Как возникли африканские саванны?

Между 10 и 6 миллионами лет назад растительность на большей части мира претерпела трансформацию: теплолюбивые злаки вытеснили ранее доминировавшие растения, кустарники и деревья. Эти новые травы осуществляли химические реакции фотосинтеза принципиально новым способом. Учёные назвали этот процесс С4-путем. В Восточной Африке эта смена совпала с эволюцией линий млекопитающих, включая ранних предков человека. Сегодня С4-растения составляют около четверти растительности Земли — от Великих равнин Северной Америки до западного Китая, Австралии и большей части Африки к югу от Сахары.

Новое исследование в журнале Nature Geoscience пытается ответить на этот вопрос, изучая глубоководные отложения у восточного и западного побережья Африки. Они содержат следы древней растительности и условий её существования. Исследование показывает, что распространение С4-растений в северо-западной и восточной Африке началось около 10 миллионов лет назад, когда уровень CO₂ в атмосфере снижался, но не было явных изменений в количестве осадков или пылевых отложениях.

Что такое С4-растения и почему они важны?

В первом шаге фотосинтеза, когда растение преобразует CO₂ в полезные молекулы, есть различия. Около 85% растений используют С3-фотосинтез. С4-растения используют немного другой тип, который производит 4-углеродное соединение на первом этапе (отсюда и название "С4"). С4-растения теряют меньше CO₂ и воды в атмосферу во время фотосинтеза, чем С3-растения, поэтому они могут вытеснять последние в жарких и засушливых местах. К С4-растениям относятся важные продовольственные культуры: кукуруза, сахарный тростник, сорго и просо. Они также доминируют в субтропических и тропических лугах, таких как африканская саванна.

Когда они появились и распространились?

Учёные считают, что С4-фотосинтез эволюционировал около 35 миллионов лет назад, но широкое распространение С4-растений произошло гораздо позже — между 10 и 6 миллионами лет назад. С4-фотосинтез требует больше энергии, чем традиционный С3-тип, но фиксирует углерод эффективнее. Это важное преимущество в условиях низкого уровня CO₂, высокой температуры и интенсивного освещения. За последние 50 миллионов лет Земля переходила от высокого к низкому уровню атмосферного CO₂. С3-растениям в жарких условиях становилось труднее расти, поскольку CO₂ становилось меньше. Это открыло возможность для С4-растений.

Как С4-растения повлияли на эволюцию человека?

С4-травянистые экосистемы уже существовали, когда появились самые ранние гоминины (около 7 миллионов лет назад). Эволюция человека происходила в период, когда многие территории переходили от лесов и редколесий с доминированием С3 к более открытым ландшафтам с доминированием С4. К моменту появления гомининов многие крупные млекопитающие (лошади, слоны, носороги) уже имели диету из С4-растений. Большинство наших предков-гоминин включали в свой рацион некоторое количество С4-растений или пищи на их основе (например, мясо травоядных). Точная связь с эволюцией человека всё ещё изучается.

Как проводилось исследование?

Учёные проанализировали геохимические окаменелости — воски растительных листьев, сохранившиеся в океанических осадочных кернах у побережья западного Сахеля, экваториальной Западной и Восточной Африки за последние 25 миллионов лет. Используя опубликованные данные о температуре морской поверхности и новые данные о пылевых потоках, они обнаружили, что рост доли С4-растений в северной Африке совпадает с резким похолоданием в высоких широтах и увеличением температурного градиента между полюсом и экватором.

Исследователи предполагают, что атмосферный CO₂ снизился ниже критического порога 10 миллионов лет назад, позволив С4-растениям получить конкурентное преимущество и распространиться за счёт С3-растений. Это означает, что режимы осадков и температуры в Африке уже были близки к этому критическому порогу, когда CO₂ пересёк его.

Каковы последствия современного роста CO₂?

Рост концентрации углекислого газа из-за антропогенных выбросов происходит гораздо быстрее, чем что-либо в геологической летописи. Теоретически, повышение уровня CO₂ уменьшит биохимические преимущества С4-фотосинтеза перед С3, что приведёт к уменьшению биомассы С4-растений.

Согласно последнему отчёту МГЭИК, увеличение концентрации CO₂ примерно до 600 частей на миллион (что может быть превышено к концу века) усилит фотосинтез, особенно в пользу С3-растений, и повысит эффективность использования воды растениями. Однако эти улучшения будут уменьшаться по мере дальнейшего роста CO₂.

Даже если растения будут фотосинтезировать быстрее при увеличении CO₂, многие важные пищевые культуры (пшеница, рис, кукуруза) могут иметь более низкое питательное качество при более высоких уровнях CO₂ и температуры. Это повлияет на здоровье человека и глобальную продовольственную безопасность.