trzy lata po najgorszej suszy w historii, rolnicy w Kalifornii podjęli działania, aby poradzić sobie z brakiem wody. Niektórzy rolnicy wywiercili nowe studnie głęboko pod ziemią. Inni opuszczają ugorowane pola, czekając na suszę, aż znów będzie wystarczająco dużo wody, by zasiać swoje plony. Jeszcze inni rolnicy przenieśli się do bardziej zielonych, bardziej wilgotnych miejsc.
gdy przyroda nie zapewnia wystarczającej ilości wody, rolnicy wykorzystują swoje mózgi, mięśnie i mnóstwo technologii, aby znaleźć rozwiązania. Choć te rozwiązania mogą wydawać się sprytne, niewiele z nich jest tak naprawdę nowością. Wiele roślin pustynnych opiera się na podobnych strategiach, aby pokonać suszę – i robią to od tysięcy, jeśli nie milionów lat.
nauczyciele i rodzice, Zapisz się do ściągawki
cotygodniowe aktualizacje, które pomogą Ci korzystać z wiadomości naukowych dla uczniów w środowisku edukacyjnym
na pustyniach południowo-zachodnich Stanów Zjednoczonych i północnego Meksyku rodzime rośliny wymyśliły niesamowite sztuczki, aby przetrwać, a nawet prosperować. Niewiarygodnie, rośliny te rutynowo radzą sobie z karkołomnie suchymi warunkami. Tutaj rośliny mogą przetrwać rok, nie widząc ani kropli deszczu.
to, jak sobie radzą, zainteresowało naukowców. Badacze ci odkrywają wszelkiego rodzaju strategie wykorzystywane przez rośliny pustynne do przetrwania i rozmnażania. Na przykład drzewo mesquite liczy na znalezienie lepszych warunków gdzie indziej. Zamiast poruszać się — czego nie może zrobić sam — ta roślina polega na zwierzętach, które jedzą nasiona, a następnie rozpraszają je odchodami. Tymczasem krzew kreozotu współpracuje z drobnoustrojami w glebie. Te drobnoustroje pomagają mu przetrwać prawdziwy stres życia w uporczywie gorącym i suchym klimacie. A wiele polnych kwiatów uprawia swoje nasiona w sposób, który może pomóc im przetrwać — i wypędzić-nawet najgorszą suszę.
kopanie głębin w poszukiwaniu wody
, oraz w północnym Meksyku. Letnie temperatury w ciągu dnia często przekraczają 40 ° Celsjusza (104 ° Fahrenheita). Pustynia ochładza się zimą. Temperatury w nocy mogą teraz spaść poniżej zera. Pustynia jest sucha przez większość roku, z porami deszczowymi latem i zimą. Ale nawet kiedy pada deszcz, pustynia nie dostaje zbyt wiele wody. Jednym ze sposobów przystosowania się tych roślin jest wyhodowanie bardzo głębokich korzeni. Korzenie te sięgają do źródeł wód gruntowych znacznie poniżej powierzchni gleby.
mesquite aksamitny (Prosopis velutina) jest pospolitym krzewem na Pustyni Sonora. Jego korzenie mogą spaść na ponad 50 metrów (164 stopy). Jest wyższy niż 11-piętrowy budynek. Może to pomóc ugasić pragnienie w pełni uprawianego mesquite, krzewu związanego z fasolą. Ale sadzonki muszą znaleźć inne rozwiązanie, gdy zaczną kiełkować.
zanim ziarno może zapuścić korzenie, musi wylądować w dobrym miejscu do wzrostu. Ponieważ nasiona nie mogą chodzić, polegają na innych metodach rozprzestrzeniania się. Jednym ze sposobów jest jazda na wiatrach. Mesquite ma inne podejście.
każda z tych roślin produkuje setki, a nawet tysiące, nasion. Strąki wyglądają jak fasola szparagowa, ale smakują słodko. Są też bardzo pożywne. Zwierzęta (w tym ludzie) mogą jeść suszone strąki mesquite. Jednak same nasiona, które rosną wewnątrz słodkich strąków, są twarde jak skała. Kiedy zwierzęta jedzą strąki, twarda powłoka nasion pozwala wielu z nich uniknąć zgniecenia przez żucie. Twarde nasiona przechodzą przez jelita. W końcu wychodzą z drugiej strony, w kupie. Ponieważ zwierzęta są często w ruchu, mogą zrzucać nasiona na całą pustynię.
