Azolla filiculoides: экологические перспективы и опасности

Один из самых крошечных видов папоротников в мире, Azolla filiculoides, может стать одним из величайших инструментов для снижения уровня загрязнения сельскохозяйственной среды и выбросов парниковых газов.

В июле 2024 года тысячи ботаников собрались в Мадриде на крупнейшей в мире конференции по растениеводству - Международном ботаническом конгрессе. В конце встречи участники сделали срочное заявление. В документе, озаглавленном «Мадридская декларация», предлагается десять стратегических мер по борьбе с деградацией растительного мира, вызванной деятельностью человека.

От борьбы с неравенством в науке о растениях до использования природных ресурсов - призыв учёных направлен на укрепление отношений между растениями, людьми и планетой. В декларации подчёркивается, как растения могут помочь решить насущные экологические, социальные и экономические проблемы, особенно климатический кризис.

Связь одного из растений с климатом началась примерно 50 миллионов лет назад, когда на Земле было слишком тепло для полярных ледяных шапок. Azolla filiculoides, также известная как «водяной папоротник» или «комариный папоротник», - один из самых крошечных видов папоротников в мире.

Каждое растение размером с ноготь - всего один-два сантиметра в поперечнике, а листья у него очень маленькие, размером с мошку. Но, как утверждает Зои Шлангер в своей книге об интеллекте растений «Пожиратели света», вышедшей в 2024 году, «неразумно пренебрегать сложностью из-за размера».

Папоротник покрывает пресную воду чешуйчатыми слоями, которые могут удвоиться в размерах всего за два дня. Однако его удивительная способность к размножению является одновременно и достоинством, и недостатком. Одно и то же растение восхваляется как древний климатический герой и осуждается как современный инвазивный вид.

Пятьдесят миллионов лет назад Azolla filiculoides сыграла ключевую роль в охлаждении планеты. В те времена Северный Ледовитый океан был огромным пресноводным озером, отделённым от других океанов сушей. Подпитываемая большим количеством азота и углекислого газа, Azolla filiculoides распространилась по большой части Северного Ледовитого океана и переползла на соседние континенты.

За период в 800 тысяч лет, известный как «Азолловое событие», этот вид вызвал резкое падение температуры, вытянув из атмосферы примерно 10 триллионов тонн углекислого газа. Это более чем в 250 раз превышает прошлогодний объём глобальных выбросов углекислого газа, связанных с энергетикой.

Сегодня Azolla filiculoides известна тем же характером роста в небольших водоёмах, включая пруды, медленно текущие реки и каналы. Распространённое название «комариный папоротник» растение получило из-за своей склонности образовывать «коврики» на поверхности, которые настолько широки и толсты, что не позволяют комарам добраться до воды, чтобы отложить яйца. 

Как объяснил Генри Кнуте Свенсон в 1944 году, «вся поверхность тихих прудов может быть настолько покрыта крошечными ветвистыми листьями, что комары не попадают на поверхность. Эти цветущие растения блокируют свет и снижают уровень кислорода в воде, находящейся под ними, угрожая выживанию местной водной флоры и фауны».

Лёгкость, с которой Azolla filiculoides переносится лодками, птицами и амфибиями, позволила папоротнику расширить ареал своего обитания по всему миру. Это растение, родом из тёплых умеренных и тропических регионов Америки, было завезено в Европу, Северную Африку и Африку к югу от Сахары, Китай, Японию, Новую Зеландию, Австралию, Карибский бассейн и Гавайи.

В настоящее время Azolla filiculoides считается одним из самых инвазивных растений в Соединённом Королевстве. Она была завезена в Великобританию в конце XIX века как декоративное растение, а в последующие годы быстро распространилась по прудам, каналам и озёрам страны.

«Мешая судоходству, течению воды и рыбной ловле, вызывая гибель рыбы и угрожая водно-болотным заповедникам, толстые плавающие ковры A. filiculoides стали серьёзной проблемой», - пишет биолог Рейчел Джейнс. «Растение также привело к гибели домашнего скота, который принял покрытую папоротником воду за твёрдую землю».

ЮАР столкнулась с подобной проблемой, когда Azolla filiculoides была завезена в 1948 году и к 1990 году заразила более 300 рек и водохранилищ. Для борьбы с этой усугубляющейся проблемой в 1997 году в качестве агента биологического контроля в стране выпустили долгоносика (Stenoplemus rufinasus), жука длиной не более двух миллиметров.

