Древняя пыльца показала, как менялась природа после ледникового периода

Луга занимают около 40% суши, однако их эволюционную историю до сих пор трудно восстановить. Международная группа исследователей показала, что ископаемая пыльца злаков содержит гораздо больше сведений, чем считалось ранее. Ученые проследили изменения травяных экосистем за последние 25 000 лет. Работа опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Открытые травянистые экосистемы сравнительно молоды по геологическим меркам. Луговые травы появились в эоцене примерно 40 млн лет назад. Позднее именно травы стали одними из первых одомашненных растений — около 12 000 лет назад. Сегодня к ним относятся ключевые продовольственные культуры: пшеница, рис, кукуруза, ячмень, сорго и просо. Ранее ученые опровергли миф о доисторических лесах Европы.

Проблема для палеоботаников заключается в том, что пыльца трав очень распространена в древних отложениях, но при обычном световом микроскопе зерна разных видов выглядят почти неразличимыми. При этом в одном кубическом сантиметре осадка могут находиться тысячи или даже миллионы пыльцевых окаменелостей. До появления алгоритмов возможности анализа ограничивались тем, что способен заметить человеческий глаз.

Микроскопия и машинное обучение

Биологи применили сверхразрешающую микроскопию: лазер последовательно освещает отдельные точки образца, а алгоритмы собирают рассеянный свет и вычисляют его источник. Такой подход дает изображение, близкое по качеству к электронной микроскопии, но существенно быстрее и проще. Исследователи из США изучили 1241 современное пыльцевое зерно, относящееся к 60 видам трав, а также использовала ископаемую пыльцу при обучении моделей. На поверхности зерен нашлись тонкие различия — в рисунке, сложности этого рисунка и толщине клеточной стенки. Их оказалось достаточно, чтобы компьютеры могли отличать группы пыльцы, которые прежде считались практически одинаковыми.

Полигоном исследований стало озеро Рутунду на склоне горы Кения, расположенное на высоте 3078 метров. Его донные отложения сохранили около 25 000 лет истории пыльцы. Ученые исследовали 24 ископаемых образца, получив изображения примерно 50 зерен из каждого.

Анализ показал, что разнообразие трав было заметно ниже в последнюю ледниковую эпоху, особенно между 21 и 18 тысячами лет назад — вблизи последнего ледникового максимума, наиболее холодной и суровой фазы этого периода. На протяжении всей записи особенно низкие показатели наблюдались примерно от 21,5 до 16 тысяч лет назад. В наиболее холодное время высокогорные районы горы Кения были на 7-8 градусов°C холоднее нынешних.

Сдвиг поясов

Авторы предполагают, что похолодание сдвигало растительные пояса вниз по склону. Более богатые травяные сообщества у озера Рутунду, вероятно, сменялись менее разнообразными альпийскими лугами. После окончания ледниковой эпохи разнообразие выросло и оставалось относительно высоким большую часть последующего времени. Некоторые показатели увеличивались вместе с температурой и концентрацией атмосферного углекислого газа, но это совпадение само по себе не доказывает причинной связи. Связь с пожарами оказалась слабее, а с количеством осадков ясной зависимости не обнаружили.

C3- и C4-травы

Модели также научились различать травы с C3- и C4-фотосинтезом. C4-растения эффективнее используют воду и лучше переносят низкие концентрации углекислого газа. Классификатор достиг средней точности 91,1% на современной пыльце. Пыльца C3-трав в среднем отличалась более толстой внешней стенкой и сложной поверхностной структурой, хотя часть различий может быть связана с общим происхождением видов.

Доля C4-трав в ископаемом сообществе колебалась от 22% до 68%. Вблизи последнего ледникового максимума она была выше, а после примерно 15–13 тысяч лет назад стала постепенно снижаться. По мере потепления и роста содержания CO2 C3-травы начали преобладать. Однако статистически четкой связи доли C4-трав отдельно с температурой или уровнем углекислого газа ученые не нашли, поэтому говорить о прямой причине этой перестройки пока нельзя.