Растительная броня: джунгли Амазонки начали вырабатывать лекарство от человеческих болезней

Леса Амазонки, обычно источающие приятный аромат свежей листвы, во время рекордных засух 2023-2024 годов начали издавать совершенно иной, тревожный химический "зов". Исследователи, годами изучающие летучие соединения, выделяемые деревьями, столкнулись с невиданным раньше явлением: в воздухе над тропическим лесом появились молекулы, ранее в этой местности не встречавшиеся. Это стало явным сигналом о том, что деревья находятся в состоянии крайнего стресса, реагируя на запредельную жару и недостаток влаги.

Сигналы бедствия: как деревья кричат о помощи
Измерение "дыхания" Амазонии
Жара и засуха усиливаются: реакция леса
Сигналы о стрессе остаются даже после окончания засухи
Как деревья справляются со стрессом: молекулярная защита
Засуха меняет характер выбросов: долгосрочные последствия

"Соединения, выделяемые растениями, — это своего рода язык, на котором они общаются с окружающей средой и друг с другом. В обычных условиях это язык спокойствия и процветания. Но когда растения испытывают сильный стресс, например, от засухи или нашествия вредителей, этот язык меняется. Появляются новые "слова" — сложные молекулы, сигнализирующие о бедствии, — которые указывают на то, что дерево находится на грани выживания и активирует защитные механизмы".

Должность: Научный обозреватель и аналитик Алексей Кузнецов

Сигналы бедствия: как деревья кричат о помощи

Растительный мир постоянно выделяет в воздух различные соединения. Самое простое из них — изопрен — создает легкую голубоватую дымку над лесами. Однако есть и более сложные молекулы, называемые сесквитерпенами. Эти крупные соединения деревья выбрасывают, когда сталкиваются с серьезными проблемами: будь то экстремальная жара, продолжительная засуха или атака вредителей. Такие вещества, как кариофиллен, отвечающий за острый аромат гвоздики и перца, служат деревьям одновременно сигналом бедствия и своеобразной "броней" для защиты своих тканей.

Проблема этих естественных сигналов в их мимолетности: сесквитерпены быстро распадаются в атмосфере, обычно в течение нескольких минут. Это делает их обнаружение в условиях дикой природы, особенно в густых тропических лесах, чрезвычайно сложной задачей. Изучение их поведения требует высокоточного оборудования и тщательного планирования.

Именно поэтому группа исследователей под руководством доктора Джозефа Байрона из Института химии Общества Макса Планка в Майнце, Германия, решила сосредоточиться на изучении этих соединений именно в период аномальной жары. Их целью было понять, как эти молекулы ведут себя в условиях, приближенных к критическим для тропических лесов.

Измерение "дыхания" Амазонии

Исследовательская команда развернула свою деятельность на базе Амазонской высотной обсерватории. Это совместный немецко-бразильский проект, расположенный примерно в 150 километрах от Манауса, Бразилия. Объект представляет собой высокие стальные башни, возвышающиеся над кромкой леса. Такое расположение идеально подходит для сбора проб воздуха непосредственно в той зоне, где деревья выделяют летучие соединения, буквально "дыша".

Сбор проб воздуха осуществлялся с помощью автоматического пробоотборника, установленного на высоте около 23 метров. Это примерно на уровне крон деревьев. Пробы брали каждые полтора-три часа, чтобы зафиксировать малейшие изменения в составе атмосферы. Собранные образцы помещались в специальные картриджи, которые затем отправлялись в лабораторию в Германии для детального анализа и молекулярной идентификации.

Работа велась в течение двух лет, включая четыре экспедиции, специально приуроченные к периодам засухи, связанной с явлением Эль-Ниньо. Исследователи проводили измерения до начала Эль-Ниньо, в пик его активности, на стадии ослабления и после полного восстановления нормальных погодных условий. Такой подход позволил отследить динамику химического состава воздуха тропического леса в зависимости от изменений климатических условий, а не полагаться на данные одного конкретного момента.

Жара и засуха усиливаются: реакция леса

К октябрю 2023 года условия в Амазонии достигли экстремальных отметок. Температура под пологом леса, которая обычно держится в районе 26 °C, подскочила до 31 °C. Влажность воздуха упала с привычных 90 % до критических 60 %, а почва стала сухой. Казалось бы, такие условия должны были вызвать бурную реакцию всех летучих соединений.

Однако легкие соединения, такие как изопрен и монотерпены (предшественники сесквитерпенов), почти не отреагировали на засуху. Их концентрация колебалась в пределах обычных сезонных изменений, не демонстрируя аномальных всплесков. Это покачало, что эти молекулы не являются прямым индикатором экстремального стресса.