zjedzenie pomaga też mesquite w drugi sposób. Twarda powłoka na nasionach utrudnia również dostanie się do nich wody. I to jest potrzebne do kiełkowania nasion. Ale kiedy jakieś zwierzę zjada STRĄCZEK, soki trawienne w jelitach rozkładają sierść nasion. Kiedy te nasiona w końcu zostaną wydalone z kałem zwierzęcia, będą w końcu gotowe do wzrostu.
oczywiście, aby dobrze rosnąć, każde ziarno mesquite nadal musi wylądować w dobrym miejscu. Mesquite zwykle najlepiej rośnie w pobliżu strumieni lub arroyos. Arroyos to suche potoki, które wypełniają się wodą przez krótki czas po deszczu. Jeśli zwierzę idzie do strumienia na drinka, a następnie robi swoje interesy w pobliżu, Mesquite seed ma szczęście. Odchody zwierzęcia dostarczają również każdemu nasionowi małego opakowania nawozu, gdy zacznie rosnąć.
zakorzenienie
gdy zwierzę rozrzuca nasiona mesquite na pustyni, nasiona nie kiełkują od razu. Zamiast tego czekają na deszcze-czasami przez dziesięciolecia. Gdy spadnie wystarczająco dużo deszczu, nasiona wykiełkują. Teraz zmierzą się z czasem. Nasiona te muszą szybko spuścić głębokie korzenie, zanim woda wyschnie.
Steven R. Archer bada, jak to działa. Jest ekologiem na University of Arizona w Tucson. Leży w sercu pustyni Sonorańskiej. „Badam systemy ekologiczne, co oznacza rośliny i zwierzęta, glebę i klimat oraz sposób, w jaki wszystkie one oddziałują ze sobą”, wyjaśnia.
na Pustyni Sonora nie ma długich, długotrwałych, lących deszczy-zauważa. Większość opadów pada w krótkich małych seriach. Każdy z nich może dostarczyć wystarczającą ilość wody do zwilżenia górnego cala (2,5 centymetra) gleby. „Ale w pewnych porach roku, „Archer zauważa,” mamy sporo tych impulsów wody.”Impuls to krótki wybuch deszczu. Może trwać od kilku minut do godziny.
Archer i jego zespół chcieli zobaczyć, jak dwa gatunki roślin reagują na te impulsy. Specjaliści pracowali z mesquite aksamit i pokrewny krzew, koci pazur akacji (Acacia greggii). W testach naukowcy oblali nasiona różną ilością wody. Dostarczali go w różnej liczbie impulsów. Później zmierzyli, jak szybko nasiona kiełkowały i wyrosły korzenie.
burza, która spada o 2 centymetry (0.8 cali) deszczu dostarcza więcej niż wystarczającą ilość wody do kiełkowania nasion krzewu mesquite lub akacji. Tak duży deszcz może utrzymać 2,5 cm gleby mokrej przez 20 dni.Ten okres ma kluczowe znaczenie. Każda sadzonka „musi uzyskać wystarczająco głęboki korzeń przez pierwsze kilka tygodni po wykiełkowaniu, aby przetrwać długi okres suchości, który nieuchronnie nadejdzie”, wyjaśnia Archer. Na Pustyni Sonora jedna czwarta wszystkich bylin-roślin, które żyją przez wiele lat-umiera w ciągu pierwszych 20 dni po kiełkowaniu.
w szklarni naukowcy zasadzili nasiona aksamitnego mesquitu i akacji kociego pazura. Następnie moczyli je od 5,5 do 10 centymetrów (2,2 do 3,9 cala) wody przez 16 lub 17 dni. Pod koniec eksperymentu naukowcy zmierzyli wzrost roślin.
nasiona Mesquite kiełkują szybko. Kiełkują średnio po 4,3 dniach. Natomiast nasiona akacji zajęły 7,3 dnia. Mesquite również wyrosły głębsze korzenie. W przypadku roślin, które otrzymały najwięcej wody, korzenie mesquite urosły do średniej głębokości 34,8 centymetrów (13,7 cala), w porównaniu do zaledwie 29.5 centymetrów dla akacji. U obu gatunków korzenie rosły dłużej z każdym dodatkowym 1 centymetrem wody, którą otrzymały rośliny. Akacja rosła bardziej nad ziemią; mesquite włożył większość swojej energii w wyhodowanie głębokiego korzenia tak szybko, jak to możliwe.
