš no klimata pārmaiņu radītajiem satricinājumiem, bet arī veicina pašu klimata pārmaiņu mazināšanu, samazinot emisijas vai uzlabojot oglekļa piesaisti augsnē.
Augi kā dzīvības pamats… un kā agrīnās brīdināšanas sistēma
Ja mēs joprojām esam dzīvi šodien, tas lielā mērā ir tāpēc, ka Augi pārveido saules gaismu enerģijā un fotosintēzes ceļā atbrīvo skābekliTie ir barības ķēdes pamats un nodrošina pārtiku, materiālus un atbalstu neskaitāmām nozarēm. Tādēļ jebkādi traucējumi to pamatprocesos, piemēram, fotosintēzē vai vielmaiņā, rada kaskādes efektu uz visu ekoloģisko un ekonomisko sistēmu.
Klimata pārmaiņas pilnībā maina šos procesus, jo Tas maina temperatūru, starojumu, ūdens pieejamību un CO2 koncentrāciju.Visā savas ilgās evolūcijas vēsturē augi ir pilnveidojuši aizsardzības mehānismus, lai izdzīvotu sarežģītos apstākļos: tie ir mainījuši savu anatomiju, fizioloģiju, vielmaiņu un pat veidu, kā tiek ekspresēti to gēni.
Saskaroties ar pārmērīgu karstumu, sausumu vai plūdiem, Tie aktivizē molekulāro un fizioloģisko stratēģiju arsenāluŠīs reakcijas centrālais komponents ir reaktīvās skābekļa sugas (ROS) — ļoti reaģējošas molekulas, kas nelielos daudzumos darbojas kā iekšēji signāli aizsardzības aktivizēšanai. Līdztekus tiem galveno lomu spēlē tādi hormoni kā abscisīnskābe (ABA), kas aizver atvārsnītes, lai novērstu ūdens zudumu, vai ierosina stresa gēnu ekspresiju.
Fizioloģiskā līmenī, Augi var mainīt savu atvārsnīšu skaitu un novietojumu (poras, caur kurām tās apmainās ar gāzēm), sabiezina kutikulas, lai samazinātu transpirāciju, vai pielāgo veidu, kā tās uztver gaismu un fiksē CO2. Dažas sugas, piemēram, C4 vai CAM, vēl vairāk optimizē šo procesu karstā vai sausā vidē, reorganizējoties, atverot atvārsnītes, un to, kā tās koncentrē CO2 savos audos.
Iekšējā mehānismā olbaltumvielas, kas ir atbildīgas par fotosintēzi un citiem svarīgiem procesiem Tie tiek pielāgoti, izmantojot pēctranslācijas modifikācijas.piemēram, fosforilēšana vai acetilēšana, kas maina to aktivitāti, bez nepieciešamības sintezēt jaunus proteīnus no nulles. Tas ļauj ātri reaģēt, lai aizsargātu fotosintēzes aparātu pret intensīvu starojumu, pēkšņām temperatūras izmaiņām vai ūdens stresu.
To visu galu galā kontrolē kodola DNS un histoni, kas to organizē. Augi izmanto tā saukto epigenetisko regulāciju, lai ieslēgtu vai izslēgtu gēnus atkarībā no vides un attīstības stadijas.DNS metilēšana, ubikvitinācija, fosforilēšana vai histonu acetilēšana ļauj, nemainot ģenētisko secību, pielāgot, kuri gēni tiek ekspresēti un kad, kas ir izšķiroši svarīgi, kad vide kļūst naidīga.
Pateicoties šai epigenetiskajai plastiskumam, Augs visa mūža garumā var kļūt izturīgāks pret sausumu vai aukstumu un pat "sagatavot" savus pēcnācējus. līdzīgiem vides apstākļiem atkarībā no izveidoto modifikāciju veida. Pašreizējie pētījumi atklāj, kā šīs epigenetiskās pazīmes piedalās reakcijā uz ozona piesārņojumu, palielinātu CO2 daudzumu vai karstuma viļņiem.
