tre år i den värsta torkan på rekord har bönder i Kalifornien vidtagit åtgärder för att hantera bristen på vatten. Vissa bönder har borrat nya brunnar djupt under marken. Andra lämnar fält träda och väntar på torkan tills det finns tillräckligt med vatten igen för att så sina grödor. Fortfarande andra bönder har flyttat till grönare, våtare platser.
när naturen inte ger tillräckligt med vatten använder bönderna sina hjärnor, muskler och massor av teknik för att hitta lösningar. Så smart som dessa lösningar kan tyckas, få är verkligen så nya. Många ökenväxter är beroende av liknande strategier för att slå torkan — och har gjort det i tusentals om inte miljoner år.
lärare och föräldrar, registrera dig för Fusklappen
Veckovisa uppdateringar för att hjälpa dig att använda vetenskapliga nyheter för studenter i inlärningsmiljön
i öknen i sydvästra USA och norra Mexiko har inhemska växter kommit med fantastiska knep för att överleva och till och med trivas. Otroligt, dessa växter hanterar rutinmässigt straffande torra förhållanden. Här kan växter gå ett år utan att se en droppe regn.
hur de hanterar har väckt forskarnas intresse. Dessa forskare avslöjar alla typer av strategier som används av ökenväxter för att överleva och reproducera. Till exempel räknar Mesquite-trädet med att hitta bättre förhållanden någon annanstans. I stället för att flytta-vilket det inte kan göra på egen hand-är denna växt beroende av djur för att äta sina frön och sedan sprida dem med avföring. Under tiden samarbetar kreosotbusken med mikrober i jorden. Dessa mikrober hjälper den att överleva den mycket verkliga stressen att leva i ett ihållande varmt och torrt klimat. Och många vildblommor spelar med sina frön på ett sätt som kan hjälpa dem att överleva — och outfox — även den värsta torkan.
gräva djupt för vatten
Sonoraöknen ligger i Arizona, Kalifornien. och norra Mexiko. Dagtid sommartemperaturer ofta topp 40 msk Celsius (104 msk Fahrenheit). Öknen svalnar på vintern. Temperaturen på natten kan nu falla under fryspunkten. Öknen är torr större delen av året, med regniga årstider på sommaren och vintern. Men även när regnet kommer, får öknen inte mycket vatten. Så ett sätt som dessa växter har anpassat är att växa mycket djupa rötter. Dessa rötter knackar in i källor till grundvatten långt under markens yta.
Velvet mesquite (Prosopis velutina) är en vanlig buske i Sonoraöknen. Dess rötter kan dyka ner mer än 50 meter (164 fot). Det är högre än en 11-vånings byggnad. Detta kan hjälpa till att släcka törsten hos en fullvuxen mesquite, en buske relaterad till bönor. Men plantor måste hitta en annan lösning när de börjar gro.
innan ett frö kan slå rot måste det landa på ett bra ställe att växa. Eftersom frön inte kan gå, litar de på andra metoder för att sprida sig. Ett sätt är att rida vindarna. Mesquite tar ett annat tillvägagångssätt.
Var och en av dessa växter producerar hundratals — till och med tusentals — fröpoder. Bälgen ser mycket ut som gröna bönor men smakar söt Söt. De är också väldigt näringsrika. Djur (inklusive människor) kan äta torkade mesquite pods. Fröna själva, som växer inuti de söta böterna, är dock stenhårda. När djur äter böterna tillåter fröns hårda beläggning att många av dem undviker att krossas genom att tugga. De hårda frön färdas hela vägen genom tarmen. Så småningom kommer de ut på andra sidan, i bajs. Eftersom djur ofta är på resande fot kan de kasta frön över hela öknen.
att bli ätit hjälper mesquite på ett andra sätt också. Den hårda beläggningen på dess frön gör det också svårt för vatten att komma in i dem. Och det behövs för att ett frö ska spira. Men när något djur äter en pod, bryter matsmältningsjuicer i tarmen nu ner fröns päls. När dessa frön slutligen utsöndras i djurets avföring kommer de äntligen att vara redo att växa.
naturligtvis, för att växa bra, måste varje mesquite frö fortfarande landa på en bra plats. Mesquite växer vanligtvis bäst nära strömmar eller arroyos. Arroyos är torra bäckar som fylls med vatten en kort stund efter regnet. Om ett djur går till strömmen för att ta en drink och sedan gör sin verksamhet i närheten, har mesquite-fröet tur. Djurets avföring ger också varje frö ett litet paket gödselmedel för när det börjar växa.
slå rot
efter ett djur sprider mesquite frön över öknen, fröna inte gro direkt. Istället ligger de i väntan på regn-ibland i årtionden. När tillräckligt med regn faller kommer fröna att gro. Nu står de inför ett lopp mot klockan. Dessa frön måste snabbt skicka ner djupa rötter innan vattnet torkar upp.