bardzo szybki wzrost głębokiego korzenia pomaga zapewnić przetrwanie mesquite. W jednym z badań oceniano inny rodzaj, mesquite miodowy („P. glandulosa”). Większość młodych roślin tego gatunku, które przetrwały pierwsze dwa tygodnie po kiełkowaniu, przetrwała co najmniej dwa lata. Badanie to zostało opublikowane 27 stycznia 2014 roku w PLOS ONE.
bakterie przyjazne dla roślin
Inna pospolita roślina Pustynna-krzew kreozotu — przyjęła inną strategię przetrwania. W ogóle nie opiera się na głębokich korzeniach. Mimo to roślina jest prawdziwym pustynnym ocalałym. Najstarszy krzew kreozotu, roślina w Kalifornii zwana klonem Królewskim, szacuje się na 11 700 lat. Jest tak stary, że kiedy po raz pierwszy wykiełkował, ludzie dopiero uczyli się jak uprawiać ziemię. Jest znacznie starszy niż piramidy starożytnego Egiptu.
znana również jako Larrea tridentata, roślina ta jest niezwykle powszechna na dużych obszarach pustyni Sonoran i Mojave (moh-HAA-vee). (Mojave leży na północ od Sonoran i obejmuje części Kalifornii, Arizony, Nevady i Utah.) Krzew kreozotowy małe, oleiste liście mają silny zapach. Dotknięcie ich pozostawi lepkie ręce. Podobnie jak mesquite, kreozot produkuje nasiona, które mogą wyrosnąć na nowe rośliny. Ale roślina ta polega również na drugim sposobie utrzymania gatunku: klonuje się.
klonowanie może brzmieć jak coś z filmu Gwiezdne Wojny, ale wiele roślin może się w ten sposób rozmnażać. Częstym przykładem jest ziemniak. Ziemniak można pokroić na kawałki i posadzić. Tak długo, jak każdy kawałek zawiera wgniecenie zwane „okiem”, nowa roślina ziemniaka powinna rosnąć. Będzie produkować młode ziemniaki, które są genetycznie takie same jak ziemniaki macierzyste.
po tym, jak nowa roślina kreozotu żyje około 90 lat, zaczyna się klonować. W przeciwieństwie do ziemniaka, krzewy kreozotu wyrastają z Koron nowe gałęzie-część rośliny, w której ich korzenie spotykają się z pniem. Te nowe gałęzie następnie rozwijać własne korzenie. Te korzenie zakotwiczają nowe gałęzie 0,9 do 4,6 metra (3 do 15 stóp) w glebie. W końcu starsze części rośliny umierają. Nowy wzrost, teraz zakotwiczony własnymi korzeniami, żyje dalej.
gdy roślina dojrzewa, tworzy duże, nieregularne koło. W centrum stare i martwe części zgnilizny roślin kreozotowych. Nowe klony rosną i zakorzeniają się na całym obwodzie.
David Crowley jest mikrobiologiem środowiska na Uniwersytecie Kalifornijskim w Riverside. Bada żywe istoty w środowisku, które są zbyt małe, aby zobaczyć je bez mikroskopu. W 2012 roku chciał się dowiedzieć, jak klon Królewski mógł żyć tak długo z tak płytkimi korzeniami.
ta roślina „znajduje się w obszarze, w którym często nie ma deszczu przez cały rok”, zauważa Crowley. „A jednak ta roślina siedzi tam, żyjąc przez 11 700 lat w najbardziej ekstremalnych warunkach-piaszczystej glebie, bez wody, z niską dostępnością składników odżywczych. Jest bardzo gorąco.”Jego zespół chciał poszukiwać bakterii glebowych, które mogą pomóc w promowaniu wzrostu roślin.
