Анжелика Паттерсон (Angelica Patterson) с ружьем в руках, внимательно осматриваясь по сторонам, идет через лес Блэк-Рок (черная скала), расположенный в штате Нью-Йорк. Она сосредотачивается на своей цели, а затем бац – ветка падает на землю.
«Я не могу лазить по деревьям, сооружать леса - дорого, а использование рогатки требует большого мастерства, - говорит она. - Ружье – это эффективный и дешевый способ собирать расположенные на самом верху листья, которые подвергаются воздействию солнца».
Анжелика опускает ветку северного красного дуба в ведро с водой, обрезает погруженный в воду ствол, чтобы убедиться, что его листья продолжают выполнять свою функцию, прежде чем вернуться в свою лабораторию в лесу.
Здесь она изучает, как деревья приспосабливаются и перемещаются из-за повышения средних температур.
«Когда я впервые начала изучать, как меняется ареал деревьев, мне было трудно представить, как деревья могут мигрировать, потому что они неподвижны – не передвигаются, как четвероногие существа, не летают, как насекомые. Поэтому очень важно понять, что фитоценозы (сообщества деревьев) меняют свои ареалы обитания, чтобы мигрировать туда, где они могут процветать», - говорит Анжелика, аспирант кафедры науки о земле и окружающей среде Колумбийского университета.
«Деревья распространяют свои семена. Но даже если семена смогут переместиться на некоторое расстояние, это не означает, что место, куда они попадут будет для них благоприятно, и они прорастут или размножатся. Стоит также учитывать и другие факторы, которые оказывают влияние на популяцию деревьев».
Лес Блэк-Рок необычен. Многочисленные данные, собранные с 1930-х годов, показывают, как менялся ареал деревьев различных видов в этом регионе.
«За последние 90 лет состав лесов изменился. Три вида исчезли из этого региона, а 11 видов мигрировали естественным путем с юга или были интродуцированы антропогенным путем, - говорит Анжелика. - Я хотела выяснить, какой механизм лежит в основе этого изменения и как это влияет на способность нашего леса стать источником, а не поглотителем углекислого газа, тем самым поддерживая изменение климата».
Леса на северо-востоке США являются одним из самых быстрорастущих в мире хранилищ углерода на суше. Это произошло из-за того, что сократились лесозаготовки, сельское хозяйство стало менее интенсивным, количество пожаров уменьшилось.
Но изменение состава лесов может оказать серьезное влияние на накопление углерода в этом регионе – если нарушится углеродный баланс лесов, в атмосферу может быть выброшено еще больше углерода.
«Северные красные дубы очень важны для этого региона, они влияют на здоровье почвы, качество воды, содержание питательных веществ. Когда большие популяции деревьев начинают исчезать, это может привести к разрушению сложной экосистемы леса, - говорит Анжелика. - Если появится инвазивный вид деревьев, то биологическое разнообразие будет утрачено. Вся система окажется под угрозой».
За последние восемь лет она изучила сотни листьев двадцати двух видов деревьев, чтобы понять как среда, которая является экстремальной для определенных видов, может влиять на физиологию дерева.
«Иногда деревья можно сравнить с машинами. Некоторые виды имеют двигатель Toyota, а другие – Ferrari . Дубы – не Феррари. Однако они чрезвычайно устойчивы к изменениям, и именно поэтому доминировали здесь на протяжении веков», - поясняет Анжелика, объясняя стратегию выживания Северного красного дуба, который составляет 70% этого леса.
«Эти дубы могут доживать до 350 лет, и считаются – долгожителями. Они производят семена, которые доминируют [желуди] и очень стрессоустойчивы к внешним изменениям».
Ранее в лесу Блэк-Рок случались пожары, но желуди могут сохраниться под землей до тех пор, пока условия для их роста не станут благоприятными. Однако сейчас в этом районе появилось больше населенных пунктов, пожары удается предотвратить, поэтому эти дубы должны конкурировать с деревьями более чувствительными к пожарам, которые раньше не выжили бы.
Участившиеся тропические штормы и сильные ветра также угрожают зрелым дубам. Болезнь, которая приводит к увяданию и гниению дерева, распространяется в регионе. Олени, пасущиеся в лесу, также влияют на способность дубов к восстановлению, что позволяет другим “мигрирующим” деревьям заполнить эту нишу.
Кевин Гриффин (Kevin Griffin), профессор физиологии растений в Колумбийском университете, объясняет, почему лес Блэк-Рок является таким важным местом для изучения миграции деревьев.
