Изменение климата угрожает скрытой зимней экосистеме с круглогодичными последствиями
Пищуха выглядывает из своего зимнего убежища под снежным покровом — разнообразной экосистемы, называемой субнивиум.
АНДРЕЙ БЕРЕЗОВСКИЙ/ISTOCK/GETTY IMAGES PLUS
Послушайте эту статью
Это история, написанная человеком и озвученная искусственным интеллектом. Есть отзывы? Примите участие в нашем опросе . (Ознакомьтесь с нашей политикой в области искусственного интеллекта здесь.)
Из—за мягкого, толстого снежного покрова кажется, что движение в мире замедлилось или даже остановилось — по крайней мере, на время. Пушистые снежные покровы поглощают звуки и делают мир тихим и неподвижным. Но глубоко под ними, в углублениях между снегом и землей, жизнь продолжается. Это субнивиум, отдельная крошечная экосистема.
Здесь, под белым покровом, процветают корни, мелкие млекопитающие, микробы, насекомые и даже птицы. Они используют субнивиум, чтобы максимально использовать зимние месяцы — охотиться, размножаться, собирать листья и многое другое. Все эти мероприятия в холодную погоду помогают определить, какие растения и животные будут процветать в бесснежное время года.
Но эта сезонная экосистема находится в опасности. Из-за изменения климата зимы становятся теплее. Большая часть осадков, которые раньше выпадали в виде снега, теперь выпадает с неба в виде дождя. В Северном полушарии с 1979 по 2012 год снежный покров уменьшался на 2,2% за десятилетие. По сравнению с 2016 годом, в 2020 году снежного покрова было на 2,5 дня меньше. Отсутствие снега означает отсутствие субнивиума. И по мере того, как он сокращается, многие организмы могут поплатиться за это.
Ученые выяснили, что их гибель может изменить способ функционирования лесов круглый год, а не только зимой. Несколько групп работают над тем, чтобы понять, что происходит под снегом и как эта экосистема реагирует на потепление в нашем мире.
Содержание
Натуральное иглу
Когда выпадает снег, он может скапливаться слоями, которые сжимаются под собственным весом, образуя снежный покров. Как только снежный покров становится достаточно глубоким — около 15 сантиметров, — появляется субнивиум, говорит местный эколог Джонатан Паули из Университета Висконсин–Мэдисон. Неглубокие впадины высотой всего в несколько сантиметров собираются вокруг упавших деревьев и камней и образуют подобие лабиринта.
Толстый снежный покров действует как естественное иглу, изолируя лабиринт под ним, говорит Паули. Температура на поверхности снега может колебаться от -20° до 4° по Цельсию. Но когда снег достаточно глубок, не имеет значения, насколько холодным будет воздух: температура на земле останется неизменной на 1°C, что чуть выше точки замерзания воды.
Добро пожаловать в субнивиум
Студия Сайо
Зимой множество форм жизни ищут убежища под снегом. Некоторые впадают в спячку, в то время как другие продолжают жить своей жизнью — охотиться, питаться, спариваться. Вместе эти существа образуют уникальную экосистему — субнивиум.
- Бактерии и грибы разлагают опавшие листья, подготавливая богатую питательными веществами почву к весне.
- Снежный покров поддерживает в норах сурков необходимую температуру для зимней спячки.
- Холодолюбивые жуки-скитальцы охотятся на других членистоногих, которые находятся в состоянии покоя.
- Полевки питаются растениями, стараясь не попасться на съедение лисам и другим хищникам.
- Рябчики живут над снегом, но, как известно, устраиваются на ночлег в сугробах, чтобы не замерзнуть.
Эта ученая степень имеет решающее значение, говорит эколог Аликс Контоста из Университета Нью-Гэмпшира в Дареме. Она изменила представления ученых о жизни в условиях холодной зимы. Когда Контоста, будучи студенткой, в конце 1990-х увлеклась субнивиумом, зима считалась “временем покоя, и в ней почти ничего не происходило”, — говорит она. Но в субнивиуме, где почва достаточно теплая для существования жидкой воды, жизнь продолжается.
Различные обитатели
Бактерии и грибы, которые могут оставаться в субнивиуме незамерзшими, всю зиму питаются отмершим растительным материалом, накопившимся осенью. Питаясь, эти микробы дышат, поглощая кислород и выделяя углекислый газ в процессе— называемом почвенным дыханием. Часть углерода из опавших листьев накапливается в клетках микробов. “Пока эти микробы живы, углерод, содержащийся в их биомассе, является частью почвы”, — говорит Контоста.
