Повышение уровня CO₂ приводит к изменениям в фотосинтезе наземных растений

Исследователи из Океанографического института Скриппса Калифорнийского университета в Сан-Диего установили, что за последние 40 лет произошли значительные изменения в поведении растений. Этот вывод был сделан на основе измерений тонких изменений в изотопном составе углекислого газа (CO₂) в атмосфере.

Основными изотопами углерода являются углерод-12 (¹²C) и углерод-13 (¹³C). По мере роста концентрации CO₂ с конца XIX века соотношение ¹³C/¹²C в атмосферном CO₂ снижается. Отчасти это связано с тем, что CO₂ от сжигания ископаемого топлива имеет низкое значение этого соотношения. Однако существуют и другие природные факторы, влияющие на скорость его снижения. Оказалось, что измеренная скорость уменьшения изотопного соотношения отличается от ожидаемой учеными ранее.

Команда обновила данные по изотопным соотношениям CO₂, собираемые институтом Скриппса с 1978 года на основе проб воздуха с Мауна-Лоа (Гавайи) и Южного полюса. Исследователи подтвердили существование расхождений и рассмотрели несколько возможных причин. Они пришли к выводу, что ни одна комбинация факторов не может правдоподобно объяснить изменения, если только не изменилось поведение растений, влияющее на количество воды, необходимое им для роста.

Эта работа помогает понять детали того, как листья реагируют на изменения уровня CO₂. Ранее уже было известно, что растения ведут себя иначе при более высоких концентрациях CO₂, так как он влияет на поведение устьиц — микроскопических пор в листьях, через которые поступает CO₂. Эти же поры позволяют воде испаряться из листа, и её потерю необходимо восполнять через корни. При большем количестве CO₂ в атмосфере растение может позволить себе иметь меньше или мельче устьиц, тем самым увеличивая эффективность фотосинтеза на единицу затраченной воды.

Однако точно измерить, насколько растения стали эффективнее использовать воду, было непросто. Данное исследование предоставляет новый метод для такой оценки, поскольку повышение эффективности использования воды листом также влияет на то, как он поглощает разные изотопы углерода из CO₂. При учёте этого фактора соотношение двух форм CO₂ гораздо лучше соответствует ожиданиям. Исследование «Atmospheric evidence for a global secular increase in carbon isotopic discrimination of land photosynthesis», опубликованное 11 сентября в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, поддержали Национальный научный фонд, Министерство энергетики США, NASA (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США) и Фонд Эрика и Венди Шмидт.

Работа подтверждает давнюю гипотезу, выдвинутую биологами растений, о том, что растения выработают оптимальную реакцию на рост уровня CO₂ в атмосфере.

«Эта оптимальная модель предсказывает почти пропорциональную зависимость между эффективностью использования воды и концентрацией CO₂, — сказал ведущий автор исследования, учёный из Скриппса Ральф Килинг, который также курирует всемирно известный набор данных «Кривая Килинга» об атмосферном CO₂ с 1958 года. — Оптимальное или близкое к оптимальному поведение было обнаружено в небольших исследованиях отдельных растений, но эта статья впервые показывает, что оно может проявляться в масштабах всей планеты».

Документированное в исследовании повышение эффективности фотосинтеза, вероятно, помогло растениям удалить из атмосферы больше CO₂, чем в противном случае, частично компенсируя антропогенное изменение климата.

«Однако полные последствия ещё далеко не ясны, и любые преимущества могут быть с лихвой перекрыты другими негативными изменениями, такими как волны жары и экстремальные погодные условия, потеря биоразнообразия, повышение уровня моря и так далее», — отметил Килинг.