Боязнь замерзнуть ночью определила размер листьев
Оказалось, что наиболее важным фактором, влияющим на размер листьев, является температура в ночное время суток. Работа опубликована в Science.
Площадь листьев у различных растений варьируется в очень широких пределах: от 1 квадратного миллиметра до 1 квадратного метра. При этом известно, что листья имеют в среднем меньшую площадь ближе к полюсам и большую — в околоэкваториальных зонах. На размер листьев влияет стремление растения увеличить эффективность фотосинтеза в данных климатических условиях и при этом не перегреться. Поэтому площадь листа определяется всей совокупностью процессов, связанных с фотосинтезом, клеточным дыханием и теплообменом за счет транспирации. До настоящего момента считалось, что в первую очередь площадь поверхности листа определяется балансом между доступностью воды и процессами теплообмена, однако никакого исследования, количественно подтверждающего эту взаимосвязь, не проводилось.
Карта максимального размера листьев растений. Ian J. Write et al./ Science, 2017
В своей новой работе международный коллектив ученых изучил 7670 видов растений и попытался найти корреляцию между размером их листьев и различными климатическими параметрами. Размер листьев связали с влажностью, уровнем освещенности, количеством осадков и суточными и сезонными колебаниями температуры. Для описания полученных зависимостей они использовали не только стандартную двумерную корреляционную модель, но также предложили простое физическое описание, основанное на балансе полученной и потерянной листом энергии. Так, энергия, попадающая на поверхность листа с солнечным светом, должна быть равна суммарной энергии, потерянной в результате теплообмена с воздухом, как за счет разницы температур, так и за счет транспирационных процессов.
С использованием количественных оценок и полуэмпирических моделей для транспирации ученым удалось показать, что основной климатический параметр, который определяет размер листьев — это температура в ночное и дневное время суток. Корреляция с остальными параметрами тоже наблюдается, но эти параметры не являются определяющими. Таким образом, размер листа должен быть таким, чтобы лист не перегрелся в дневное время суток и не замерз — в ночное. При этом оказалось, что на 51 проценте суши размер листьев определяется ночной температурой, на 38 процентах — дневной, а на 7 процентах суши и ночная, и дневная температура ограничивают размер листа.
Ученые установили, что, несмотря на то, что в каждой климатической зоне на каждой широте, конечно же, существует большое разнообразие растений с листьями разных размеров (и ограничивается оно не только климатом, но и тенистостью, составом почвы, количеством и разнообразием травоядных животных), именно климат является определяющим фактором, который определяет средний размер листьев для данной широты или климатической зоны.