Глубина снежного покрова, по-видимому, влияет на популяцию микроорганизмов и, в свою очередь, на дыхание почвы. Более глубокие снежные покровы приводят к более многочисленным, разнообразным и активным популяциям, сообщили исследователи из Китая в 2020 году в научных отчетах. Более активные микробы означают более интенсивное дыхание, а значит, более богатую углеродом почву.
С таянием снега и приходом весны микробы погибают и выделяют питательные вещества в почву — как раз тогда, когда растения начинают возобновлять рост. “Все эти питательные вещества, все эти молекулы углерода готовы для [растений], когда они просыпаются”, — говорит почвовед Кайзад Патель из Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории в Ричленде, штат Вашингтон. “В этом смысле микробы помогают регулировать [круговорот питательных веществ]”.
Тем временем голодные членистоногие регулируют деятельность микробов. По словам Криса Зиаде, эколога из Службы охраны природных ресурсов Министерства сельского хозяйства США из Нью–Гэмпшира, сороконожки, жуки-скитальцы и многие другие “там, внизу, питаются, передвигаются, ищут себе пару, размножаются”.
Эколог Крис Зиаде проверяет ловушку в снегу Нью-Гэмпшира. Все членистоногие, попавшие в ловушку, сохраняются в ярко-розовой жидкости.С. Зиаде
Зиаде и Контоста являются частью команды, которая занимается определением того, какие именно членистоногие называют подвид домом. В течение двух зим и одного лета в лесу в Нью-Гэмпшире исследователи устанавливали ловушки-капканы, наполненные консервантом, частично закопанные в землю. Все, что попадалось на пути, попадало в ловушки.
Неудивительно, что в зимние ловушки попадалось в шесть раз больше членистоногих, чем в летние. Но некоторые виды были обнаружены в основном или только зимой, в том числе пауки-сетевики (Cicurina brevis) и трех видов жуков-скитальцев (Arpedium cribratum, Lesteva pallipes и Porrhodites inflatus), о которых команда сообщила в 2024 году в журнале Environmental Entomology. По словам Зиаде, эти специалисты по субнивиумам могут оказывать влияние на экосистему в течение всего года, возвращая питательные вещества в почву и сдерживая определенные популяции вредителей.
Более того, членистоногие являются важной добычей для крупных животных, которые прячутся под снегом, таких как лемминги (род Lemmus). Эти млекопитающие, в свою очередь, привлекают своих собственных хищников. Возьмем, к примеру, американских куниц (Martes americana). Размером с домашнюю кошку, эти пушистые хищники, похожие на хорьков, “[крадутся] в пространстве субнивиума и покидают его», — говорит Паули. “Они находят лазейку и как бы опускаются вниз, исчезают и, предположительно, охотятся … а затем появляются в другом месте”.
Даже птицы используют этот субнивиум. Обыкновенный рябчик (Bonasa umbellus) и белая куропатка (Lagopus lagopus) живут над снегом, они роют землю или даже ныряют в сугробы, чтобы устроиться на ночлег. Например, в горах Адирондак в Нью–Йорке “куропатки как бы выскакивают из-под снега”, — вспоминает эколог по вопросам изменения климата Бенджамин Цукерберг из Университета Висконсин-Мэдисон. “Просто из ниоткуда внезапно появляется эта большая птица!”
Экосистема в зоне риска
Однако изменение климата грозит и субнивиуму.
Выбросы парниковых газов в результате деятельности человека приводят к повышению средней глобальной температуры. По прогнозам исследователей, опубликованным в 2019 году в журнале Nature Climate Change, при нынешних темпах потепления продолжительность присутствия субнивиума во всем мире сократится в среднем со 126 дней в году в 2014 году до всего лишь 110 дней к концу этого столетия. Если бы было меньше снега для утепления грунта, то каждую зиму земля оставалась бы промерзшей на 10 дней дольше.
Некоторые членистоногие, в том числе жуки-скитальцы (слева) и хвостоколы-веснянки (справа), проводят зиму в субнивиуме. Представленный здесь вид жуков-скитальцев является специалистом по подвидам, процветающим зимой и бездействующим летом.C. Ziadeh
Это плохая новость для обитателей субнивиума. Корни растений могут лопнуть в мерзлом грунте. Микробы тоже могут. Если они лопнут, то выплеснут свои питательные вещества в почву за несколько месяцев до того, как они понадобятся растениям для весеннего пробуждения.
Отмирающие корни и меньшее количество питательных веществ наносят “двойной удар” по деревьям, говорит Патель. Ослабленные деревья могут плохо расти или быть более уязвимыми к болезням или насекомым-вредителям.
