Растения стали предметом политических дебатов. Многие прогнозы свидетельствуют о том, что сжигание ископаемого топлива и связанное с этим изменение климата затруднит рост производства продовольствия в ближайшие десятилетия.
Но некоторые группы, выступающие против ограничения выбросов, утверждают, что более высокие уровни углекислого газа (CO₂) будут стимулировать фотосинтез растений и тем самым увеличивать производство продуктов питания.
Новое исследование, опубликованное в Science, предполагает, что прогнозирование эффектов увеличения уровней CO₂ на рост растений может быть более сложным, чем ожидалось.
Чтобы понять, что обнаружили исследователи, требуется немного информации о фотосинтезе. Это процесс, который использует световую энергию для преобразования CO₂ в органические вещества, что приводит к росту растений и, в конечном итоге, обеспечивает питание, от которого мы зависим. К сожалению, фотосинтез бывает ошибочен.
Молекулы CO₂ и кислорода сходны по форме, а ключевой механизм, который собирает CO₂, фермент с броским названием RuBisCO, иногда ошибочно принимает молекулу кислорода за CO₂. Это не было проблемой, когда RuBisCO впервые возник. Но около 30 миллионов лет назад уровни CO₂ в атмосфере упали до менее чем одной трети от того, какими они были. С меньшим количеством CO, растения начали ошибочно пытаться чаще собирать молекулы кислорода. Сегодня это часто является значительным истощением энергии и ресурсов.
Когда становится жарче, RuBisCO становится еще более склонным к ошибкам. Вода также испаряется быстрее, заставляя растения принимать меры, чтобы избежать высыхания. К сожалению, остановка воды, выходящей из их листьев, также останавливает попадание CO, и, поскольку RuBisCO становится «голодным» от CO₂, он все больше и больше тратит ресурсы растения, используя вместо этого кислород. При 25°C это может поглотить четверть того, что производит растение, и проблема становится все более экстремальной по мере роста температуры.
Однако некоторые растения разработали способ избежать этой проблемы, перекачивая CO₂ в ячейки, где RuBisCO расположен для увеличения фотосинтеза. Они известны как растения С4, в отличие от обычных растений С3, которые не могут этого сделать. Растения C4 могут быть намного более производительными, особенно в жарких и сухих условиях. Они стали доминировать на тропических лугах Земли от 5 до 10 миллионов лет назад, вероятно, потому, что в это время мир стал более сухим, и их использование воды было более эффективно.
Кукуруза и сахарный тростник являются растениями С4, но большинство культур не таковыми являются, хотя проект, первоначально финансируемый Фондом Билла и Мелинды Гейтс, стремится улучшить урожайность на рисе, добавив к нему возможности С4.
Большинство моделей того, как рост растений и урожайность будут влиять на CO₂, выделяемые при сжигании ископаемого топлива, предполагают, что обычные растения C3 могут работать лучше. Между тем, у RuBisCO на C4 уже получается достаточное количество CO₂, и поэтому рост должен иметь малое влияние на них. Это было подтверждено предыдущими краткосрочными исследованиями.
В новом научном документе представлены данные из проекта, который сравнивал C3 и C4 за последние 20 лет. Их выводы удивляют. Как и ожидалось, в течение первых десяти лет C3-растения, выращенные под дополнительным влиянием CO₂, улучшались, но их C4-эквиваленты этого не делали. Однако во втором десятилетии эксперимента ситуация изменилась, и у C3 было произведено меньше биомассы при более высоких уровнях CO₂.
Похоже, что этот сбивающий с толку результат может быть вызван тем, что с течением времени было меньше азота для удобрения роста растений на участках C3 и больше на участках C4. Таким образом, эффект был вызван не только самими растениями, но и их взаимодействием с химией почвы и с ее микробами.
Эти результаты показывают, что способ, которым изменения CO₂ влияют на установленные экосистемы, вероятно, будет сложным и трудно предсказуемым. Они могут намекать, что, поскольку CO₂ в атмосфере увеличивается, тропические луга C4 могут поглощать больше углерода, чем ожидалось, а леса, которые преимущественно состоят из растений C3, могут поглощать меньше. Но точная картина, вероятно, будет зависеть от местных условий.
Воздействие на зерновые культуры
То, что все это означает для производства продуктов питания, может быть более простым и менее утешительным, чем кажется на первый взгляд. Эти результаты были получены из трав, которые выживают и продолжают расти в годовом исчислении. Но нынешние зерновые культуры являются «годовыми растениями», которые умирают после одного сезона и должны быть пересажены.
В результате у них нет возможности наращивать почвенные взаимодействия, которые, по-видимому, ускорили рост растений C4 в эксперименте. Мы не можем ожидать, что наши проблемы с продовольственной безопасностью будут решены урожаем C4, увеличивающимся в ответ на CO₂, как это было в эксперименте. Аналогичным образом, возможное падение биомассы, наблюдаемое на участках C3, не должно происходить в годовых культурах C3.
Но, как мы знаем, растения C3 тратят намного больше ресурсов при более высоких температурах, поэтому любое увеличение фотосинтеза от повышения уровня CO₂, по-видимому, будет, по меньшей мере, нивелировано из-за последствий глобального потепления, которое оно вызовет. И это без учета изменений в характере осадков, таких как более частые засухи.
Больше информации: Unexpected reversal of C3 versus C4 grass response to elevated CO2 during a 20-year field experiment, Science 20 Apr 2018: Vol. 360, Issue 6386, pp. 317-320, DOI: 10.1126/science.aas9313