Visu šo mainīgo lielumu milzīgā sarežģītība rada izaicinājumu: Jo vairāk vides puzles gabalu ir iekļauti modeļos, jo grūtāk ir paredzēt precīzu rezultātu.Pat ja tā, tas ir vienīgais veids, kā patiesi izprast, kā augi reaģē uz klimata pārmaiņām, un paredzēt ietekmi uz lauksaimniecības ražu, bioloģisko daudzveidību un ekosistēmas stabilitāti.
No novērojumiem līdz rīcībai: jaunas stratēģijas augu atbalstam
Zinātne neapstājas tikai pie problēmas apraksta. Uzkrātās zināšanas par hormoniem, receptoriem un signālceļiem noved pie inovatīvām stratēģijām kultūraugu atbalstam.Viena ļoti daudzsološa joma ir sintētisku savienojumu atklāšana, kas darbojas kā ABA receptoru agonisti — hormons, kas saistīts ar sausuma reakciju.
Šīs "augu izcelsmes zāles" Tie kontrolētā veidā varētu aktivizēt aizsardzības mehānismus pret ūdens trūkumuTas palīdz kultūraugiem labāk izdzīvot sausuma periodos, būtiski neietekmējot ražošanu. Tā ir sava veida ķīmiskā bioloģija, ko piemēro lauksaimniecībā, kur specifiskas stresa reakcijas tiek izstrādātas tā, lai precīzi noteiktu to aktivizēšanas veidu un laiku.
Vienlaikus notiek attīstība lauksaimniecības izejvielu nozarē. Klasiskāki, bet tikpat nepieciešami risinājumi klimata pārmaiņu ietekmes mazināšanaiPiemēram, mulčēšana ietver augsnes ap augiem pārklāšanu ar organiskām vielām, kas palīdz saglabāt mitrumu, samazināt eroziju, palēnināt nezāļu augšanu un mazināt temperatūras galējības sakņu zonā.
Komposts un kvalitatīvi substrāti Tie uzlabo augsnes struktūru, palielina tās ūdens saglabāšanas spēju un ilgstoši nodrošina barības vielas.Specializēti uzņēmumi strādā ar materiāliem no aprites ekonomikas, piešķirot organiskajiem atkritumiem otro dzīvi un samazinot atkarību no energoietilpīgiem un emisiju ziņā ietilpīgiem ķīmiskajiem mēslošanas līdzekļiem.
Vēl viena būtiska darba joma ir tādu augu sugu un šķirņu atlase un saglabāšana, kas vislabāk pielāgotas ekstremāliem apstākļiemPiemēram, Ibērijas dienvidaustrumu sausajos vai daļēji sausajos apgabalos ir īsta "dabiska banku" ar sugām, kas spēj attīstīties ar ļoti mazu ūdens daudzumu un ļoti sāļās augsnēs. Amaranthaceae dzimtas ģintīm, piemēram, Salsola, Atriplex, Suaeda un Salicornia, ir ilga evolūcijas vēsture, pielāgojoties ksēriskiem un sāļiem apstākļiem, un to izplatības areāls var paplašināties līdz ar sasilšanu.
Neaizmirstiet to Augi var arī "pārvietoties", mainot savu izplatības zonu, pateicoties sēklu izplatībai.Augļi un sēklas, kas pārvietojas lielos attālumos, ko bieži vien pārnēsā dzīvnieki, ļauj sugām pielāgoties atbilstošajam klimatam. Taču tas rada vēl vienu problēmu: faunas izzušana samazina augu spēju atkārtoti apdzīvot jaunas dzīvotnes, samazinot to ģenētisko daudzveidību un spēju pielāgoties turpmākajām izmaiņām.
Mācības no pagātnes: ko mums stāsta fosilijas un evolūcija
Lai saprastu, kas varētu notikt nākamajās desmitgadēs, Zinātnieki pēta arī fosiliju ierakstus un augu evolūcijas vēsturi.Aptuveni 500 miljonu gadu laikā zaļo aļģu pēcteči kolonizēja zemi, izturēja augstas CO2 koncentrācijas fāzes, intensīvus apledojumus, masīvus vulkānu izvirdumus un kontinentu sadrumstalošanos.