Steven R. Archer studerar hur detta fungerar. Han är ekolog vid University of Arizona i Tucson. Det är i hjärtat av Sonoraöknen. ”Jag studerar ekologiska system, vilket betyder växterna och djuren och marken och klimatet och hur de alla interagerar med varandra”, förklarar han.
Sonoraöknen får inte långa, ihållande drenching regn, konstaterar han. De flesta regn faller i korta små skurar. Varje kan leverera precis tillräckligt med vatten för att väta den övre tum (2,5 centimeter) av jord. ”Men under vissa tider på året, ”konstaterar Archer,” får vi en hel del av dessa pulser av vatten.”En puls är en kort regnskur. Det kan vara allt från några minuter till en timme.
Archer och hans team ville se hur två växtarter svarar på dessa pulser. Experterna arbetade med velvet mesquite och en relaterad buske, cat ’ s claw acacia (Acacia greggii). I tester doused forskarna frön med varierande mängder vatten. De levererade det i varierande antal pulser. Senare mätte de hur snabbt fröna grodde och växte rötter.
en storm som sjunker 2 centimeter (0.8 tum) av regn ger mer än tillräckligt med vatten för frön av en mesquite eller akacia buske att gro. Så mycket regn kan hålla de översta 2,5 centimeterna av jorden våt i 20 dagar.Den perioden är avgörande. Varje planta ”måste få en rot tillräckligt djup de första veckorna efter att den groddar för att överleva den långa torra perioden som oundvikligen kommer”, förklarar Archer. I Sonoraöknen dör faktiskt en fjärdedel av alla perenner-växter som lever i många år — de första 20 dagarna efter att de har grott.
inuti ett växthus planterade forskarna frön av velvet mesquite och cat ’ s claw acacia. De blötläggde dem sedan med mellan 5,5 och 10 centimeter (2,2 och 3,9 tum) vatten under 16 eller 17 dagar. I slutet av experimentet mätte forskarna växternas tillväxt.
Mesquite frön grodde snabbt. De grodde i genomsnitt efter 4,3 dagar. Acacia frön tog däremot 7,3 dagar. Mesquite växte också djupare rötter. För de växter som fick mest vatten växte Mesquite-rötterna till ett genomsnittligt djup på 34,8 centimeter (13,7 tum), jämfört med bara 29.5 centimeter för akacia. I båda arterna växte rötterna längre med varje ytterligare 1 centimeter vatten som växterna fick. Acacia växte mer över marken; mesquite satte det mesta av sin energi på att odla en djup rot så fort som möjligt.
att växa en djup rot mycket snabbt hjälper till att säkerställa en mesquites överlevnad. En studie tittade på en annan typ, honey mesquite (P. glandulosa). De flesta unga växter av denna art som överlevde sina första två veckor efter spiring fortsatte att överleva i minst två år. Studien publicerades den 27 januari 2014 i PLOS ONE.
Växtvänliga bakterier
en annan vanlig ökenväxt-kreosotbusken — har antagit en annan överlevnadsstrategi. Det är inte beroende av djupa rötter alls. Ändå är växten en riktig ökenöverlevare. Den äldsta kreosotbusken, en växt i Kalifornien som heter King Clone, beräknas vara 11 700 år gammal. Det är så gammalt att när det först grodde, människor bara lärde sig att odla. Det är mycket äldre än pyramiderna i det antika Egypten.
även känd som Larrea tridentata, är denna växt extremt vanlig i stora områden i Sonoran och Mojave (moh-haa-vee) öknar. (Mojave ligger norr om Sonoran och täcker delar av Kalifornien, Arizona, Nevada och Utah.) Kreosotbuskens små, oljiga löv har en stark lukt. Att röra vid dem kommer att lämna dina händer klibbiga. Liksom mesquite producerar kreosot frön som kan växa till nya växter. Men denna växt förlitar sig också på ett andra sätt att hålla sin art igång: den klonar sig själv.
