Конденсация атмосферной влаги на поверхности растений. Самоорошение - борьба с опустыниванием и засухой.

Участники проекта

Прохоров Алексей Анатольевич

Цель и задачи фундаментального исследования

Изучение явления конденсации атмосферной влаги при температуре поверхности растений ниже точки росы, как элемента стратегии экологической адаптации растений к засушливым условиям. 
Выявление и изучение механизмов, способствующих понижению температуры растений.
Поиск и оценка возможности использования генетического потенциала растений, с наиболее низкой температурой поверхности, для повышения засухоустойчивости сельскохозяйственных растений и лесных культур в открытом грунте и снижения затрат на орошение в защищенном грунте.

Предлагаемые методы и подходы (с оценкой степени новизны)

Точное измерение температуры поверхности растений стало возможно с появлением инфракрасных термометров. Мы планируем использовать несколько приборов с разными оптическими характеристиками, а также поверхностные температурные зонды. Контроль климатических параметров в полевых условиях осуществляется как стационарными, так и портативными метеостанциями. В лабораторных условиях планируется использовать ростовую камеру с контролируемым суточным ритмом освещенности, температуры и влажности воздуха.
Подбор объектов исследований, для изучения механизмов охлаждения растений, определяется особенностями физиологии растений. Учет вклада транспирации будет проводиться на CAM-растениях и растениях с известным суточным ритмом транспирации. Учет роли отражения инфракрасного излучения – на сортах декоративных растений с различной пигментацией. 
Поиск генетических ресурсов растений с наиболее низкой температурой поверхности, для селекции засухоустойчивых культур, будет осуществляться в аридных регионах России, а также в коллекциях ботанических садов, включая оранжерейные коллекции.

Общий план работ на весь срок выполнения проекта

2013 г. Формирование гипотезы о конденсации атмосферной влаги на поверхности растений за счет снижения температуры поверхности побегов и листьев ниже точки росы при температуре воздуха выше точки росы, т. е. при отсутствии тумана. 

2014-2016 гг. Экспериментальное подтверждение гипотезы на коллекциях растений оранжерей БС БИН РАН и СБСК. Определение оптимальных климатических условий для конденсации атмосферной влаги на поверхности растений.

2017 г. Изучение явления конденсации атмосферной влаги за счет охлаждения поверхности растений ниже точки росы и механизмов, лежащих в его основе, как одной из стратегий экологической адаптации растений к недостатку влаги. Лабораторные и полевые исследования в Ботаническом саду ПетрГУ.

2018 г. Оценка роли теплоотражающих свойств поверхности растений, транспирации и других факторов определяющих понижение температуры поверхности растений. Оценка суточной и сезонной динамики температуры поверхности растений и количественная оценка конденсации атмосферной влаги. Лабораторные и полевые исследования в Ботаническом саду ПетрГУ.

2019 г. Оценка роли динамики роста растений в понижении температуры поверхности растений. Выявление растений, обладающих наиболее выраженным эффектом снижения температуры поверхности и, как следствие, являющихся активными конденсаторами воды. Оценка данных видов как источников генетического материала для селекции засухоустойчивых сортов культурных растений. Экспедиции в аридных районах России.

Ожидаемые научные результаты (развернутое описание)

После экспериментального подтверждения нашей гипотезы мы приступаем к изучению явления конденсации атмосферной влаги при температуре поверхности растений ниже точки росы, как элемента стратегии экологической адаптации растений к недостатку почвенной влаги. 
Наша задача в первый год выполнения проекта состоит в выявление и изучение механизмов, способствующих понижению температуры растений. В настоящее время рассматривается 5 основных механизмов, способствующих снижению температуры растений: увеличение транспирации и пассивного испарения воды с поверхности растения; тепловое излучение растения; высокая скорость роста растений (за счет интенсивного биосинтеза); увеличение светоотражательной способности листьев растений в инфракрасной области за счет изменения пигментации или структуры поверхности листа; эффект Мпембы, выражающийся в более быстром остывании массивных стеблевых суккулентов, крупных сочных плодов. Все эти механизмы будут поэтапно исследованы и определена их роль в понижении температуры растений. Подбор объектов исследований, для изучения механизмов охлаждения растений, определяется особенностями физиологии и морфологии растений. Учет вклада транспирации будет проводиться на CAM-растениях и растениях с известным суточным ритмом транспирации. Учет роли отражения инфракрасного излучения – на сортах декоративных растений с различной пигментацией. Предположения F. Malik (2015) о связи появления росы на иглах кактусов с тепловым излучением этих растений, а также эффект Мпембы будут изучаться на стеблевых суккулентах в лабораторных условиях и в оранжереях. Охлажденные побеги растений способны формировать зону пониженной температуры воздуха в кроне растений, что приводит к повышению относительной влажности воздуха и даже к формированию тумана. Исследования этого явления планируется провести на коллекции сортов декоративных хвойных растений, обладающих различной плотностью кроны.
Анализ климатических данных показал, что практически во всем диапазоне климатических условий Земли, при положительных температурах воздуха и почвы, т.е. в период вегетации, растения всегда обладают возможностью извлечь атмосферную влагу и перевести ее в жидкое состояние, доступное для употребления. Эти предположения подтверждаются низкими значениями температуры поверхности ряда растений Канарских островов в условиях оранжерей Ботанического сада БИН РАН. 
Роль конденсации атмосферной влаги для выживания отдельных растений определяется количеством конденсата и потребностью растения в воде. Уже предварительные гравиметрические исследования на некоторых почвопокровных растениях показали значительную роль конденсации атмосферной влаги.
Планируется провести детальные гравиметрические исследования растений в лабораторных условиях. В качестве объектов будут использованы стеблевые суккуленты и другие группы растений аридных регионов.

