Несколько сотен миллионов лет назад, когда на Земле существовал единый суперконтинент Пангея, древние растения пережили суровый ледниковый период.
Новый анализ, основанный на ископаемых растениях и климатических моделях, показывает, что эти холодные условия ограничили бы древесный покров на всей территории Пангеи. Это, в свою очередь, имело бы глубокие последствия для климата и хода эволюции растений, как сообщается 11 октября в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. По словам Уильяма Дж. Маттеуса, биолога из Университета Бейлора и соавтора исследования, понимание того, как вела себя растительность в этом суровом ландшафте, может помочь нам подготовиться к будущему.
"Существует огромное количество информации о вымерших растениях, которую мы можем использовать, чтобы сделать количественные выводы о том, какой была Земля на протяжении всей естественной истории", - говорит он. "И если у нас есть надежда понять, как будет меняться наш климат в будущем, нам действительно необходимо это сделать".
Во время ледникового периода ледники наступают и отступают в течение ряда ледниковых и относительно более теплых межледниковых периодов. Технически мы сейчас находимся в середине ледникового периода, переживая межледниковье, которое началось около 11 000 лет назад. Предыдущий ледниковый период, известный как позднепалеозойский, длился примерно 340-285 миллионов лет назад. Он был отмечен периодами, когда ледники покрывали большую часть суши, океаны отступали, а также резкими колебаниями уровня углекислого газа и кислорода в атмосфере.
По словам Маттеуса, растительное сообщество во время ледникового периода сильно отличалось от современного. Одна группа, известная как ликопсиды, к которой сегодня относятся крошечные болотные растения, такие как клубневые мхи, часто вырастала до десятков метров в высоту. У других, таких как птеридоспермы, которые отличались своими папоротникоподобными ветвями, нет живых родственников. Существовали также предки или ранние родственники более привычных деревьев, таких как хвойные.
Эти растения могли влиять на окружающий климат различными способами, объясняет Маттеус. Растения, в частности деревья, производят кислород и накапливают огромное количество углерода. Их корневые системы разрушают горные породы, которые затем быстрее растворяются и изменяют химический состав стоков пресной воды и поверхности океана, изменяя количество углерода, которое океан может накопить. Растения также втягивают, накапливают и отдают воду обратно в атмосферу. "Они как бы буферизируют круговорот воды", - говорит Маттеус. "Количество [дождевой воды], которая возвращается непосредственно в атмосферу на месте, а не попадает в стоки или грунтовые воды, сильно зависит от растений".
Он и его коллеги хотели узнать, насколько широко могли быть распространены леса во время позднего палеозойского ледникового периода. Сначала они использовали измерения окаменелостей, чтобы определить несколько характеристик, связанных с тем, как древние растения использовали воду и углерод. Одной из характеристик, на которую они обратили внимание, были стоматы - крошечные отверстия в листьях растений, которые контролируют поступление и выход углекислого газа, водяного пара и кислорода.
"Это довольно важная структура с точки зрения функционирования растений, потому что они не хотят терять больше воды, чем нужно, но хотят получать весь углекислый газ, который могут", - говорит Маттеус. Подобная информация помогла исследователям понять, как функционируют растения, и, в свою очередь, как это может повлиять на лесной покров.
Исследователи также использовали компьютерные модели для имитации климатических условий, в которых находились растения во время ледниковых и межледниковых циклов. Основываясь на выявленных экологических и анатомических ограничениях, команда пришла к выводу, что растения, вероятно, могли произрастать во многих местах Пангеи. По словам Маттеуса, эти оценки в основном согласуются с местами, где были найдены окаменелые растения.
Однако в этих реконструкциях не учитывался огромный стресс, который морозная температура может вызвать у растений; некоторые виды погибают менее чем через сутки. По оценкам исследователей, опасно холодные условия доходили до растений даже во многих районах, свободных от ледников.
"Это ледниковый период, и поэтому большая часть поверхности Земли была очень холодной в разное время года как в ледниковый, так и в межледниковый периоды", - говорит Маттеус. По его словам, это, вероятно, ограничивало распространение лесов, помимо других переменных, которые они рассматривали, таких как уровень освещенности, средняя температура и доступность воды. "Если мы правы насчет замерзания, то, вероятно, лесной покров может быть действительно ограничен по сравнению с тем, где, по мнению людей, он мог быть в прошлом".
Циклы температур замораживания и оттаивания, во время которых растения погибали и начинали восстанавливаться, могли оказать сложное влияние на сток, эрозию и уровень углекислого газа, заключили исследователи. В качестве следующего шага Маттеус и его команда будут продолжать изучать роль, которую периодические заморозки могли оказать на палеозойские растения. Также необходимо провести дополнительные исследования малоизученной топографии Пангеи, которая является еще одной важной переменной, которая могла повлиять на лесной покров и климат во время ледникового периода, добавляет он.
Эти заморозки также могли помочь особо выносливым растениям, в том числе предкам деревьев, составляющих современные таежные и бореальные леса, доминировать в растительном сообществе, в то время как многие другие деревья вымерли. "Сочетание сезонной засухи и заморозков действительно дало растениям, которые смогли пережить эти явления, огромное эволюционное преимущество", - говорит Маттеус, - "и хвойные, безусловно, были бы кандидатом на это".