kloning kan låta som något från en Star Wars-film, men många växter kan reproducera på detta sätt. Ett vanligt exempel är potatisen. En potatis kan skäras i bitar och planteras. Så länge varje bit innehåller en tand som kallas ett ”öga”, bör en ny potatisväxt växa. Det kommer att producera nya potatisar som är genetiskt samma som moderpotatisen.
efter att en ny kreosotväxt lever i cirka 90 år börjar den klona sig själv. Till skillnad från en potatis växer kreosotbuskar nya grenar från sina kronor — den del av växten där deras rötter möter stammen. Dessa nya grenar utvecklar sedan sina egna rötter. Dessa rötter förankrar de nya grenarna 0,9 till 4,6 meter (3 till 15 fot) i jorden. Så småningom dör äldre delar av växten. Den nya tillväxten, nu förankrad av sina egna rötter, lever vidare.
när växten mognar bildar den en stor, oregelbunden cirkel. I mitten ruttnar gamla och döda delar av kreosotväxten. Nya kloner växer och rotar runt omkretsen.
David Crowley är en miljö mikrobiolog vid University of California, Riverside. Han studerar levande saker i miljön som är för små för att se utan mikroskop. År 2012 ville han lära sig hur Kungklonen kunde ha levt så länge med så grunda rötter.
denna anläggning ”ligger i ett område där det ofta inte finns något regn under ett helt år”, påpekar Crowley. ”Och ändå sitter denna växt där ute och överlever i 11 700 år under de mest extrema förhållandena — sandjord, inget vatten, låga näringsämnen tillgängliga. Det är väldigt varmt.”Hans team ville leta efter jordbakterier som kan bidra till att främja växttillväxt.
Crowley och hans team studerar hur bakterier gynnar växter. De utvecklade en hypotes om att många olika bakterier lever nära King Clones rötter och att de hjälper till att hålla den gamla kreosotbusken vid liv.
för att ta reda på, grävde forskarna runt King Clones rötter. Experterna identifierade sedan bakterier som lever i denna jord. De gjorde detta genom att studera bakteriernas DNA. De flesta bakterier var typer som hjälper växter att växa på olika sätt. En del av växtens hälsa, avslutar Crowley nu, kan spåra till de ”särskilt bra mikroorganismerna på sina rötter.”
några av bakterierna producerade växt-tillväxthormoner. Ett hormon är en kemikalie som signalerar celler och berättar för dem när och hur de ska utvecklas, växa och dö. Andra bakterier i jorden kan bekämpa bakterier som gör växter sjuka. Forskarna fann också bakterier som stör en växts svar på stress.
salt jord, extrem värme eller brist på vatten — allt kan stressa en växt. När du är stressad kan en växt svara genom att skicka ett meddelande om att ”det borde sluta växa. Det borde bara hålla på och försöka överleva,” konstaterar Crowley.
växter varnar sina vävnader genom att producera eten (ETH-uh-leen) gas. Växter gör detta hormon på ett konstigt sätt. Först gör en växts rötter en kemikalie som kallas ACC (kort för 1-aminocyklopropan-l-karboxylsyra). Från rötterna reser ACC upp en växt, där den kommer att omvandlas till etylengas. Men bakterier kan avbryta processen genom att konsumera ACC. När det händer får växten aldrig sitt eget budskap att sluta växa.
om stressen blev för dålig — för lite vatten eller mycket, mycket höga temperaturer — skulle denna oavbrutna tillväxt få växten att dö. Men om stressen är tillräckligt liten, överlever växten bara bra, lärde Crowleys team. Den publicerade sina resultat i tidskriften Microbial Ecology.
Spelblommor
Mesquite och kreosot är båda perenner. Det betyder att dessa buskar lever i många år. Andra ökenväxter, inklusive många vildblommor, är ettåriga. Dessa växter lever ett enda år. Det ger dem bara en chans att producera frön innan de dör.
föreställ dig nu om var och en av dessa frön grodde efter en regnstorm. Om en torr stavning följde och alla små plantor dog, skulle växten ha misslyckats med att reproducera. Faktum är att om det hände med varje växt av sitt slag, skulle dess art utrotas.
lyckligtvis för vissa vildblommor, det är inte vad som händer, konstaterar Jennifer Gremer. Hon är ekolog vid U. S. Geological Survey. Tidigare, medan Gremer arbetade vid University of Arizona i Tucson, hon studerade hur vildblommafrön undviker att göra dåliga ”val.”Ibland använder människor som satsar samma strategi. Med växter handlar strategin dock inte om att vinna pengar. Det handlar om överlevnaden av dess art.
spelarna säkrar ibland en satsning. Det är ett sätt att försöka begränsa risken. Om du till exempel hade satsat en vän $5 att Kansas City Royals skulle vinna 2014 World Series, skulle du ha förlorat alla dina pengar. För att säkra din insats kunde du ha satsat en annan vän $2 att Royals skulle förlora World Series. På det sättet, när Royals förlorade, förlorade du $ 5 men vann $2. Det kan fortfarande ha ont, men förmodligen inte så illa som om du hade förlorat alla $5.
vildblommorna i Sonoraöknen säkrar också sina satsningar. Satsningen de säkrar är: ”om jag växer i år kan jag producera fler frön innan jag dör.”
