Исследователи Стэнфордского университета работали вместе с командой из более чем 200 ученых над созданием этих карт, опубликованных 16 мая в журнале Nature. В ходе работы они выявили новое биологическое правило, которое команда назвала правилом Рида в честь пионера исследования симбиоза сэра Дэвида Рида.
В одном из примеров того, как они могут применить это исследование, группа использовала свою карту, чтобы предсказать, как симбиозы могут измениться к 2070 году, если выбросы углерода продолжатся. Этот сценарий привел к 10-процентному сокращению биомассы древесных пород, которые ассоциируются с типом грибов, встречающихся в основном в более прохладных регионах.
Исследователи предупредили, что такая потеря может привести к увеличению количества углерода в атмосфере, потому что эти грибы, как правило, увеличивают количество углерода, хранящегося в почве.
«Существует так много разных симбиотических типов, и мы показываем, что они подчиняются четким правилам», – сказал Брайан Стейдингер, постдокторский исследователь из Стэнфорда и ведущий автор статьи. «Наши модели предсказывают огромные изменения симбиотического состояния мировых лесов – изменения, которые могут повлиять на климат, в котором будут жить ваши внуки."
Три симбиоза
Скрытое для большинства наблюдателей, это сотрудничество между царствами между микробами и деревьями очень разнообразно. Исследователи сосредоточились на картировании трех наиболее распространенных типов симбиозов: арбускулярных микоризных грибов, эктомикоризных грибов и азотфиксирующих бактерий. Каждый из этих типов включает тысячи видов грибов или бактерий, которые образуют уникальные партнерские отношения с различными видами деревьев.
Тридцать лет назад Рид нарисовал от руки карты, где, по его мнению, могут проживать различные симбиотические грибы, исходя из питательных веществ, которые они обеспечивают.
Эктомикоризные грибы питают деревья азотом непосредственно из органических веществ, таких как гниющие листья, поэтому, по его предположению, они будут более успешными в более прохладных местах, где разложение идет медленно, а листовой опад в изобилии. Напротив, он думал, что арбускулярные микоризные грибы будут доминировать в тропиках, где рост деревьев ограничен почвенным фосфором.
Другие исследования показали, что азотфиксирующие бактерии плохо растут при низких температурах.
Однако для проверки идей Рида пришлось подождать, потому что для доказательства требовалось собрать данные с большого количества деревьев в разных частях земного шара. Эта информация стала доступной благодаря Глобальной инициативе по биоразнообразию лесов (GFBI), в рамках которой были обследованы леса, лесные массивы и саванны со всех континентов (кроме Антарктиды) и экосистемы на Земле.
Команда внесла местоположение 31 миллиона деревьев из этой базы данных вместе с информацией о том, какие симбиотические грибы или бактерии чаще всего ассоциируются с этими видами, в алгоритм обучения, который определил, как различные переменные, такие как климат, химический состав почвы, растительность и топография, по-видимому, влияют на преобладание каждого симбиоза. Исходя из этого, они обнаружили, что азотфиксирующие бактерии, вероятно, ограничены температурой и кислотностью почвы, тогда как на два типа грибковых симбиозов сильно влияют переменные, которые влияют на скорость разложения – скорость разложения органических веществ в окружающей среде – например, температура и влажность.
«Это невероятно сильные глобальные закономерности, столь же поразительные, как и другие фундаментальные глобальные закономерности биоразнообразия», – сказал Кабир Пей, доцент кафедры биологии Школы гуманитарных и естественных наук и старший автор исследования. "Но до этих достоверных данных знание этих закономерностей было ограничено экспертами по микоризам или экологии азотфиксаторов, хотя это важно для широкого круга экологов, эволюционных биологов и ученых-геологов."
Хотя исследование подтвердило гипотезу Рида – обнаружение арбускулярных микоризных грибов в более теплых лесах и эктомикоризных грибов в более холодных лесах – переходы между биомами от одного симбиотического типа к другому были гораздо более резкими, чем ожидалось, на основе постепенных изменений переменных, влияющих на разложение.
По мнению исследователей, это подтверждает другую гипотезу: эктомикоризные грибы изменяют местную среду обитания, чтобы еще больше снизить скорость разложения.
Эта петля обратной связи может помочь объяснить, почему исследователи увидели 10-процентное сокращение количества эктомикоризных грибов, когда они смоделировали, что произойдет, если выбросы углерода продолжатся до 2070 года. Повышение температуры может привести к тому, что эктомикоризные грибы перейдут к критическому климату, выходящему за рамки диапазона сред, которые они могут изменить по своему вкусу.
Совместная работа над картами
Данные, стоящие за этой картой, представляют собой реальные деревья из более чем 70 стран и сотрудничество под руководством Цзинцзин Лян из Университета Пердью и Тома Кроутера из ETH Zurich между сотнями исследователей, которые говорят на разных языках, изучают разные экосистемы и сталкиваются с различными проблемами.
"Есть более 1.1 миллион лесных участков в наборе данных, и каждый из них был измерен человеком на земле. Во многих случаях, как часть этих измерений, они, по сути, обнимали дерево ", – сказал Стейдингер. "Столько усилий – походы, пот, клещи, долгие дни – на этой карте."
Карты из этого исследования будут доступны в свободном доступе в надежде помочь другим ученым включить симбионтов деревьев в свою работу. В будущем исследователи намерены расширить свою работу за пределы лесов и продолжить попытки понять, как изменение климата влияет на экосистемы.
Среди соавторов этой статьи были Майкл Ван Нуланд из Стэнфорда и его сотрудники из Оксфордского университета, Университета Миннесоты, Университета Западного Сиднея (Австралия), Университета Вагенингена и исследований (Нидерланды), Исследовательского центра окружающей среды Вагенингена, Университета Лериды ( Испания), Центр лесных наук и технологий Каталонии, Университет Пердью, Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций, CIRAD-Университет Монпелье (Франция), Пекинский университет лесного хозяйства, ETH Zurich, а также дополнительные члены консорциума GFBI. Пи также является членом Stanford Bio-X и доцентом в Директорате науки о фотонах Национальной ускорительной лаборатории SLAC.
Лян также связан с Пекинским лесным университетом.
Эта работа финансировалась через Глобальную базу данных по биоразнообразию лесов, которая представляет собой работу более 200 независимых исследователей и их государственных и частных финансирующих агентств (подробности см.
В документе «Дополнительные благодарности в журнале Nature»).