Команда молодых ученых под руководством сотрудника Института биологии КарНЦ РАН впервые исследовала биоритмы роста быстрорастущего мха Sphagnum riparium – ключевого торфообразователя болот. По результатам четырехлетних исследований, поддержанных Российским фондом фундаментальных исследований, был измерен прирост свыше 116 тыс побегов и получено около 4,5 тыс оценок скорости роста мха. Учеными обнаружено три ритмических компонента, связанных с ростом сфагнума: сезонный, циркалунарный и третий компонент, создаваемый циркалунарным ритмом. Суммарно, три биоритма объясняют 51–78% сезонной скорости роста сфагнума. По мнению авторов, столь значительный вклад ритмичности может являться эволюционным механизмом поддержания ровной поверхности сфагнового ковра для сокращения потерь влаги и одной из причин современного широкого ареала сфагновых мхов в высоких широтах. Результаты исследования опубликованы в свежем выпуске журнала “Physiologia Plantarum”, также исследованию посвящен специальный научный очерк в рубрике «In the Spotlight».
Мхи рода Sphagnum – основные доминанты и торфообразователи болот высоких широт. Здесь они покрывают около 1.5 млн км2 - это свыше 43% болотной поверхности, при этом их наиболее типичными местообитаниями являются верховые и переходные болота. Практически все биосферные функции болот, включая формирование уникальных экологических ниш и специфического биоразнообразия, извлечение парниковых газов из атмосферы и их накопление в виде торфа, продукцию важных для морских экосистем хелатов железа, фиксацию атмосферного азота особыми симбиотическими микроорганизмами, так или иначе связаны с распространением и ростом сфагнового покрова. Поэтому исследование процессов роста сфагнового ковра имеет ключевое значение для понимания распространения и функционирования торфяников.
В апреле 2015 года ведущий биолог ИБ КарНЦ РАН Виктор Миронов начал уникальное исследование на одном из болот в пригороде Петрозаводска, цель которого состоит в многолетнем подробном изучении роста мха Sphagnum riparium. Обычно это вид сфагнума растет в виде ровных зеленых ковров в мелиоративных каналах осушенных болот, при этом за год его побеги могут вырастать более, чем на полметра. Быстрый рост побегов позволяет использовать очень короткие интервалы в сборе данных и достаточно точно определять скорость роста. Для измерения прироста мхов была использована оригинальная запатентованная авторская методика Виктора Миронова:
«Согласно методу, в качестве маркеров прироста используются геотропические изгибы стеблей, которые образуются в результате отклонения побегов от вертикали. Такие изгибы широко образуются весной в ответ на отклонение побегов, вызываемое снежным покровом. Также они могут быть вызваны экспериментальным путем, за счет искусственного отклонения побегов».
Виктор Миронов за работой во время полевых исследований
За четыре года суммарная продолжительность наблюдений составила 720 дней, за это время было измерено свыше 116 тыс побегов и получено около 4,5 тыс оценок скорости роста.
В результате анализа данных, впервые была описана биологическая ритмичность роста мхов, подробно описанная в журнале “Physiologia Plantarum”. Обнаружено три типа биоритмов: сезонный, циркалунарный и третий биоритм, синхронизируемый циркалунарным ритмом. Примечательно, что самый крупный сезонный биоритм задается ходом температуры в течение периода вегетации, при этом он практически не подвержен влиянию длины светового дня. По подсчетам исследователей, увеличение температуры на каждые 10°С ускоряет рост побегов на 0,12 см/сутки по линейной модели и в 2,15 раз по модели Вант-Гоффа.
«Чувствительность ростовых процессов к температуре является следствием правила Вант-Гоффа, согласно которому при изменении температуры на 10°С, скорость химических реакций увеличивается в 2-4 раза. В живых системах правило Вант-Гоффа действует в ограниченном диапазоне температур, обычно от 0 до 40°С.» — комментирует Виктор Миронов.
Второй по размерности циркалунарный ритм задается 30-дневным лунным циклом. В районе полнолуний наблюдается отчетливая тенденция к замедлению, а в районе новолуний – тенденция к ускорению роста сфагнума. Аналогичная ростовая реакция ранее наблюдалась у некоторых сосудистых растений, однако у мхов она до сих пор не регистрировалась. О влиянии Луны на живые организмы говорят с античности, но в научной среде его до недавнего времени связывали с суевериями и мифами. Сейчас установлено, что у растений лунный цикл влияет на процессы роста, цветение, содержание воды и химических элементов в тканях, электропроводность тканей и даже на форму почек на деревьях. Часто влияние Луны связывают с приливно-отливным влиянием, однако современная наука объясняет циркалунарную ритмику живых организмов высокой чувствительностью особых фоторецепторов – криптохромов к лунному свету. В течение лунного цикла скорость роста испытывает существенные колебания, ее амплитуда составляет около 0,05 см/сутки, что эквивалентно изменению температуры на 4,4°С.
Третий ритм имеет непостоянный период от 7 до 16 дней и не связан с факторами внешней среды. Ученые обратили внимание, что за годы исследований этот ритм достаточно точно синхронизировался с циркалунарным ритмом роста, поэтому было выдвинуто предположение что циркалунарный ритм может выступать в качестве самостоятельного синхронизатора третьего ритма.
Интересным оказалось то, что все три биоритма очень хорошо объясняют сезонную скорость роста сфагнума. Было обнаружено, что 51-78% скорости роста объясняется только этими тремя ритмами. Ученые считают, что столь высокое участие ритмичности в ростовых процессах может являться одним из способов контроля ровной поверхности сфагнового ковра, а значит и его защиты от излишней потери воды. Таким образом, ритмичность роста сфагнума может объяснять современный ареал сфагновых мхов и распространение сфагновых болот на земном шаре.
На фото справа: Рост Sphagnum riparium наглядно
