Растения-пришельцы: феномен вторжения в экосистемы

Екатеринбургские учёные-биологи из ИЭРиЖ УрО РАН ведут длительную работу по изучению чужеродных инвазивных видов, распространение которых приводит к снижению разнообразия местных растительных сообществ, а порой – к вытеснению или исчезновению аборигенных видов из некоторых местообитаний. Актуальность всестороннего анализа эколого-биологических свойств чужеродных растений вызвана стремлением лучше понять устройство биологических сообществ и необходимостью сохранения видового богатства естественных экосистем, в частности, на территории Урала

Древесные и травянистые растительные сообщества во многих регионах, особенно часто – в городах, подвержены инвазиям, т.е. вторжению видов из других частей света. Некоторые такие виды, называемые чужеродными, могут быть агрессивными в экологическом, экономическом или медицинском планах и потому являются карантинными сорняками. Примеры таких видов: амброзия полыннолистная, борщевик Сосновского, циклахена дурнишниколистная. Для карантинных служб и сельскохозяйственных предприятий важна информация о распространении таких видов. Но только знаниями географического или экологического распространения дело не ограничивается. Важны также и знания об особенностях биологии таких видов. Научный интерес при изучении чужеродных организмов связан, прежде всего, с пониманием механизмов сосуществования и доминирования чужеродных видов в сообществах. Это помогает в целом лучше понять, как устроены биологические сообщества, как можно управлять их свойствами.

Коллектив лаборатории биоразнообразия растительного мира и микобиоты ИЭРиЖ УрО РАН (г. Екатеринбург) много лет изучает особенности инвазивных растений и закономерности и условия их внедрения в естественные сообщества. Ученые следят за динамикой растительных сообществ на Среднем Урале, изучают предпосылки, обуславливающие сильное конкурентное и средопреобразующее воздействие инвазивных растений на местные виды, ищут объяснение реакций местных сообществ на внедрение чужеродных растений.

Денис Васильевич Веселкин – доктор биологических наук, профессор РАН, заместитель директора по научной работе, заведующий лабораторией биоразнообразия растительного мира и микобиоты Института экологии растений и животных (ИЭРиЖ УрО РАН) (г. Екатеринбург) – рассказал о распространении инвазий чужеродных растений в растительных сообществах Урала (в частности, в Свердловской области) и о некоторых гипотезах, объясняющих причины успешного внедрения чужеродных растений во вторичные ареалы.

«С позиций обыденного отношения к природе, в ней есть полезные виды, есть такие, которые наносят вред (типа борщевика Сосновского), а есть такие, о значении которых большинство людей не задумывается. Проблема инвазивных растений связана с изучением группы вредных и потенциально вредных видов.

Природа (например, в самом простом виде, списки видов животных и растений тех или иных территорий, или состав преобладающих и редких видов) все время меняется. Нам кажется, что природа меняется мало из-за несовпадения длительности жизни человека и скорости природных процессов. Но на более-менее крупную территорию новые виды организмов постоянно проникают, и это было всегда, а какие-то виды постоянно исчезают, и это тоже было всегда. Это нормально. До недавнего времени специалисты и неравнодушные любители природы сильнее всего были озабочены исчезновением под влиянием человеческой деятельности природного разнообразия и, соответственно, мерами его охраны. Но в последнее десятилетие стало очевидным, что наряду с исчезновением многих компонентов природного разнообразия существует и другой, не менее опасный процесс, выражающийся в неконтролируемом расселении некоторых организмов на новые территории. Такие активно расселяющиеся в новые регионы виды, в тех регионах, куда они впервые попадают, называют по-разному, но чаще всего используют определения чужеродные, адвентивные, натурализовавшиеся или инвазивные. Термины чужеродный вид и адвентивный – синонимы. Так обозначают все виды, попавшие в какой-нибудь регион относительно недавно, например, в течение последних 300 лет. В некоторых регионах Земли до половины всех растений чужеродные. Например, в г. Москва из 1647 зарегистрированных видов растений 824 чужеродные.