Данная работа имеет большой прикладной потенциал. Полевые исследования в аридных регионах, включая коллекции ботанических садов, позволят выявить растения с наиболее низкой температурой поверхности. Эти виды могут быть в дальнейшем использованы для селекции засухоустойчивых культур. С этой целью важно провести широкие исследования в аридных областях Земли.

Актуальность результатов

Обнаруженное явление конденсации воды на поверхности растений охлажденной ниже точки росы является элементом стратегии адаптации растений к аридным условиям и, возможно, одним из фундаментальных приспособлений, обеспечивших возможность распространения растений на суше. Механизмы, с помощью которого растения могут понизить температуру поверхности, разнообразны и требуют всестороннего изучения. Изучение активной конденсации атмосферной влаги на поверхности растений, позволит осуществлять направленную модификацию и селекцию растений с выраженным эффектом снижения температуры и наименьшей зависимостью от инсоляции. Такие растения могут принести пользу в снижении затрат на орошение сельскохозяйственных культур и в борьбе с опустыниванием земель. 
Только за счет повышения засухоустойчивости растений возможно преодоление потери урожая пшеницы, которые в 2010 и 2012 годах составляли в России до 1/3 от обычного урожая, или 20 млн. тонн, т.е. около 240 миллиардов рублей в ценах 2016 г. Учитывая тенденции изменения климата, можно предположить, что ближайшие годы потери будут возрастать.

Вклад в развитие данной области науки

Проведенные наблюдения подтверждают выдвинутую ранее автором гипотезу об активной конденсации атмосферной влаги на поверхности растений за счет охлаждения листьев и побегов до температуры ниже точки росы. Явление обычно наблюдается при отсутствии прямого солнечного освещения. Накопление конденсата ведет к самоорошению – механизму, способному обеспечить выживание растений при недостатке естественных атмосферных осадков в виде дождя или тумана. Данное явление имеет важное значение для растительных сообществ, а также позволяет отдельным растениям выживать в крайне неблагоприятных условиях аридных экосистем. 
Значение обнаруженного явления конденсации атмосферной влаги за счет охлаждения листьев и побегов растений до температуры ниже точки росы, во многом определяется климатическими параметрами. Сопоставление отклонения значений среднемесячных температур от точки росы в различных регионах мира позволяет утверждать практически повсеместную распространенность явления, за исключением континентальных аридных территорий с низкой относительной влажностью воздуха. Достаточно, чтобы разница между величиной температуры воздуха и точкой росы не превышала 10° C, что типично даже для ряда пустынь, находящихся вблизи побережья. Практически во всем диапазоне климатических условий Земли, при положительных температурах воздуха и почвы, т.е. в период вегетации, растения всегда обладают возможностью извлечь атмосферную влагу и перевести ее в жидкое состояние, доступное для употребления. 
Изучение разнообразия механизмов адаптации растений, способствующих понижению температуры поверхности и усвоению конденсата, позволит в дальнейшем осуществлять интродукцию, генетическую модификацию или селекцию растений с наиболее выраженным эффектом снижения температуры и наименьшей зависимостью от инсоляции. Такие растения могут принести пользу в снижении затрат на орошение сельскохозяйственных культур, и в борьбе с опустыниванием земель.
Исследования, проведённые в Субтропическом ботаническом саду Кубани (Уч-Дере, Сочи), позволяют, в известной мере, объяснить аномально высокую засухоустойчивость Liriope graminifolia Lour. и Ophiopogon japonicus Ker.-Gawl., растений, которые в природных условиях большей частью растут в условиях достаточной влажности. Низкая температура поверхности листьев, позволяет достаточно эффективно конденсировать атмосферную влагу и направлять ее по листовой пластинке к почве. Накопление конденсата ведет к самоорошению – механизму, способному обеспечить выживание растений при недостатке естественных атмосферных осадков в виде дождя или тумана. В сочетании с ксероморфными листьями с толстой кутикулой и толстыми, разветвлёнными корнями с веретеновидными вздутиями–бульбами, позволяющими запасать воду, это делает исследованные растения предельно устойчивыми к такому стресс-фактору, как случающиеся продолжительные летние засухи, сопровождаемые высокими дневными температурами воздуха.

