Оказалось, что почвенные параметры большей частью определяют признаки, связанные с запасанием ресурсов, а климатические – ростовые признаки растений. Это открытие позволяет понять, как растения и экосистемы могут меняться в контексте глобальных изменений климата, и разрабатывать модели динамики растительного покрова. Результаты исследования опубликованы в самом престижном международном научном журнале Nature 23 декабря 2021 года.
Ещё натуралисты-классики обращали внимание, что облик растений и растительного покрова большей частью определяется двумя факторами: климатом и почвой. Однако только в XXI веке учёные приступили к поискам количественных закономерностей между растениями и условиями, в которых они растут. Так, сначала были выявлены признаки, по которым удобно сравнивать как разные виды растений между собой, так и представителей одного вида в разных условиях – эти признаки называются функциональными.
Современные математические модели позволяют по таким данным понять историю экосистемы и даже строить предсказательные модели, описывающие, как будет меняться экосистема при смене условий среды. В контексте глобальных изменений климата такие модели крайне актуальны и важны, однако пока ещё они далеки от совершенства. Причина тому – нехватка количественных данных о связи факторов окружающей среды с признаками растений. Поэтому масштабные исследования, основанные на анализе количественной информации об условиях среды, видовом составе растительных сообществ и функциональных признаков растений – один из ярких трендов современной экологии.
«Современные экологические исследования позволяют по-новому подойти к решению центральной проблемы экологии – ответу на вопрос, каковы механизмы формирования природных комплексов сосуществующих видов (сообществ), какова здесь роль различных факторов среды, – отметил один из авторов исследования, заведующий кафедрой экологии и географии растений биологического факультета МГУ Владимир Онипченко. – Без ответа на этот вопрос невозможно сохранить природные экосистемы Земли и их влияние на создание приемлемой для человека среды обитания».
Международная команда экологов и ботаников, в которую вошёл Владимир Онипченко, собрала огромный массив данных о функциональных признаках растений и привязанные к ним данные о почвах и климатические параметры. В финальную базу данных вошло 225 206 наблюдений 17 функциональных признаках 20 655 видов сосудистых растений со всей планеты и комплементарные им данные о 21 климатическом параметре и 107 характеристиках почвы. С помощью арсенала биоинформатических методов между функциональными признаками и параметры среды был выявлен ряд закономерностей.
В частности, с помощью метода анализа главных компонент (Principle component analysis) было установлено, что функциональные признаки делятся на две группы: размерные и ресурсные. Причем первые (высота растения, площадь листа и др.) больше определяются климатическими факторами, а вторые (например, содержание азота и фосфора в листьях, содержание углерода на единицу сухой массы) – теми почвенными параметрами, что не зависят от климата. Причем некоторые признаки демонстрируют более тесную с климатическим или почвенным фактором – например, высота растений и площадь листьев значимо выше в теплых и влажных условиях, как в тропиках, нежели в сухих, как пустыни, или холодных, как тундры; но на некоторые признаки влияние оказывают обе группы факторов. Три из проанализированных факторов – содержание тяжелого изотопа азота 15N, длина проводящего пучка и число производимых за сезон семян – зависимость от климатических или почвенных факторов не продемонстрировали.