Katrā no šīm epizodēm Daudzas sugas ceļā gāja bojā, bet citas izmantoja situāciju, lai dažādotos.Dinamika atkārtojas: lielas klimata pārmaiņas maina dzīvotni, daži augi nespēj pielāgoties un izzūd, savukārt citi pielāgo savu fizioloģiju, maina savu ekoloģisko nišu vai paplašina savu izplatību.
Viens no detalizēti analizētajiem gadījumiem ir noteiktas Carex ģints sugas (sēklaugi), tipiski upju un strautu krastu augiFosilijas liecina, ka viņu senči dzīvoja Centrāleiropā Pliocēna laikmetā, kur klimats bija subtropisks ar nokrišņiem visu gadu un maigu temperatūru. Sekojošā pakāpeniskā atdzišanas laikā šīs populācijas tika virzītas uz dienvidiem.
Ziemeļeiropai kļūstot aukstākai un sausākai, Šo grīšļu populācijas migrēja uz Vidusjūras baseinu.Tur viņiem bija jāpielāgojas ļoti atšķirīgam klimatam: karstām, sausām vasarām un maigākām, bet nokrišņu ziņā neregulārām ziemām. Pārmaiņas nebija tikai ģeogrāfiskas, bet arī ekoloģiskas: viņi mainīja savas nišas preferences, lai izdzīvotu jaunā kontekstā.
Šis process, kas ilga aptuveni trīs miljonus gadu, Tas galu galā sadrumstaloja senču izplatības zonuPopulācijas dažādos reģionos izolējās, un šī ģeogrāfiskā atšķirība veicināja sugu veidošanos: mūsdienās viena suga ir atrodama Vidusjūras rietumu daļā (Ibērijas pussalā, Marokā, Alžīrijā), bet otra – Vidusjūras centrālajā daļā (Sicīlijā, Sardīnijā, Tunisijā).
Šo augu pašreizējā ģenētiskā struktūra Tas skaidri atspoguļo kalnu un jūru lomu kā barjeras.Tas pastiprina domu, ka klimata pārmaiņas apvienojumā ar ģeogrāfiju veicina jaunu sugu rašanos. Satraucošs aspekts ir tas, ka, lai gan agrāk šīs korekcijas notika relatīvi lēni, cilvēku izraisītās klimata pārmaiņas paātrinās daudz straujāk, un nav skaidrs, vai augiem ir pietiekami daudz laika, lai atkārtotu šo evolūcijas horeogrāfiju.
Jaunākie pētījumi liecina, ka Augi ar vāju izplatīšanās spēju lielos attālumos zaudē ģenētisko daudzveidību ātrāk. Klimata pārmaiņu scenārijos, salīdzinot ar krūmiem vai sugām, kuru sēklas ceļo tālu, mazāka ģenētiskā daudzveidība nozīmē mazākas pielāgošanās iespējas, palielinot populācijas sabrukuma risku ekstremālu notikumu gadījumā.
Kas uzvar un kas zaudē: neaizsargātas sugas un oportūnistiskas sugas
Lielajā "augu" grupā ietilpst ļoti dažādi organismi: aļģes, sūnas, papardes, zālaugu augi, kokiTie apdzīvo vides, sākot no okeāniem līdz augstiem kalnu virsotnēm, tostarp lietus mežiem, aukstiem un karstiem tuksnešiem un blīvi apbūvētām pilsētām. Tāpēc klimata pārmaiņas neietekmē tos visus vienādi: ir skaidri zaudētāji un arī potenciālie ieguvēji.
Starp visneaizsargātākajiem ir Sugas, kas ir ļoti specializējušās noteiktos biotopos un kurām ir maza augstuma vai ģeogrāfiskas pārvietošanās spējaViens piemērs ir tā sauktie "tauriņi" (Pinguicula saetabensis) — gaļēdāji augi, kas dzīvo uz kaļķakmens klintīm, kur pastāvīgi sūcas ūdens. Tie ir atkarīgi no šīs nepārtrauktās pilēšanas Spānijas austrumu kalnu apgabalos, kas atrodas zemā augstumā un kļūst arvien siltāki un sausāki.