Термины "натурализовавшийся" или "инвазивный" используют для обозначения разной степени проникновения видов в новый регион. У специалистов, которые занимаются экологическими инвазиями, есть такое нестрогое правило: в среднем из 100 чужеродных видов, которые привносятся в какой-нибудь регион, 90 видов не могут существовать без постоянной помощи человека. (Растения, как правило, распространяются усилиями цветоводов и садоводов, которые постоянно экспериментируют с новыми необычными культурами). Популяции таких видов надо постоянно поддерживать – сеять семена, сажать, поливать, пропалывать. Из оставшихся 10 видов 9 видов потенциально могут расти сами по себе, но только в тех местах, куда их посадил человек. Про такие виды, если они могут закрепиться в местообитании, куда были высажены искусственно, говорят, что это натурализовавшиеся виды. И только 1 вид из 100 способен преодолеть влияние окружения, которое стремится его контролировать, способен успешно размножаться и проникать в естественные экосистемы, т.е. расширять свой вторичный ареал. Такие виды называют инвазивными, обычно они заметно влияют на местные сообщества и экосистемы. Итак, из 100 чужеродных видов 10 натурализуются, а 1 может стать угрозой для местных экосистем. Мы, в основном, изучаем самую верхушку этой пирамиды – инвазивные растения», – сообщил заведующий лабораторией Денис Веселкин.

По мнению ученого, «большинство людей, и специалистов в том числе, интересуют два аспекта проблемы инвазивных растений: экономический и социальный, и это абсолютно понятно. Но нас интересует не то, как широко распространен, например, борщевик Сосновского, и какой вред он приносит людям. Мы хотим понять, каковы биологические закономерности, в силу которых пришелец с Северного Кавказа хорошо приспособился к холодным условиям средней полосы России. Давайте представим: на Урале, как и в других регионах, много видов растений, они приспособлены к местным условиям, как-то между собой сосуществуют, конкурируют, создают леса, луга, другие сообщества. Вдруг появляется борщевик Сосновского, который с местными условиями и местной почвой не знаком, к местным насекомым и микроорганизмам не приспособлен, но почему-то начинает в некоторых местах не только успешно приспосабливаться, но и вытеснять местные растения. Теоретическая экология в такой ситуации пребывает в некотором замешательстве. В соответствие с ее общими представлениями, местные виды должны быть более приспособлены к местным условиям, чем чужеродные. Но борщевик не только выживает, но и выигрывает конкурентную борьбу у местных видов и подавляет их. Каким образом чужеродные растения с Кавказа, из Индии, Японии или Америки в наших условиях становятся конкурентоспособными? Это очень небессмысленный вопрос!».

В настоящее время исследования екатеринбургских ученых проходят, во-первых, в рамках государственного задания, по которому происходит выяснение видового состава чужеродных растений региона и сбор информации, где они произрастают. Во-вторых, ведутся работы в рамках проекта под руководством Дениса Веселкина по гранту РФФИ «Факторы устойчивости лесных фитоценозов к инвазиям чужеродных растений: оценка и прогноз в условиях меняющегося климата» (сроком с 2020 по 2021 гг.) совместно с белорусскими коллегами из Гомельского государственного университета им. Ф. Скорины (г. Гомель), в котором ученые выясняют, как микроклиматические особенности местообитаний влияют на распространение чужеродных видов. В центре внимания биологов сравнение процессов в регионах Екатеринбурга (Свердловская область) и Гомеля (Гомельская область Беларуси). Это исследование проходит на пересечении изучения вопросов инвазии и климатических изменений.