Crowley i jego zespół badają, w jaki sposób bakterie przynoszą korzyści roślinom. Opracowali hipotezę, że wiele różnych bakterii żyje w pobliżu korzeni klona Królewskiego i że pomagają utrzymać przy życiu starożytny krzew kreozotu.
aby się tego dowiedzieć, naukowcy wykopali wokół korzeni Króla klona. Następnie eksperci zidentyfikowali bakterie żyjące w tej glebie. Zrobili to badając DNA zarazków. Większość bakterii to rodzaje, które pomagają roślinom rosnąć na różne sposoby. Część zdrowia rośliny, podsumowuje Crowley, może pochodzić z tych ” szczególnie dobrych mikroorganizmów na jej korzeniach.”
niektóre bakterie wytwarzały hormony wzrostu roślin. Hormon jest substancją chemiczną, która sygnalizuje komórkom, mówiąc im, kiedy i jak się rozwijać, rosnąć i umierać. Inne bakterie w glebie mogą zwalczać zarazki, które powodują choroby roślin. Naukowcy odkryli również bakterie, które zakłócają reakcję rośliny na stres.
słona gleba, ekstremalne upały lub brak wody – wszystko to może stresować roślinę. Kiedy roślina jest zestresowana, może odpowiedzieć, wysyłając sobie komunikat, że ” powinna przestać rosnąć. Powinno się trzymać i próbować przetrwać ” – zauważa Crowley.
rośliny ostrzegają swoje tkanki, wytwarzając gaz etylenowy (ETH-uh-leen). Rośliny wytwarzają ten hormon w dziwny sposób. Najpierw korzenie rośliny tworzą związek chemiczny o nazwie ACC (skrót od kwasu 1-aminocyklopropano-l-karboksylowego). Od korzeni ACC przemieszcza się po roślinie, gdzie zostanie przekształcony w gaz etylenowy. Ale bakterie mogą przerwać ten proces poprzez spożywanie ACC. Kiedy tak się dzieje, roślina nigdy nie dostaje własnego komunikatu, aby przestać rosnąć.
jeśli stres stał się zbyt zły — zbyt mało wody lub bardzo, bardzo wysokie temperatury-ten ciągły wzrost spowodowałby śmierć rośliny. Jeśli jednak stres jest wystarczająco mały, roślina przetrwa dobrze-dowiedziała się ekipa Crowleya. Swoje wyniki opublikował w czasopiśmie Microbial Ecology.
Mesquite i kreozot są bylinami. Oznacza to, że krzewy te żyją przez wiele lat. Inne rośliny pustynne, w tym wiele kwiatów polnych, są jednoroczne. Rośliny te żyją jeden rok. To pozostawia im tylko jedną szansę na wyprodukowanie nasion przed śmiercią.
teraz wyobraź sobie, że każde z tych nasion kiełkuje po burzy. Gdyby nastąpiła susza i wszystkie małe sadzonki padły, roślina nie mogłaby się rozmnażać. W rzeczy samej, gdyby tak się stało każdej roślinie tego rodzaju, jej gatunek wyginąłby.
na szczęście dla niektórych polnych kwiatów tak się nie dzieje-zauważa Jennifer Gremer. Jest ekologiem z U. S. Geological Survey. Wcześniej, podczas gdy Gremer pracowała na University of Arizona w Tucson, badała, jak nasiona dzikich kwiatów unikają dokonywania złych ” wyborów.”Czasami ludzie, którzy obstawiają zakłady, stosują tę samą strategię. W przypadku roślin strategia nie polega jednak na wygrywaniu pieniędzy. Chodzi o przetrwanie gatunku.
gracze czasami zabezpieczają zakład. To sposób na ograniczenie ryzyka. Na przykład, jeśli postawiłbyś znajomemu 5$, że Kansas City Royals wygra World Series 2014, straciłbyś wszystkie swoje pieniądze. Aby zabezpieczyć swój zakład, mogłeś postawić inny przyjaciel $2, że Royals przegrają World Series. W ten sposób, kiedy Królewscy przegrali, straciłeś 5 dolarów, ale wygrałeś 2. To może jeszcze bolało, ale prawdopodobnie nie tak źle, jak gdybyś stracił wszystkie $5.
polne kwiaty Sonorańskiej pustyni też obstawiają. Zakład, w którym się zabezpieczają, brzmi: „jeśli rośnę w tym roku, mogę wyprodukować więcej nasion przed śmiercią.”
wyobraź sobie, że kwiat pustyni wytwarza 1000 nasion, które wszystkie spadają na ziemię. W pierwszym roku kiełkuje tylko 200 nasion. Taki jest zakład. Pozostałe 800 nasion to jego żywopłot. Kłamią i czekają.