Šajās populācijās Ir gadi, kad tikai dažiem īpatņiem izdodas izveidot lapas un ziedus.Pieaugošā temperatūra un samazinātais nokrišņu daudzums draud pārtraukt filtrācijas ūdens piegādi, no kuras suga ir atkarīga, atstājot šo sugu bez iespējas izdzīvot. Tā kā ir zināmas tikai divas populācijas, vietējas izmiršanas risks ir ļoti augsts.
Vēl viena kritiska fronte ir Augstkalnu augi, kas pielāgoti ekstremālam aukstumam un ilgstošām sniega sezonāmKlimatam kļūstot siltākam, zemāk dzīvojošās sugas pārvietojas uz lielāku augstumu, meklējot labvēlīgāku temperatūru, ieņemot virsotņu speciālistu teritorijas. Šiem virsotņu speciālistiem, kuriem vairs nav kalnu, uz kuriem migrēt, ir jādzīvo nelielās patvēruma vietās.
Tas jau ir novērots kalnu grēdās, piemēram, Sjerranevadā. augstkalnu sugu, piemēram, Cerastium ramosissimum vai Luzula spicata, lokāla izzušanakas kādreiz bija relatīvi izplatītas noteiktos augstumos. Sasilšana samazina to potenciālo dzīvotni, savukārt sugas no zemākiem augstumiem paplašina savu izplatības areālu uz augšu, mainot Alpu floras sastāvu.
Pretējā polā, Ir sugas, kas izmanto pieaugošo temperatūru un urbanizāciju, lai kolonizētu jaunas telpasPapardes, kas apmetas betona šuvēs, mitrās sienās vai caurulēs, ruderāli augi, kas zeļ ceļmalās un pamestos zemes gabalos, vai halofītiskas sugas no sāļām augsnēm, kas atrod iespējas degradētos lauksaimniecības laukos.
Nākotne norāda uz ainava, kurā arvien vairāk dominē vispārējas sugas, kas ir izturīgas pret sausumu, piesārņojumu un dzīvotņu fragmentācijuTikmēr daudzu tropu mežu augu, kuros aug aptuveni puse no planētas bioloģiskās daudzveidības, izplatības areāls varētu ievērojami samazināties. Daži aprēķini liecina, ka gandrīz puse augu sugu šajos lietus mežos varētu izzust, ja turpināsim pašreizējo emisiju trajektoriju.
Jāpievieno vēl viens elements: Arī augu patogēni reaģē uz klimata pārmaiņāmSēnītes, baktērijas un vīrusi maina savu izplatību un agresivitāti līdz ar jauniem temperatūras un mitruma modeļiem, izjaucot līdzsvaru starp augiem un slimībām. Kultūraugos tas var izraisīt kaitēkļu parādīšanos reģionos, kur tie iepriekš nebija sastopami, vai intensīvākas epidēmijas, kas vēl vairāk noslogo ražošanu.
Visas šīs nenoteiktības vidū, Augi turpina sūtīt ļoti skaidrus signālus par klimata stāvokliZiedēšanas modeļu izmaiņas, augstuma maiņas, populāciju samazināšanās kritiski svarīgās teritorijās, sausuma un sāļuma izturīgu sugu izplatība, kā arī mežu un krūmāju izskata pārmaiņas ir pārmaiņu rādītāji. Šo vēstījumu uzklausīšana un atbilstoša rīcība būs izšķiroša mūsu pašu nākotnei.
Kafijas, kakao vai kviešu kultūru, eksperimentu ar lucernu un vīnogulājiem, augu epigenetikas, no Centrāleiropas uz Vidusjūru migrējušo grīšļu un bez pajumtes atstāto augstkalnu augu radītais attēls padara kaut ko nepatīkamu, bet neizbēgamu skaidru: Tas, kas notiks ar augiem nākamajās desmitgadēs, noteiks to, kas notiks ar mums.Tās daudzveidības aizsardzība, tās adaptācijas spēju uzlabošana, izmantojot zinātni un ilgtspējīgu ūdens un augsnes apsaimniekošanu, kā arī klimata pārmaiņas veicinošo emisiju samazināšana nav tikai ekoloģiska iespēja, bet gan ilgtermiņa izdzīvošanas jautājums.