Членистоногие тоже пострадают. Специалисты по подвидам, такие как паук-паутинник и жуки-скитальцы, “вероятно, вымрут на местном уровне или просто исчезнут совсем”, — говорит Зиаде.
Даже насекомые, которые обычно находятся в состоянии зимнего покоя, могут пострадать. Потепление на 5 градусов по Цельсию по сравнению с текущими условиями подвергнет их смертельному холоду. Но если планета прогреется на 3 градуса по Цельсию, компьютерные модели предполагают, что морозостойкие виды могут выжить, сообщили исследователи в 2025 году в журнале «Разнообразие и распределение«. В настоящее время в 21 веке в мире ожидается потепление на 1,5-2 градуса по Цельсию.
Численность более крупных животных, обитающих в субнивиуме, таких как пищухи и сурки, также может резко сократиться.
Зимой с 2014 по 2015 год в национальном парке Норт-Каскейдс в штате Вашингтон наблюдался небольшой снегопад и чрезвычайно сухая погода. После зимы численность холодолюбивых пищух (Ochotona princeps) на самых низких высотах сократилась, сообщил эколог по дикой природе Аарон Джонстон из научного центра Северной части Скалистых гор Геологической службы США в Бозмане, штат Монтана, и его коллеги в 2019 году в журнале Ecology. В тех районах, где не было снега, грызунам было слишком холодно. Меньшее количество снега также означало меньшее количество воды для трав, которые они употребляют в пищу весной, и недоедающие пищухи в ответ на это стали меньше размножаться.
Сурки, обитающие в Северных Каскадных горах штата Вашингтон, используют субнивиум для поддержания тепла в своих норах во время зимней спячки. Без снежного покрова крупным сусликам приходится расходовать больше энергии, чтобы не замерзнуть.Джейсон Рэнсом/Служба национальных парков США
В отличие от пищух, сурки зимой впадают в спячку под землей. Но, по словам Джонстона, недостаток снега также является для них стрессом. Субнивиум и другие сурки, которые устраиваются поудобнее, сводят энергетические затраты животных к минимуму. Без снега температура в норе может еще больше понизиться. При температуре 0°C крупным сусликам потребовалось бы в четыре раза больше энергии, чтобы согреться, чем при температуре 5°C. После зимы 2014-2015 годов популяция сурков в национальном парке, испытывающих стресс из-за использования дополнительной энергии для поддержания тепла, в 2016 году сократилась на 74 процента по сравнению с 2007 годом, Джонстон и его коллеги опубликовали отчет в 2021 году в журнале «Экология и эволюция«.
Поиск убежища от холода
Для сохранения субкультуры необходимо ограничить воздействие изменения климата настолько, чтобы зимы оставались по-настоящему холодными. “В конечном счете, это требует сокращения выбросов углекислого газа до нуля”, — говорит ученый-климатолог Элизабет Бураковски из Университета Нью-Гэмпшира в Дареме.
Высокие районы, такие как вершина горы Вашингтон в Нью-Гэмпшире, вселяют в нее надежду. “Здесь потепление происходит не так быстро, как на более низких высотах”, — говорит она. “Редкие альпийские растения, которые обитают там, немного более устойчивы к изменениям климата”.
Бураковски ищет новые климатические убежища: “небольшие участки действительно уникальных, охраняемых климатических зон, в которых сохраняется снежный покров”, — говорит она. Эти более холодные участки могут находиться на северных склонах гор или за большими валунами, где меньше солнечного света. По словам Бураковски, из-за более медленного потепления, чем в других районах, здесь могут сохраняться участки субнивиума.
Ее также интересует, как мы могли бы изменить управление лесами, чтобы увеличить количество участков, где субнивиум безопасен. “В конце концов, мы в долгу перед матерью-природой”, — говорит Бураковски. “Больше осадков выпадет в виде дождя, а не снега”.
Но там, где есть снег, по ее словам, “было бы здорово сохранить его как можно дольше, чтобы он не выпадал”. Бураковски пытается понять, что в лесу удерживает снежный покров. Например, правильное количество деревьев в лесу, по-видимому, играет ключевую роль в накоплении снега. “Мы думаем, что это зона Златовласки”, — говорит она. Здесь должен быть “достаточно тонкий лесной покров, чтобы большая часть снега достигала лесной подстилки, но достаточно густой, чтобы он также затенял лесную подстилку”.
В некоторых местах небольшое истончение лесного покрова может способствовать накоплению снега, помогая быстротечному субнивуму — и его обитателям — продержаться еще немного.