Jeśli ten pierwszy rok jest bardzo deszczowy, 200 nasion może mieć dobry strzał w wyhodowanie kwiatów. Każdy z kolei może produkować więcej nasion. Jeśli rok jest bardzo suchy, jednak wiele, jeśli nie większość, nasion, które kiełkują, umrze. Żadne z tych nasion nie mogło się rozmnażać. Ale dzięki żywopłotowi roślina dostaje drugą szansę. W glebie jest jeszcze 800 nasion, z których każdy może wyrosnąć w przyszłym roku, w następnym roku, a może dekadę później. Zawsze, gdy pada deszcz.
zabezpieczenie ma swoje ryzyko. Ptaki i inne zwierzęta pustynne lubią jeść nasiona. Więc jeśli ziarno siedzi na podłodze pustyni przez wiele lat, zanim wyrosnie, może zostać zjedzone.
Wildflower 'hedge’
Gremer i jej zespół chcieli wiedzieć, w jaki sposób 12 jednorocznych roślin pustynnych zabezpieczyło swoje zakłady. Eksperci ocenili, jaka część nasion kiełkuje każdego roku. Policzyli również, jaki udział nasion nieeksploatowanych przetrwał w glebie. (Na przykład niektóre nasiona zostają zjedzone przez zwierzęta.)
na szczęście inny ekolog z Uniwersytetu Arizony, Lawrence Venable, zbierał dane na temat nasion dzikiego kwiatu przez 30 lat. On i Gremer wykorzystali te dane do nowego badania.
każdego roku Venable pobierał próbki ziemi pustynnej, a następnie liczył nasiona każdego gatunku kwiatów. Reprezentowały one nasiona, które jeszcze nie kiełkowały. Po każdym deszczu jego zespół policzył, ile wyrosło na sadzonki. Venable następnie obserwował sadzonki przez resztę sezonu, aby zobaczyć, czy ustawiają nasiona własne. Gremer wykorzystał te dane do obliczenia, ile nasion wykiełkowało każdego roku i, w końcu, ile z nich ostatecznie produkowało więcej nasion.
podejrzewała, że jeśli gatunek kwiatu pustyni jest bardzo dobry w przetrwaniu, większość jego nasion kiełkuje każdego roku. Jej podejrzenia okazały się słuszne.
wykorzystała matematykę, aby przewidzieć, ile nasion każdej rośliny wykiełkuje każdego roku, gdyby roślina stosowała najlepszą możliwą strategię przetrwania. Następnie porównała swoje domysły do tego, co naprawdę zrobiły rośliny. Dzięki tej metodzie potwierdziła, że rośliny mimo wszystko zabezpieczały swoje zakłady. Niektóre gatunki radziły sobie lepiej niż inne. Ona i Venable opisali swoje odkrycia w marcu 2014 roku w wydaniu Ecology Letters.
Filaree (Erodium texanum) Roślina ta produkuje „duże, pyszne nasiona”, które zwierzęta lubią jeść, wyjaśnia Gremer. Jest również lepszy niż wiele innych jednorocznych pustynnych w przetrwaniu bez dużej ilości wody. Każdego roku kiełkuje około 70 procent wszystkich nasion filaree. W końcu, jeśli smaczne nasiona pozostały w glebie, zwierzęta mogą zjeść większość z nich. Zamiast tego, gdy nasiona kiełkują, mają duże szanse na przetrwanie i rozmnażanie. To żywopłot tej rośliny.
Bardzo mały krewny słonecznika przyjmuje odwrotne podejście w zabezpieczaniu swoich zakładów. Nazywany tytoniem królika (Evax multicaulis), zwierzęta rzadko jedzą jego bardzo małe nasiona, które wyglądają jak ziarna pieprzu. Więc ta roślina może grać, zostawiając swoje nasiona na dnie pustyni. W rzeczywistości każdego roku tylko 10 do 15 procent jego nasion kiełkuje. A kiedy jedna roślina to robi-i przetrwa na pustyni wystarczająco długo, by wyprodukować nasiona-wytwarza bardzo dużo nasion. W rzeczy samej, to sprawia, że o wiele więcej niż filaree robi.
brak wody utrudnia rosnąć roślinom. To jest coś, co rolnicy w Kalifornii widzieli zbyt dobrze przez ostatnie trzy lata suszy. Na pustyniach południowo-zachodnich Stanów Zjednoczonych susza jest stałym elementem życia – jednak tam wiele roślin nadal się rozwija. Rośliny te odnoszą sukces, ponieważ wyewoluowały różne sposoby kiełkowania, wzrostu i rozmnażania.
Word Find (kliknij tutaj aby powiększyć do druku)
