Экспедиция проходила в рамках трехлетнего проекта, поддержанного Российским научным фондом. Главная цель проекта – изучение молекулярно-генетических и физиолого-биохимических механизмов формирования ядровой древесины у сосны обыкновенной – доминирующей в Карелии и одной из основных лесообразующих пород европейской тайги.
Ядровая древесина – это омертвевшая зона в центре ствола дерева. У сосны на спиле она обычно отличается от живой – заболонной – древесины более темным цветом. Благодаря особым экстрактивным веществам, которые окисляясь на воздухе, придают цвет, ядровая древесина устойчива к биодеградации. Поэтому нередко в лесу можно увидеть, как внешняя часть дерева уже разрушилась, а внутренняя еще цела. Заболонная древесина участвует в транспорте воды от корней к кроне, в ядровой древесине происходит закупоривание пор, в связи с чем она не выполняет видимых физиологических функций. Наличие ядровой древесины во многом определяет устойчивость дерева к штормовым ветрам и качество самой древесины: влажность, цвет и прочность.
В центре спила – ядровая древесина (выделена цветом)
Изучение ядровой древесины – молодое направление в мировой науке. Пик работ пришелся на начало 2000-х. Поскольку у сосны ядровая древесина хорошо выражена, ее считают удобным объектом для изучения этого уникального биологического процесса. Основная масса работ посвящена изучению физических и химических характеристик ядровой древесины, анатомических особенностей ее строения. С появлением молекулярно-генетических методов исследования начинается новый этап в изучении закономерностей образования ядровой древесины. Новые методы и опыт работы с этой древесной породой дают возможность Институту леса КарНЦ РАН внести вклад в фундаментальную науку. Результаты проекта имеют и практическое значение: знания о молекулярно-генетических механизмах, регулирующих формирование ядровой древесины, в перспективе можно применять для получения древесины с особыми свойствами.
Кроме того, ученые рассматривают закономерности формирования ядровой древесины в различных климатических условиях – северной и средней подзоне тайги, в разных типах леса, отличающихся влажностью, плодородием почв и их структурой (сосняк черничный – сосняк брусничный – сосняк лишайниковый). Результаты этой работы позволят моделировать, что будет происходить с древесиной сосны в связи с глобальным изменением климата.
Первые результаты проекта уже нашли свое отражение в публикациях в крупных международных научных журналах. В частности, ученые доказали, что скорость образования ядровой древесины сосны обыкновенной обусловлена возрастом дерева (или, точнее, камбия – образовательной ткани) вне зависимости от внешних условий. Для 20–30-летних деревьев она составляет в среднем 0,3 кольца в год, для 70–80-летних – 0,4–0,5, а для 180–летних растений примерно 0,7 кольца в год. Разработана действующая математическая модель для предсказания количества годичных колец в ядровой древесине сосны.
Наталия Галибина и Сергей Мошников выполняют работы на высоте ствола дерева
– Кроме того, мы установили, что зона перехода между заболонной и ядровой древесиной всегда составляет два годичных кольца – независимо от того, в каких лесорастительных условиях произрастает дерево. Именно в этой переходной – транзитной – зоне происходят основные события, приводящие к образованию ядровой древесины: начинается закупорка пор и обезвоживание тканей, в паренхимных клетках синтезируются экстрактивные вещества, разрушается ядро, что приводит к смерти клетки (программируемая клеточная смерть). Для изучения этих процессов мы, в том числе, исследуем ферменты и гены, активность которых повышена, – пояснила Наталия Галибина, руководитель проекта, главный научный сотрудник лаборатории физиологии и цитологии древесных растений Института леса КарНЦ РАН.
Ученые уже идентифицировали в геноме сосны гены, запускающие в клетке программируемую клеточную смерть, и сравнили, как они работают в разных тканях древесины.
Наконец, еще одна важная область, где применимо исследование – изучение запасов углерода в лесных экосистемах. Поглощаемый из атмосферы углерод в результате обменных процессов включается в составе сложных органических соединений в структурные компоненты клеток и в таком виде может долгое время храниться в тканях древесных растений. Основные запасы углерода сосредоточены в древесине. При расчете запасов углерода в лесных экосистемах его содержание в древесине обычно принимается за 40–45%. Карельские ученые показали, что в ядровой древесине по сравнению с заболонной содержание углерода выше – примерно 50%. Предварительные расчеты для сосняка черничного показывают, что у 80-летних растений ядровая древесина уже достигает 45–50%. Также важно учитывать, что благодаря наличию экстрактивных веществ, придающих устойчивость к биодеградации, разложение ядровой древесины при гибели дерева – это более длительный процесс. Таким образом участие ядровой древесины в долговременном депонировании или нейтрализации углерода на сегодняшний день до конца не оценено и требует особого внимания. Дальнейшие исследования могут повлиять на пересмотр роли старовозрастных бореальных лесов в глобальном углеродном балансе.
Фото: Надежда Геникова, Юлия Мощенская / Институт леса КарНЦ РАН