Личинки долгоносика прожорливы и способны съедать несколько водных папоротников в день, не причиняя вреда местным растениям. В течение года долгоносик уничтожил Azolla filiculoides в большинстве мест, и сегодня этот папоротник больше не представляет угрозы для водных экосистем Южной Африки.

Этот вид долгоносиков обитает в Великобритании, но климатические условия снижают его эффективность. По сравнению с Южной Африкой, более холодный климат страны ограничивает развитие, рассеивание и выживание долгоносиков в зимний период.

В середине 2000-х годов Международный центр сельского хозяйства и бионаук начал пополнять натурализованную популяцию долгоносика в Соединённом Королевстве, разводя и собирая этот вид в контролируемых прудах. Каждое лето они выращивают тысячи долгоносиков и отправляют их менеджерам водных ресурсов, борющимся с заражением Azolla filiculoides.

Другие методы предотвращения неконтролируемого распространения папоротника включают ограничение продажи растения в садовых центрах и других торговых точках, повышение осведомлённости общественности о его агрессивной тактике и мониторинг распространения вида.

При тщательном и постоянном контроле в сельском хозяйстве Azolla filiculoides может быть скорее активом, чем вредителем. Способность растения фиксировать азот и устойчивость к насекомым имеют огромное значение для здоровья и выживаемости современных продовольственных систем. Всем живым существам необходим азот для производства биологических строительных блоков, таких как белки.

Поскольку природные запасы фиксированного азота ограничены, фермеры часто вносят в почву азотные удобрения, чтобы повысить урожайность. Но то, что поддерживает ферму, может угрожать другим экосистемам. Избыток азота, который не используется растущими растениями, загрязняет землю, воду и воздух, а также усугубляет изменение климата.

«Нам нужны способы увеличить производство продуктов питания на существующих сельскохозяйственных угодьях и одновременно уменьшить загрязнение азотом», - пишут учёные Дуг Гуриан-Шерман и Ноэль Гурвик. Azolla filiculoides даёт возможность сделать именно это.

Этот вид выработал специальные полости внутри своих листьев, в которых обитают азотфиксирующие цианобактерии. Эти микроорганизмы действуют как «фабрика азотных удобрений», преобразуя атмосферный азот в полезную форму как для папоротника, так и для других соседних растений.

Фермеры в Азии признают сельскохозяйственную ценность Azolla filiculoides уже более 1000 лет. Выращивание папоротника на рисовых полях и внесение его в почву увеличивает урожай риса без использования искусственных азотных удобрений. Самое раннее письменное упоминание об этой практике содержится в китайской книге «Искусство кормить людей», датируемой 540 годом н.э.

Azolla filiculoides также может помочь фермерам отказаться от использования пестицидов, которые связаны с загрязнением окружающей среды и проблемами со здоровьем людей. По сравнению с цветковыми растениями, папоротники редко подвергаются нападению насекомых.

Ген, отвечающий за эту естественную устойчивость к насекомым, был идентифицирован совсем недавно, когда учёные секвенировали геном Azolla filiculoides. Это открытие стало важным шагом на пути к созданию пестицида на основе белка папоротника, который сможет защитить сельскохозяйственные культуры без вредных последствий применения современных промышленных пестицидов.

В условиях всё более частых и суровых погодных явлений, потепления океанов и повышения уровня моря исследователи выясняют, может ли Azolla filiculoides противостоять растущим выбросам парниковых газов и глобальным температурам. Азотфиксирующие способности папоротника и его природная устойчивость к насекомым также открывают путь к более устойчивому сельскому хозяйству.

Тем не менее, нельзя игнорировать риск, который представляет собой чрезмерное разрастание Azolla filiculoides для водных организмов. Оправдает ли папоротник свой потенциал в качестве климатического решения и природного удобрения, зависит от управления.

Усилия по борьбе с папоротником, предпринимаемые Великобританией, успешное управление этим видом в Южной Африке и то, как фермеры в Азии уже более тысячелетия работают с папоротником, а не против него, послужат бесценным примером для дальнейших исследований.

«Мадридская декларация» призывает к «совместным и трансдисциплинарным подходам к исследованию растений, включая знания местного населения и коренных народов, искусство, гуманитарные науки и различные научные подходы».

Гуманитарная инициатива по изучению растений в Думбартон-Оукс работает над достижением этой цели, способствуя пониманию взаимоотношений между растениями и человеком с помощью методов и перспектив как гуманитарных, так и естественных наук.