Международные экологи провели исследование и установили, что растения могут усваивать минеральные вещества непосредственно из атмосферной пыли, не используя корневую систему. На поверхности листьев вырабатываются органические кислоты, которые растворяют твердые частицы, обеспечивая поступление железа, фосфора и меди внутрь растения. Согласно результатам математического моделирования, данный способ получения питательных веществ может удовлетворять до 17% потребности растений в тропических и засушливых экосистемах.
В классической ботанике почва представляется как основной источник минеральных веществ для наземных растений. Атмосферные осадки, содержащие пыль, удобряют океаны, однако на суше их вклад долгое время рассматривался как крайне незначительный и связанный с очень медленным, тысячелетним накоплением питательных веществ в почве. Поглощение веществ через листья у диких растений оставалось малоизученным, поскольку ученыям-биологам было трудно отделить недавние отложения пыли от уже существующих почвенных ресурсов.
Авторы исследования, опубликованного в журнале New Phytologist, в Иудейских горах (Израиль) был проведен трехмесячный полевой эксперимент. Ученые установили защитные барьеры вокруг трех видов местных кустарников и воспроизвели условия пыльных бурь. В качестве удобрения использовали вулканическую пыль, собранную со склонов горы Этна. Данная пыль характеризуется уникальным соотношением редкоземельных элементов (лантаноидов), которое существенно отличается от состава местной почвы, что позволяет использовать ее как химический индикатор. Одному из вариантов эксперимента пыль наносили на листья растений, другому – добавляли в почву под корень. По истечении трех месяцев биологи удалили остатки пыли, подвергли ткани побегов и корней воздействию кислоты и определили концентрацию металлов с помощью масс-спектрометра.
Используя данные, полученные в ходе полевых исследований, был определен коэффициент усвоения – конкретное соотношение минералов, которое лист способен поглотить из отдельной частицы пыли. После этого ученые расширили этот показатель на глобальный масштаб, применив геопространственное моделирование. Для этого они объединили спутниковые модели перемещения пыли в атмосфере из пустынных регионов, базы данных, содержащие информацию о химическом составе этой пыли, и глобальные карты, отображающие степень истощения почв. Компьютерный алгоритм, перемножив эти факторы, определил, какая часть питательных веществ поступает в леса по воздуху по всему миру.
Полевые испытания подтвердили, что поглощение питательных веществ происходит непосредственно через листья. У кустов, подвергшихся воздействию пыли на крону, содержание железа в побегах увеличилось в четыре раза, никеля – в 3,3 раза, а концентрация марганца и меди возросла в полтора-два раза. Растения, получавшие подкормку через корни, не продемонстрировали значительных изменений в показателях.
Результаты анализа смывов свидетельствуют о том, что листья функционируют как химический реактор, поскольку их поверхность покрыта яблочной и лимонной кислотами (pH составляет около шести). Такая среда способствует эффективному растворению минералов, в то время как в местной щелочной почве (pH 7,85) эти же элементы образуют нерастворимый осадок и перестают быть доступными для корневой системы. Совпадение редкоземельных маркеров в побегах с химическим составом сицилийского вулкана окончательно подтвердило воздушный путь происхождения металлов.
Благодаря глобальной модели стало ясно, насколько важен этот механизм для экосистем, расположенных на бедных почвах. В тропических лесах Восточной Амазонии, где почвы истощены из-за обильных осадков, деревья получают до 12% необходимой им годовой нормы фосфора из атмосферы — трансатлантический ветер, дующий из Сахары, приносит пыль. На западе США листья поглощают из воздуха до 17% необходимого железа. А в Средиземноморье в периоды сильных пыльных бурь поступление питательных веществ по воздуху превышает поглощение корнями в десятки раз.
Листовое поглощение обеспечивает растениям возможность получения необходимых элементов питания до того, как они станут недоступными из-за защемления в скальных породах. Учитывая, что изменение климата увеличивает размеры засушливых территорий и изменяет преобладающие направления ветров, атмосферная пыль приобретает все большее значение для сохранения экосистем. Исследователи обращают внимание на то, что современные климатические модели должны рассматривать кроны деревьев не только как поглотители углекислого газа, но и как действенные фильтры для захвата минеральных веществ.