Годичные кольца предскажут атаку вредителей леса

Предугадать атаку насекомых-вредителей на лесные деревья можно при помощи их годичных колец. К такому выводу пришли исследователи, изучив деревья, пораженные насекомыми, которые поедают хвою и листья. Ученые построили модель, согласно которой динамика изменений ширины годичных колец отражает устойчивость дерева к внешним воздействиям. Оказалось, что деревья с замедленной регуляцией роста в период перед началом вспышки массового размножения вредителей чаще подвергаются нападению насекомых, становясь их первой «жертвой». Исследование поможет разработать инновационные методы по обнаружению первичных очагов повреждений насекомыми-вредителями в лесных массивах. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Forests.

Вспышки массового распространения насекомых-вредителей возникают в Сибири примерно раз в 8–14 лет. Насекомые наносят лесам серьезный ущерб: поедая ствол, листья или хвою, они травмируют деревья, из-за чего те начинают высыхать и медленнее растут. При этом на пике своей активности насекомые могут повредить сотни тысяч гектаров леса. Поэтому для специалистов по охране леса важно научиться обнаруживать места, где вредители начинают атаковать деревья, чтобы предотвратить распространение эпидемии.

Определить, как именно насекомые выбирают первую цель для нападения, довольно сложно. Ведь для этого нужно знать отличительные черты деревьев, которые привлекают вредителей. Выявить их можно, «заглянув в прошлое» деревьев и оценив их состояние до момента атаки. В этом могут помочь годичные кольца — слои прироста древесины, которые образуются каждый год в период активного роста. Они служат своего рода древесной памятью, которая отражает изменения в состоянии дерева в течение всей его жизни.

Специалисты из Института леса имени В. Н. Сукачёва СО РАН (Красноярск), проанализировали динамику изменений ширин годичных колец 214 деревьев, как поврежденных, так и не поврежденных насекомыми-вредителями в разное время с 1976 по 2021 год.

В своей работе авторы изучили воздействие трех видов насекомых, распространенных в разных частях Сибири. В Новосибирской области ученые проследили влияние непарного шелкопряда (Lymantria dispar) на березу, на юге Красноярского края — сибирского шелкопряда (Dendrolimus sibiricus) на пихту сибирскую и сосновой пяденицы (Bupalus piniarius) на сосну.

Ученые исследовали деревья на территориях, не поврежденных насекомыми, и на тех, где наблюдалось массовое размножение вредителей. Для этого биологи с помощью специального инструмента — приростного бурава — вырезали из стволов тонкие образцы цилиндрической формы — керны, — по которым сравнили ширину годичных колец деревьев из различных местообитаний.

Проанализировав различия в образцах, исследователи построили модель, описывающую устойчивость деревьев к нападению вредителей. Для того, чтобы объединить дерево и насекомых в одну систему, авторы применили флуктуационно-диссипационную теорему из квантовой физики. Она позволяет связать отклик системы на воздействие извне, в нашем случае — изменения ширин годичных колец в ответ на атаку вредителей, — с характеристиками динамики ширины годичных колец до этого воздействия.

После нападения насекомых или в иных стрессовых ситуациях рост деревьев временно замедляется, и годичные кольца становятся тоньше. Авторам удалось выяснить, что деревья, не привлекательные для насекомых, регулируют ширину годичных колец при внешних воздействиях часто, почти каждый год, но умеренно. В то время как в зонах будущих вспышек вредителей регуляция роста растений в стрессовых ситуациях нарушена. Ширина годичных колец либо изменяется слишком сильно и часто, либо перемены в росте остаются умеренными, но происходят редко. В зоне максимального риска находятся деревья со слабым и медленным типом регуляции прироста годичных колец.

Ученые предполагают, что деревья такого типа могут привлекать насекомых, выделяя химические вещества, сигнализирующие о медленной системе реагирования и указывающие на уязвимость растения. Эти соединения распознаются вредителями, которые атакуют дерево, формируя первичный очаг заражения.

«В дальнейшем мы планируем использовать методы химического анализа, чтобы изучить вещества, которые выделяют деревья с различными характеристиками ширины годичных колец. Получив данные о химических различиях выделений деревьев разного типа, мы сможем более точно предугадывать области первичных вспышек заражения насекомыми-вредителями. Таким образом мы сможем эффективнее защищать наши леса», — рассказывает Владислав Суховольский, участник проекта, поддержанного грантом РНФ, первый автор статьи, доктор биологических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Института леса имени В. Н. Сукачёва Сибирского отделения РАН.

В исследовании также принимали участие сотрудники Сибирского федерального университета (Красноярск), Красноярского научного центра СО РАН (Красноярск), Института биофизики СО РАН (Красноярск), Института систематики и экологии животных СО РАН (Новосибирск).