В 2023 году в тропических лесах Амазонии была зафиксирована самая сильная засуха за всю историю наблюдений. Уровень рек резко упал, а растительность на всех уровнях ухудшилась из-за сильной жары и нехватки воды.
В таких условиях растения выделяют повышенное количество монотерпенов — небольших летучих органических соединений, которые действуют как защитный механизм и помогают им взаимодействовать с окружающей средой. Некоторые молекулы, такие как α-пинен, который пахнет как сосна, существуют в виде зеркальных пар, известных как энантиомеры.
Соотношение этих двух форм заметно меняется, когда растения находятся в состоянии стресса, например, из-за жары или нехватки воды. Исследователи из Института химии Общества Макса Планка изучили, как это соотношение изменилось в Амазонии до, во время и после периода засухи. Их исследование опубликовано в журнале Communications Earth & Environment.
Результаты показывают, что в нормальных условиях стабильно измерялось чёткое соотношение, но с усилением засушливого стресса оно сдвигалось к всё более высоким значениям. В наиболее экстремальной фазе засухи обычное соотношение двух вариантов α-пинена даже изменилось на противоположное. Таким образом, зеркальные молекулы α-пинена могут рассказать нам, насколько экосистема испытывает стресс в данный момент.
Исследование
Джованни Пульиезе, учёный из Института химии Общества Макса Планка, который присутствовал на месте во время кампании по сбору данных, вспоминает: «Жара была невыносимой при сборе образцов. Лес явно страдал; его листья желтели, а сухая глинистая почва трескалась».
Проблема 2023 года заключалась в том, что сухой сезон с сентября по октябрь совпал с явлением Эль-Ниньо. Это часть глобального климатического колебания ЭНСО, и в режиме Эль-Ниньо оно приносит в бассейн Амазонки чрезвычайно малое количество осадков и высокие температуры.
На измерительной станции Обсерватории высоких башен Амазонии (ATTO), расположенной в 150 километрах к северо-востоку от Манауса, исследователи собирали пробы воздуха на высоте 24 метров прямо в пологе леса. В лаборатории в Майнце они позже определили соотношение двух форм α-пинена с помощью хиральной газовой хроматографии — времяпролётной масс-спектрометрии.
«Сначала мы определили соотношение, в котором два варианта встречаются в нормальных условиях, — объясняет Джозеф Байрон, исследователь из Института химии Общества Макса Планка и первый автор исследования. — Затем мы наблюдали, как это соотношение менялось во время засушливого сезона, на который повлиял Эль-Ниньо, и постепенно возвращалось к норме после него».
Руководитель проекта Джонатан Уильямс впечатлён реакцией растительности и объясняет далее: «Удивительно, что мы можем прямо из воздуха узнать, как тропический лес реагирует на текущие условия. Во время самой засушливой части, когда соотношение менялось в середине дня, мы поняли, что растительности достаточно, она прекратила фотосинтез и закрыла поры, чтобы остановить потерю драгоценной грунтовой воды».
Предыдущие исследования
Эта работа основана на более раннем экспериментальном исследовании засухи, проведённом в закрытом лесу, выращенном в теплице. Там исследовательская группа Макса Планка показала, что две молекулы зеркального изображения выделяются через разные процессы в растении. В то время как одна форма α-пинена выделяется сразу после фотосинтеза, зеркальная молекула поступает из хранилищ внутри растения.
Тропические леса Амазонии — крупнейший в мире источник биогенных летучих соединений. Используя соотношение молекул α-пинена, эти выбросы и их изменения в условиях засухи теперь можно более реалистично представить в климатических моделях. Это имеет решающее значение, поскольку исследователи ожидают более частых и серьёзных засух, связанных с Эль-Ниньо, в будущем.
Предоставлено Институтом химии Общества Макса Планка.