«Различные виды деревьев, которые обычно произрастают либо юге, либо на севере, соединяются в долине Гудзона, - говорит он. - В конце последнего ледникового периода – 14 000 лет назад, ледники отступили из Долины Гудзона, и теперь мы видим этот прекрасный дубовый лиственный лес».
Для деревьев, которые растут и размножаются очень медленно, миграция является серьезной проблемой.
«У деревьев нет ног, семена путешествуют на короткие расстояния, и могут съедены или уничтожены. Деревьям нужны насекомые-опылители и подходящая почва для прорастания», - отмечает профессор Гриффин.
Существует несоответствие между скоростью, с которой смещаются ареалы видов деревьев, и скоростью, с которой деревья могут реагировать на изменения климата и мигрировать.
«Мы пытаемся выяснить, как выживают деревья, насколько они конкурентоспособны и сколько им нужно времени, чтобы реагировать на происходящие изменения», - говорит профессор Гриффин, добавляя, что температура является одним из ключевых факторов изменения ареалов.
По данным Северной Исследовательской станции Лесной службы США, более 70% саженцев северных пород деревьев в восточной части США мигрируют на север. Но температура, конечно, не единственный фактор, который влияет на миграцию.
В 2017 году Сонглин Фей, из Университета Пердью в Индиане, изучающий экологию леса, обнаружил, что в восточных районах больше видов перемещается на запад, а не на север. Возможно, это вызвано изменением количества осадков, а не температуры.
Обще годовое количество осадков в центральной части США увеличилось более чем на 150 мм и значительно сократилось на юго-востоке.
Чтобы сравнить метаболическую активность внутри каждого листа, который она собирает, Анжелика использует аппарат искусственного фотосинтеза.
«Я устанавливаю относительную влажность, свет, уровень углекислого газа и температуру, чтобы имитировать условия в лесу или воссоздать условия южного предела ареала, а затем даю возможность каждому листу акклиматизироваться. Это побуждает поры открываться для естественного газообмена», - говорит она. Анжелика измеряет частоту дыхания и фотосинтеза у взрослых деревьев.
«Мы изучаем фотосинтез и дыхание – как углерод попадает в дерево, как углерод покидает дерево – чтобы понять, почему некоторые растения растут лучше, а другие хуже», - говорит профессор Гриффин.
В лесу Блэк-Рок преобладает северный красный дуб. Но здесь также обнаружены другие широколиственные и хвойные деревья. Например, бумажная береза и красная сосна – южная граница ареала, или платан западный и атлантический белый кедр – северная граница ареала.
«Обнаруженные нами образцы говорят о том, что деревья, которые являются основными обитателями этого региона, такие как северный красный дуб, находятся в неблагоприятном положении по сравнению с деревьями северного и южного ареалов», - говорит она.
Но, возможно, деревья, смогут приспособиться к изменениям климата.
«Согласно некоторым прогнозам, из-за высокого уровня выбросов углерода в течение следующих 50-100 лет, температура в этом регионе может стать такой же, как в Джорджии. Поэтому способность дуба акклиматизироваться к потеплению климата и сохраниться в неблагоприятных условиях, таких как выпас оленей или ледяные бури, повлияет на выживание популяции и на потенциал накопления углерода в лесах этого региона», - говорит Анжелика.
Эти данные могут быть включены в климатические модели, чтобы помочь предсказывать уровни углекислого газа в атмосфере в будущем и оценить, какие из видов деревьев, произрастающие на северо-востоке США, могут лучше переносить более теплый климат в ближайшие десятилетия.
По мнению исследователей, так называемые «соединительные коридоры», позволяющие деревьям естественным образом мигрировать в новые районы и обходить искусственные границы их ареала - города, озера или сельскохозяйственные угодья – могут помочь деревьям сохраниться в условиях потепления климата.
Дальнейшие исследования, проводимые учеными из Университета Теннесси, показывают, что подземные «почвенные магистрали» также играют важную роль, поскольку определенные соединения грибов и бактерий стимулируют чувствительные к теплу деревья мигрировать на север, где они могут процветать.
Миграция деревьев – очень сложный процесс. И ученым предстоит еще много работы. Записав GPS-координаты для каждого изученного листа, исследователи могут проводить дальнейшие измерения, чтобы оценить, как изменяется функция дерева с течением времени.
«Это всего лишь малая часть того, что происходит с некоторыми деревьями, - говорит Анжелика. - Но это дает представление о том, какие виды продолжат существовать в условиях изменяющейся среды, поможет управлять лесными ресурсами сейчас и в будущем».