Молекулы-зеркала показывают уровень стресса у растений Амазонки во время засухи

Высохшее русло реки Уатума в бразильском тропическом лесу Амазонки, снято в 2024 году. Автор: Sebastian Brill, MPIC

В 2023 году тропические леса Амазонки пережили самую сильную засуху с начала наблюдений. Уровень рек резко упал, а растительность на всех уровнях пострадала из-за сильной жары и нехватки воды. В таких условиях растения выделяют повышенное количество монотерпенов — летучих органических соединений, которые действуют как защитный механизм и помогают общению с окружающей средой. Некоторые молекулы, такие как α-пинен с запахом хвои, существуют в виде пар зеркальных изображений, известных как энантиомеры.

Соотношение этих двух форм заметно меняется, когда растения находятся в стрессе, например, из-за жары или нехватки воды. Исследователи из Института химии Макса Планка изучили, как это соотношение менялось в Амазонке до, во время и после засухи. Их исследование опубликовано в Communications Earth & Environment.

Результаты показывают, что в нормальных условиях стабильно измерялось четкое соотношение, но с усилением засушливого стресса оно смещалось к более высоким значениям. В самой экстремальной фазе засухи обычное соотношение двух вариантов α-пинена даже обратилось. Таким образом, зеркальные молекулы α-пинена могут рассказать, насколько экосистема сейчас находится в стрессе.

«Жара была невыносимой при сборе образцов. Лес явно страдал; его листья желтели, а сухая глинистая почва трескалась», — вспоминает Джованни Пуглиезе, ученый из Института химии Макса Планка.

Проблема 2023 года заключалась в том, что сухой сезон с сентября по октябрь совпал с событием Эль-Ниньо. Это часть глобальной климатической осцилляции ENSO, которая в режиме Эль-Ниньо приносит в бассейн Амазонки крайне низкое количество осадков и высокие температуры.

Влияние ослабления поглощения CO₂ на хиральное соотношение альфа-пинена. Автор: Communications Earth & Environment (2025). DOI: 10.1038/s43247-025-02709-z

Измерения в глубине тропического леса

На измерительной станции Amazon Tall Tower Observatory (ATTO), в 150 километрах к северо-востоку от Манауса, исследователи собирали образцы воздуха на высоте 24 метра непосредственно в пологе леса. Позже в лаборатории в Майнце они определили соотношение двух форм α-пинена с помощью хиральной газовой хроматографии-времяпролетной масс-спектрометрии.

«Сначала мы определили соотношение, в котором два варианта встречаются в нормальных условиях, — объясняет Джозеф Байрон, исследователь из Института химии Макса Планка и первый автор исследования. — Затем мы наблюдали, как это соотношение смещалось во время засушливого сезона, на который повлиял Эль-Ниньо, и медленно возвращалось к норме после этого».

Растения в режиме выживания

«Удивительно, что мы можем прямо из воздуха прочитать, как тропический лес реагирует на текущие условия. В худшую часть засухи, когда соотношение изменилось в полдень, мы поняли, что растительности было достаточно, она прекратила фотосинтез и закрыла поры, чтобы остановить потерю драгоценной грунтовой воды», — поясняет руководитель проекта Джонатан Уильямс.

Ответвление хирального соотношения из зоны низкого стресса в октябре 2023 года, связанное с закрытием устьиц и усилением выбросов из пулов хранения относительно de novo выбросов. Автор: Communications Earth & Environment (2025). DOI: 10.1038/s43247-025-02709-z

Эта работа основана на более раннем экспериментальном исследовании засухи, проведенном в закрытом лесу, выращенном в теплице. Там исследовательская группа Макса Планка показала, что две зеркальные молекулы высвобождаются через разные процессы в растении. В то время как одна форма α-пинена высвобождается сразу после фотосинтеза, зеркальная молекула поступает из запасов внутри растения. Эксперимент в помещении выявил эту взаимосвязь, и теперь это поведение было зафиксировано в реальной экстремальной засухе в тропическом лесу Амазонки.

Тропический лес Амазонки является крупнейшим в мире источником биогенных летучих соединений. Используя соотношение молекул α-пинена, эти выбросы и их изменения в условиях засухи теперь можно более реалистично представить в климатических моделях. Это крайне важно, поскольку исследователи ожидают более частые и интенсивные засухи, связанные с Эль-Ниньо, в будущем.