Совсем иначе повели себя сесквитерпены. Их концентрация в воздухе увеличилась более чем в два раза. Команда исследователей подтвердила, что это был реальный выброс новых соединений, а не просто следствие того, что они стали медленнее распадаться из-за недостатка озона — основного фактора их разрушения. Получается, лес был вынужден использовать дефицитный углерод для синтеза этих защитных молекул именно тогда, когда испытывал наибольший дефицит воды и энергии.

"Природа научила растения выживать в самых суровых условиях. Когда деревья подвергаются экстремальному воздействию, будь то засуха, как в Амазонии, или испепеляющая жара, как в центре России, они начинают выделять особые химические вещества. Эти соединения выполняют двойную функцию: они служат сигналом для других организмов и одновременно защищают само дерево от повреждений. Удивительно, что эти механизмы самосохранения оказались схожими у растений и даже у человека, как показывают исследования бета-эудесмола".

Должность: Аналитик научных и образовательных трендов Ирина Соколова

Сигналы о стрессе остаются даже после окончания засухи

Однако самое удивительное открытие ждало исследователей после пика засухи. Весной 2024 года, когда в Амазонию вернулись дожди, лес начал выделять в воздух новые, ранее не обнаруженные сесквитерпеновые спирты. Группу этих липких молекул возглавлял бета-эудесмол. До этого исследования концентрация подобных соединений в воздухе тропических лесов была равна нулю.

Теперь же их уровень достиг концентрации основных стрессовых соединений, что было особенно странно, ведь пик их выделения пришелся не на период засухи, а на время после ее окончания. Более того, эти новые молекулы сохранялись в воздухе на высоком уровне в течение нескольких недель после восстановления нормальных условий. Ученые пока не могут точно сказать, что происходит внутри деревьев, но базовая структура этих новых молекул совпадает со стрессовыми соединениями.

Колебания концентрации этих молекул синхронно с другими процессами в лесу указывают на то, что один из стрессовых механизмов активировался и продолжал работать даже после того, как прямая угроза миновала. Это говорит о долгосрочных последствиях пережитого стресса для экосистемы.

Как деревья справляются со стрессом: молекулярная защита

Экстремальная жара и засуха повреждают клетки деревьев, приводя к накоплению активных форм кислорода. Эти нестабильные молекулы разрушают ткани изнутри, и растения вынуждены искать способы нейтрализовать их. Исследования показывают, что деревья Амазонии координируют выбросы определенных веществ, чтобы справиться с этим внутренним "пожаром".

Интересно, что бета-эудесмол, одна из молекул, выделяемых лесом, уже известна в медицине. Это соединение входит в состав эфирных масел и обладает противовоспалительными и антиоксидантными свойствами. В клетках человека оно способно активировать гены, отвечающие за вывод из организма тех самых разрушительных молекул. Хотя функция бета-эудесмола внутри дерева пока остается загадкой, его химическая структура намекает на схожие защитные механизмы.

Однако исследователи подчеркивают, что растительные и человеческие клетки по-разному реагируют на окислительный стресс. Поэтому прямое сравнение их функций не совсем корректно. Требуются дальнейшие исследования, чтобы понять, как именно эти соединения воздействуют на листья деревьев Амазонии в условиях стресса.

Засуха меняет характер выбросов: долгосрочные последствия

Химически активные молекулы, выделяемые лесом, имеют значение не только для самих деревьев. Эти молекулы могут слипаться, образуя микроскопические частицы, которые служат центрами конденсации для облаков и отражают солнечный свет. Устойчивые изменения в составе этих выбросов могут повлиять на погодные условия и климат всего амазонского бассейна.

В настоящее время леса Амазонии успешно восстанавливаются после засух, и их химический состав возвращается к норме. Однако руководитель проекта Джонатан Уильямс, химик-атмосферист, предупреждает: по мере глобального потепления и учащения экстремальных погодных явлений, таких как Эль-Ниньо, этот процесс восстановления может стать менее эффективным. "Эти выбросы могут стать постоянным явлением в регионе", — говорит он.

До этого исследования спирты, образующиеся в лесу в стрессовых условиях, считались нейтральными. Теперь ученые знают их названия, структуру и роль. Увеличение содержания родственных сесквитерпенов вдвое во время сильной засухи и сохранение защитных химических веществ в течение всего восстановительного периода, прежде чем они исчезнут, позволяет отслеживать их как маркеры стресса в реальном времени. Подобные исследования, как, например, анализ засухи в бассейне реки Миссисипи, указывают на то, что выбросы от деревьев могут стать более интенсивными в условиях меняющегося климата.

Проверено экспертом: научный обозреватель и аналитик Алексей Кузнецов