Ученые сравнивают ситуацию на Урале и в Беларуси. Как уточнил Денис Веселкин, «исследование охватывает урбанизированные территории поселений разного размера, пригородные территории и немного - заповедные участки. Сравнение далеких друг от друга Среднего Урала и Белорусского Полесья актуально, так как это контрастные по проявлению инвазий регионы. На Урале мы можем изучать самые начальные стадии распространения большинства инвазивных видов. Они еще не захватили, не нарушили лесные экосистемы, не ушли в леса далеко от городов. В Гомельской области иная ситуация: там выше плотность населения, больше доля сельского населения. Процесс преобразования экосистем в Беларуси длится дольше, чем на Урале. Первые результаты подтвердили, с одной стороны, некоторые ожидаемые закономерности. В Беларуси инвазивных видов больше и распространение их гораздо шире – сейчас мы пытаемся это корректно количественно измерить. Т.е. мы, во-первых, сравниваем два контрастных региона, а, во-вторых, внутри них – контрастные типы местообитаний: городские и неурбанизированные. На уровне влияния микроклимата мы получили очень интересные результаты. Нам удалось показать, что теплообеспеченность местообитаний однозначно связана с распространением чужеродных видов трав (чем выше среднегодовая температура, тем выше вероятность распространения чужеродных трав, мигрирующих, обычно, из теплых стран – с Кавказа, из Средней Азии или Гималаев). При этом распространение чужеродных видов деревьев с микроклиматическими особенностями местообитаний не связано. Это означает, например, что контролировать инвазии травянистых и древесных растений нужно разными способами».

В условиях Урала большинство чужеродных видов приурочены к открытым местам – полям, лугам, опушкам. Но некоторые из них вполне приспособлены жить в лесах. Например, ирга колосистая, которая вывезена из Канады, хорошо сбегает в леса в России. Об ирге мало говорят и ее мало изучают, потому что она не приносит вреда человеку. Но как феномен распространения чужеродного вида она интересна ученым.  

Вообще, почти всегда причины распространения чужеродных растений связаны с деятельностью человека, с нарушением экосистем. Денис Веселкин замечает, что «в Свердловской области, например, сейчас многие используют зонтики борщевика Сосновского в сухих букетах, икебанах, и таким образом через семена происходит распространение этого вида. (В сухом виде борщевик не опасен для здоровья. Обжигает сок борщевика Сосновского. Но при этом нельзя также обжечься летом в ночное время или в пасмурную погоду, поскольку ожог возникает при взаимодействии сока с ультрафиолетом солнечного излучения)».

Около 8 лет сотрудники лаборатории биоразнообразия растительного мира и микобиоты изучают детально 3 инвазивные растения: клен американский, борщевик Сосновского, рябинник рябиннолистный. По клену американскому (вид прибыл из восточных районов Северной Америки) специалисты ИЭРиЖ УрО РАН провели наиболее разносторонние исследования.

Денис Веселкин уточнил, какие гипотезы выдвигались в ходе исследований и нашли ли они подтверждение: «Существует много гипотез по поводу того, как инвазивные виды, в частности, клен американский, внедряются и распространяются в аборигенные сообщества и осваивают новые территории.

Базовая гипотеза – гипотеза о физиологических особенностях, высокой способности поглощать ресурсы. Совместно с коллегами из Уральского федерального университета и из Ботанического сада УрО РАН мы проверяли эту гипотезу. Оказалось, что скорость фотосинтеза клена американского принципиально не отличается от скорости фотосинтеза у аборигенных растений. Потребление воды тоже не отличается: он не конкурирует за воду более успешно, чем местные виды. В корнях клена американского отмечен симбиоз с местными грибами в почве, очень похожий на такой же симбиоз у местных растений. Таким образом, свойств суперконкурента у клена американского мы не нашли.

Поэтому на втором этапе мы вообще задумались, отличается ли средопреобразующее и экологическое влияние клена американского по сравнению с местными деревьями. Мы очень тщательно измерили, как клен влияет на разнообразие растений. Оказалось, что число видов трав под его кронами на 40% меньше, чем под кронами других видов деревьев. Эти 40% – это строго влияние самого клена в чистом виде, так как мы старались отделить собственно влияние клена американского от других возможных причин, влияющих на разнообразие: загрязнение, урбанизация, степень антропогенных нарушений. Мы смотрели также, как сильно клен американский затеняет почву. Если сравнивать его влияние с высокими деревьями – сосной, березой – то под кронами клена американского, безусловно, темнее. Но другие местные кустарники и невысокие деревья – черемуха, рябина – затеняют почву не меньше, чем клен американский. Мы также начали измерения влажности почвы под кронами клена и тоже пока не видим, что клен как-то по-особому влияет на содержание воды в почве.