Современное состояние исследований в данной области науки, сравнение ожидаемых результатов с мировым уровнем (провести анализ имеющихся публикаций по тематике проекта)

Известно, что растения обитают в широком диапазоне климатических условий, даже при критическом недостатке доступной воды. При этом реализуются разнообразные стратегии экологической адаптации (Crawford, 2008). Однако среди таких стратегий до сего времени не рассматривалась возможность активной конденсации воды на поверхности растений. 
Конденсация воды в виде росы на поверхности растений рассматривалась как часть естественного охлаждения поверхности растений в ночное время и понижения температуры воздуха до точки росы. Роль этого явления в аридных экосистемах рассматривалась многими авторами (см. обзоры Agam, Berliner в Journal of Arid Environments 65 (2006) 572–590 и Malik et al., в Bioinspir. Biomim. 9 (2014) 031002 (15pp) doi:10.1088/1748-3182/9/3/031002). Одна из первых работ была проведена на растениях пустыни КараКумы (Свешникова, 1972). Значительное внимание уделялось конденсации воды на поверхности атмосферного эпифита Tillandsia usneoides (Virzo De Santo et al., 1976) , однако температура поверхности растения не учитывалась.
Известно, что температура транспирирующих побегов и листьев растений, обычно ниже, чем нетранспирирующих (Lange, Lange, 1963), что рассматривается как один из способов защиты растений от перегрева. Снижение температуры объясняется, преимущественно, транспирацией (Gates, 1968).
В своих работах мы приводим факты, которые вызывают сомнения в корректности традиционного объяснения понижения температуры растений за счет транспирации: значительное число видов растений с обычными типами фотосинтеза в ночной период, при отсутствии транспирации, продолжают сохранять температуру поверхности ниже точки росы; эпифитное бескорневое CAM-растение Tillandsia usneoides днем, при отсутствии транспирации, сохраняет температуру поверхности ниже точки росы.
Известные морфологические приспособления, служащие для сбора воды растениями, косвенно поддерживают нашу точку зрения. Плотные (сомкнутые) листовые розетки, приспособленные для сбора воды, заполняются влагой при полном отсутствии осадков и тумана, лишь за счет конденсации воды на охлажденной поверхности листьев. Известный «эффект лотоса» (Barthlott, Ehler, 1977), заключающийся в не смачивании поверхности листьев ряда видов растений за счет гидрофобных свойств растительных восков, позволяет сконденсированной влаге быстро формировать крупные капли и стекать на землю, зачастую непосредственно к корневой системе. Форма стеблей большинства кактусов и других стеблевых суккулентов позволяет конденсату стекать непосредственно к корням. Для этой группы растений, а также для бахчевых культур, набор механизмов снижения температуры в ночное время может быть дополнен эффектом Мпембы (парадокс, который гласит, что горячая вода и водные растворы (при некоторых условиях) могут замёрзнуть быстрее, чем холодные, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания).
Недавно появились работы (Malik et al., Bioinspiration & Biomimetics 10(3) · June 2015) в которых тепловое излучение рассматривается как основная причина охлаждения растений (в ночное время). Однако и в этом случае процесс охлаждения рассматривается как пассивное явление.

Основные публикации

• Прохоров А.А. Активная конденсация воды растениями // Принципы экологии, № 3, 2013. С. 58-61.x
• Прохоров А.А. Точка росы - неизученный фактор в экологии, физиологии и интродукции растений // Hortus bot., Т. 10, 2015. С. 4-10.
• Карпун Ю.Н., Коннов Н.А., Кувайцев М.В., Прохоров А.А. Активная конденсация атмосферной влаги как механизм самоорошения почвопокровных растений // Hortus bot., Т. 10, 2015. С. 11-17.
• Прохоров А.А. Оптимальные климатические условия для конденсации атмосферной влаги на поверхности растений // Hortus bot., Т. 10, 2015. С. 18-24.
• Прохоров А.А. Возможные механизмы охлаждения поверхности растений // Hortus bot., Т. 11, 2016. С. 34-37.
• Прохоров А.А. О самоорошении растений // Роль ботанических садов и дендрариев в сохранении, изучении и устойчивом использовании разнообразия растительного мира: материалы Международной научной конференции, посвященной 85-летию Центрального ботанического сада Национальной академии наук Беларуси. Минск. 2017. Т. 2. С. 94-97.
• Прохоров А.А. Самоорошение растений и устойчивость дендроколлекций // Hortus bot., Т. 12, прил. II, 2017. С. 664-667.
• Прохоров А.А. Температура поверхности растений и конденсация атмосферной влаги // Ботаника в современном мире. Труды XIV Съезда Русского ботанического общества и конференции «Ботаника в современном мире». Махачкала. 2018. Т. 3. С. 319-321.