Föreställ dig att en öken vildblomma producerar 1000 frön som alla faller till marken. Det första året gror bara 200 av fröna. Det är vadet. De andra 800 fröna är dess häck. De ljuger bara och väntar.
om det första året är mycket regnigt kan de 200 fröerna ha ett bra skott på att växa till blommor. Varje i sin tur kan producera fler frön. Om året är väldigt torrt kommer dock många, om inte de flesta, av de frön som grodde att dö. Ingen av dessa frön fick då reproducera. Men tack vare häcken får växten en andra chans. Det har fortfarande 800 fler frön i jorden, var och en kan växa nästa år, året efter det eller kanske ett decennium senare. Varje gång regnet kommer.
säkring har sina risker. Fåglar och andra ökendjur gillar att äta frön. Så om ett frö sitter på ökengolvet i många år innan det växer, kan det bli ätit.
wildflower ’hedge’
Gremer och hennes team ville veta hur 12 common desert annuals säkrade sina satsningar. Experterna räknade vilken andel av fröna som grodde varje år. De räknade också vilken andel av ungerminerade frön som överlevde i jorden. (Till exempel blir vissa frön uppätna av djur.)
som tur skulle ha det hade en annan ekolog vid University of Arizona, Lawrence Venable, samlat in data om vildblommafrön i 30 år. Han och Gremer använde dessa data för en ny studie.
varje år skulle Venable prova ökenjord och sedan räkna frön från varje blomart i den. Dessa representerade frön som ännu inte hade grodd. Efter varje regn räknade hans lag hur många som grodde i plantor. Venable skulle då titta på plantorna under resten av säsongen för att se om de sätter egna frön. Gremer använde dessa data för att beräkna hur många frön som grodde varje år och slutligen hur många av dem som slutligen fortsatte att producera fler frön.
hon misstänkte att om en art av ökenblomma är mycket bra på att överleva, skulle de flesta av dess frön gro varje år. Och hennes misstankar visade sig vara korrekta.
hon använde matematik för att förutse hur många frön av varje växt skulle gro varje år om växten använde bästa möjliga strategi för överlevnad. Sedan jämförde hon sina gissningar med vad växterna verkligen gjorde. Med denna metod bekräftade hon att växterna trots allt hade säkrat sina satsningar. Vissa arter klarade sig bättre än andra. Hon och Venable beskrev sina resultat i mars 2014-utgåvan av Ecology Letters.
Filaree (Erodium texanum) säkrade sina satsningar bara lite. Denna växt producerar ”stora, smaskiga frön” som djur gillar att äta, förklarar Gremer. Det är också bättre än många andra ökenårgångar att överleva utan mycket vatten. Varje år gror cirka 70 procent av alla filareefrön. När allt kommer omkring, om de välsmakande frön kvar i jorden, kan djur äta de flesta av dem. Istället, när fröna groddar, har de en god chans att överleva och reproducera. Det är den här växtens häck.
en mycket liten släkting till Solrosen antar motsatt tillvägagångssätt för att säkra sina satsningar. Kallas kanintobak (evax multicaulis), djur äter sällan sina mycket små frön, som ser ut som pepparkorn. Så denna växt kan spela på att lämna sina frön liggande runt ökengolvet. Faktum är att varje år bara 10 till 15 procent av dess frön gror. Och när en växter gör — och överlever i öknen tillräckligt länge för att producera frön — det gör massor av frön. Det gör faktiskt många fler än en filaree gör.
brist på vatten gör det svårt för växter att växa. Det är något som grödodlare i Kalifornien har sett bara för bra under de senaste tre åren av torka. I öknen i sydvästra USA är torka ett permanent inslag i livet — men där trivs många växter fortfarande. Dessa växter lyckas eftersom de har utvecklat olika sätt att gro, växa och reproducera.
Word Find (klicka här för att förstora för utskrift)
