Drzewa tworzą globalną sieć: fenomen planowanego owocowania

Wiele wieloletnich roślin nie wytwarza nasion regularnie. Zamiast tego przeplatają lata, w których nasion jest niewiele lub nie ma ich wcale, z latami obfitującymi w nasiona, tak, że gałęzie uginają się pod ich ciężarem. Badania nad tym fenomenem prowadził międzynarodowy zespół badaczy z Polski, Francji, Wielkiej Brytanii, Holandii i Nowej Zelandii, kierowany przez prof. Michała Bogdziewicza z Wydziału Biologii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu.

Regionalna synchronizacja produkcji nasion to fenomen, który wynika z warunków pogodowych. Rośliny, niczym wrażliwi obserwatorzy, reagują na sygnały atmosferyczne, takie jak upalne lato, aby rozpocząć proces reprodukcji. Ponieważ warunki pogodowe są zsynchronizowane w różnych lokalizacjach, prowadzi to do zharmonizowanej produkcji nasion. Co ciekawe, gatunki, które wykazują największą synchronizację w latach nasiennych, potrafią prognozować temperaturę jednocześnie, nawet gdy dzieli je setki kilometrów.

Przykładem tego zjawiska jest buk europejski. Buki rosnące w Hiszpanii, Wielkiej Brytanii, Szwecji, Rumunii, Polsce czy Grecji podejmują decyzje o reprodukcji na podstawie warunków pogodowych panujących w czerwcu i lipcu. Mimo znacznych różnic klimatycznych między gorącą Hiszpanią a zimną Szwecją, te drzewa utrzymują wspólny rytm. To zjawisko jest tym bardziej intrygujące, że wiele innych procesów, takich jak kwitnienie, zazwyczaj rozpoczyna się szybciej w cieplejszym klimacie. Jak to możliwe, że buki potrafią tak precyzyjnie koordynować swoje przewidywanie pogody, mimo ogromnych odległości?

Jak przesilenie letnie synchronizuje lasy Europy?

W świecie przyrody niewiele zjawisk ma tak ogromną skalę i wpływ na ekosystemy, jak masowe pojawianie się nasion. Raz na kilka lat miliony drzew, takich jak buk zwyczajny (Fagus sylvatica), jednocześnie produkują ogromne ilości orzeszków, by w kolejnych latach niemal całkowicie zaniechać reprodukcji. Ta pulsacyjna dostępność zasobów napędza dynamikę populacji gryzoni, wpływa na migracje ptaków, a nawet na częstotliwość występowania chorób odzwierzęcych u ludzi.

Największą zagadką dla biologów pozostawało jednak to, w jaki sposób drzewa oddalone od siebie o tysiące kilometrów – od Szwecji po południową Francję – potrafią „umówić się” na ten sam rok owocowania. Najnowsze badania zespołu naukowców, m.in. z Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, wskazują na zaskakujące rozwiązanie: astronomiczny zegar w postaci przesilenia letniego.

Zagadka efektu Morana i skali subkontynentalnej

Zjawisko synchronizacji reprodukcji przez czynniki środowiskowe (takie jak pogoda) nazywane jest efektem Morana. Aby jednak zadziałał on skutecznie na dystansie przekraczającym 2000 km, populacje drzew muszą reagować na sygnały pogodowe w dokładnie tym samym oknie czasowym.

Dotychczasowy problem badawczy polegał na tym, że:

• drzewa na północy i południu Europy żyją w skrajnie różnych klimatach,
• długość dnia (fotoperiod) różni się znacząco w zależności od szerokości geograficznej,
• gdyby drzewa używały bezwzględnej długości dnia do otwarcia „okna czułości” na temperaturę, synchronizacja rozpadłaby się z powodu różnic położenia względem równoleżnika.

Przesilenie letnie jako uniwersalny sygnał

Badacze wykazali, że buk zwyczajny wykorzystuje przesilenie letnie (najdłuższy dzień w roku) jako sygnał do otwarcia okna czułości termicznej. Jest to jedyny sygnał, który występuje równocześnie na całej półkuli północnej, niezależnie od lokalnej pogody czy klimatu.

Główne dowody naukowe:

• gwałtowny wzrost korelacji: analiza 61 populacji buka wykazała, że korelacja między produkcją nasion a temperaturą wzrasta gwałtownie dokładnie w momencie przesilenia letniego;
• czterokrotny skok czułości: przewidywana korelacja między owocowaniem a temperaturą jest około 4-krotnie wyższa jeden dzień po przesileniu w porównaniu do dnia przed nim (wzrost z 0,095 do 0,37);
• niezależność od szerokości geograficznej: mechanizm ten działa tak samo dla drzew w Szwecji, jak i we Francji, co pozwala na zachowanie spójności czasowej w całej Europie.

Matematyka światła i temperatury

Naukowcy, aby precyzyjnie określić moment otwarcia okna pogodowego, użyli modeli GAM (Generalized Additive Models) oraz obliczeń długości dnia opartych na deklinacji słońca. Kluczowym elementem było wykazanie, że to właśnie zmiana kierunku długości dnia (moment, w którym dni zaczynają się skracać) aktywuje procesy fizjologiczne drzewa. Długość dnia obliczano przy użyciu kąta godzinowego słońca, który zależy od szerokości geograficznej i deklinacji.

Ewolucyjną korzyścią z tak precyzyjnej synchronizacji jest nasycanie drapieżników. Produkując nasiona w tym samym czasie na ogromnym obszarze, drzewa uniemożliwiają lokalnym i migrującym konsumentom (np. gryzoniom czy ptakom) zjedzenie całego plonu. Dzięki temu część nasion zawsze ma szansę wykiełkować.

Wpływ temperatury w cyklu dwuletnim: badanie potwierdziło również, że buk reaguje na temperaturę w specyficzny sposób w dwóch kluczowych momentach przed owocowaniem:

• dwa lata przed – chłodne lato sprzyja akumulacji zasobów;
• rok przed – gorące lato po przesileniu stymuluje różnicowanie pąków kwiatowych.

Przyszłość w obliczu zmian klimatu

Choć występowanie okna pogodowego w przesileniu letnim zapewnia stabilność od tysiącleci, ocieplenie klimatu może stanowić zagrożenie. Rosnące temperatury powodują załamanie tego mechanizmu i drzewa próbują owocować zbyt często, co prowadzi do wyczerpania zasobów i spadku efektywności zapylania.

Jeśli mechanizm ewolucyjny buka jest sztywno powiązany z przesileniem (które nie zmienia się wraz z klimatem), drzewa mogą nie być w stanie dostosować swojego okna czułości do nowych realiów pogodowych, co może doprowadzić do długofalowego spadku ich sukcesu reprodukcyjnego.

Artykuł opracowany na podstawie publikacji: Journé, V. et al., „Summer solstice orchestrates the subcontinental-scale synchrony of mast seeding”.