Следующая гипотеза, которую мы стали проверять, – предположение об аллелопатии: может быть, клен американский выделяет в почву какие-то особые вещества, препятствующие росту местных видов. Идеи о большом значении аллелопатии в сообществах растений были очень популярны в 1950–1970 гг., потом интерес к ним снизился, а в последние 10–15 лет вновь резко вырос. Воодушевленные многообещающими статьями других авторов, мы полагали, что наконец-то решим задачку об основном способе влияния клена американского на местные сообщества. Но… наша плотная работа в этом отношении продолжается 3-й год и однозначных результатов нет! Мы изучили влияния водных вытяжек из листьев на всхожесть местных видов трав, и не видим сильного аллелопатического влияния клена. Мы посеяли семена под кроны клена – и снова не нашли доказательств его угнетающего влияния.

Еще одна версия – влияние на сообщества через трансформацию банков семян. Банк семян – это семена, которые лежат в почве, а при наступлении благоприятных условий прорастают. Для нормального растительного сообщества банк семян должен существовать и пополняться постоянно. Весной или после скашивания растения заново прорастают. Мы получили доказательства того, что занос семян под полог крон клена американского происходит менее эффективно, вероятно, в связи с особенностями структуры его кроны. Проникновение других видов растений в сообществах с кленом затруднено. Клен как бы блокирует поток семян густым пологом своих листьев. Семена же, лежащие в банке семян, со временем теряют всхожесть и, поскольку притока новых семян нет, банк истощается. Эту гипотезу мы пока не отвергаем.

Кроме того, есть крупный пласт сведений о том, что чужеродные растения потому так успешны, что они особым образом взаимодействуют с почвой, преобразуют ее. Влияние деревьев, например, на кислотность почвы неплохо изучено. Может быть, клен один из таких видов, особым образом модифицирующий под свои потребности почвенные свойства. Но эту гипотезу мы только начинаем проверять».

«Таким образом, мы, как в детективе, имеем несколько гипотез и выстраиваем их в порядке правдоподобия. Но пока не нащупали однозначного механизма, который мог бы объяснить, каким способом клен американский так успешно приспосабливается к нашим условиям и влияет на местные сообщества. Вы видите, что часто мы не имеем окончательных ответов. Но мы идем этим путем, чтобы превратить гипотезы в доказанное утверждение, – обращает внимание Денис Веселкин и выражает мнение, – У меня создается ощущение, что одного единственного объяснения, каким образом клен американский влияет на местные сообщества, нет. Наши излишне упрощенные первоначальные представления не подтверждаются. Это очень интересно. Изучая чужеродные виды, мы получаем новые знания. Это вклад в развитие фундаментальной экологии».

Кроме того, в природе отмечаются встречные инвазии: когда местные виды в других регионах проявляют необъяснимую агрессию, то есть успешное расселение и захват мест локального обитания. По замечанию ученого, «клен американский, первичный ареал которого расположен на территории Северной Америки, во вторичном ареале в Евразии представляет проблему, поскольку бесконтрольно распространяется. Но родственный европейский вид клена – клен остролистный, Acer platanoides, который обычен и хорошо растет в Подмосковье, – является инвазивным для растительных сообществ на территории США. Там он влияет на аборигенные сообщества примерно так же, как клен американский влияет на аборигенные сообщества в Евразии».

Какова инвазибельность растительных сообществ при урбанизации на территории Среднего Урала?

«Подавляющее большинство инвазий связано с непосредственным влиянием человека и поддерживается им. Видов, истинно натурализовавшихся, мало. Например, мы иногда находим иргу колосистую в лесах, где мало ходят люди и нет вырубок, но этот вид привносится в леса птицами из городов и с территорий коллективных садов. Антропогенные территории всегда являются источником семян и местами проникновения и натурализации инвазивных растений. Загрязнение воздуха и почв не "отпугивает" инвазивные растения. Дорожные обочины и канавы, окраины полей, участки, где разрушен растительный и почвенный покров, – это их излюбленные и часто основные местообитания. Клен американский – устойчивый к загрязнению воздуха и почвы вид, поэтому его в свое время много и целенаправленно сажали в пределах промышленных зон.

В Европе проблема биологических инвазий, в частности, инвазий растений, острее, чем у нас: там выше плотность населения, многих естественных сообществ осталось очень мало. При этом существуют противники алармисткого подхода к инвазивным растениям, близкие к течению, которое называется экологический реализм. Сторонники этого направления обосновывают мнение, что чужеродные деревья хорошо растут в урбанизированной среде, создают пыле- и звукобарьеры, и, в целом, часто образуют экологический каркас городов. Поэтому не надо бороться со всеми чужеродными видами, а надо учиться извлекать из них экологическую пользу. Такой взгляд нам, конечно, не очень привычен, вызывает неоднозначную реакцию. Но в некоторых моментах эта точка зрения обоснована, например, яблоня ягодная, кизильник блестящий – это доминирующие, хотя и чужеродные, виды в озеленении в Екатеринбурге, ведь они красивы, очищают воздух, улавливают пыль. В свое время строители железных дорог и лесополос насадили клен американский во многих регионах России. Этот выбор был связан с неприхотливостью и функциональностью этого дерева. Позднее он вышел из защитных придорожных насаждений и сейчас клен американский не редкость почти в любом лесу средней полосы России, кроме некоторых заповедных. Думаю, нам еще предстоит выработать взвешенное и прагматичное отношение к инвазивным растениям или научиться извлекать пользу от этих организмов, или научиться контролировать численность их популяций», – ответил Денис Веселкин.

Сегодня проводится мониторинг популяций инвазивных видов и контроль их численности?

По словам ученого, «такая работа в масштабах страны есть, ведется на уровне государственного контроля по отношению к двум видам: амброзия (Краснодарский край, южные регионы России) и борщевик Сосновского. Принята программа контроля распространения борщевика. В некоторых регионах программа работает, владельцы земли получают предписания по поводу необходимости борьбы с зарослями борщевика. В России ситуация с распространением инвазивных растений в целом не критичная, хотя в некоторых регионах борщевик Сосновского – реальная экологическая проблема. И поэтому реакция в отношении борщевика Сосновского в виде мер государственного контроля своевременна. Но в целом, поскольку у нас небольшая плотность населения и малая освоенность больших территорий, число инвазивных видов и степень их внедрения в естественные сообщества остаются невысокими. В этом плане у нас пока мало трансформированная природа. Тем не менее, думаю, общество и люди, принимающие управленческие решения в области экологии и землепользования, должны знать, что такое биологические инвазии и как с ними бороться».

«Мы с коллегами пока остаемся на позиции наблюдателей. Мы изучаем инвазии и регистрируем, что происходит с нашими экосистемами. Думаю, было бы полезно заняться вопросом о разработке или проверке наиболее эффективных мер контроля инвазивных растений. Но для этого нужно то, что называется заказ – явный сигнал от общества, Министерства науки и высшего образования РФ или Министерства природных ресурсов и экологии РФ», – особо подчеркнул заведующий лабораторией биоразнообразия растительного мира и микобиоты ИЭРиЖ УрО РАН Денис Веселкин.  

Таким образом, изучение комплекса свойств инвазивных растений  и фактов их успешного распространения в естественные экосистемы  говорит о том, что «пришельцы» способны выходить за пределы  свойственных им мест обитания, где проявляют особые характеристики, а вместе с тем, создают экологическое своеобразие.