Aigars Roga
Kopš zinātnieki ir pētījuši kokus, mēs tos esam iedalījuši divos tipos atkarībā no koksnes veida, ko no tiem ražo. Pie mīkstkoksnes kokiem pieder priedes un egles, un tie parasti aug ātrāk nekā cietkoksnes koki, piemēram, ozoli un kļavas, kas var nobriest tikai pēc vairākiem gadu desmitiem un veidot blīvāku koksni.
Tomēr nesenie pētījumi atklāj kaut ko pilnīgi jaunu – trešo kategoriju, ko mēs saucam par vidējo koksni. Šis atklājums varētu izrādīties vērtīgs cīņā pret oglekļa dioksīda (CO₂) līmeņa paaugstināšanos Zemes atmosfērā – galveno klimata pārmaiņu cēloni.
Koki ir dabiski oglekļa piesaistītāji. Tas nozīmē, ka tie absorbē milzīgu daudzumu CO₂ no gaisa un uzglabā to savā koksnē. Tulpju koks (Liriodendron tulipifera), pazīstams arī kā dzeltenā papele, ir oglekļa uztveršanas līderis. ASV Atlantijas okeāna vidusdaļā mežos, kuros dominē tulpju koki, ogleklis uzkrājas divas līdz sešas reizes vairāk nekā mežos, kuros pārsvarā ir citas sugas. Tulpju koki jau ir populāri stādījumos dažās Dienvidaustrumāzijas daļās, un dārznieki un pilsētplānotāji ASV tos min kā labu izvēli oglekļa uztveršanai.
Šī suga kopā ar tai tuvu radniecīgo Ķīnas tulpju koku (Liriodendron chinense) pieder pie senas dzimtas, kas aizsākās pirms 50–30 miljoniem gadu – laika posmā, kad notika lielas CO₂ izmaiņas atmosfērā. Saglabājušās tikai šīs divas sugas. Un vēl nesen to ķīmiskais sastāvs un struktūra, kas varētu mums pastāstīt, kāpēc šie koki tik labi uztver oglekli, bija lielā mērā nezināmi.
Tradicionālajās koksnes iekšējās struktūras analīzes metodēs netiek ņemtas vērā atšķirības starp dzīvu un žāvētu koksni, jo žāvētu koksni ir daudz vieglāk pētīt. Tā ir problēma, jo bez ūdens koksne molekulārā līmenī mainās. Izaicinājums ir novērot koksni, kas joprojām saglabā ūdeni.
Mēs to pārvarējām Kembridžas Universitātes Sinsberijas laboratorijā, izmantojot metodi, kas pazīstama kā zemas temperatūras skenējošā elektronu mikroskopija. Tas ļauj mums novērot koksni nanometru mērogā – redzēt struktūras, kas ir vairāk nekā 6000 reižu mazākas par vienu cilvēka matu šķipsnu, vienlaikus saglabājot koksnes mitrumu, lai iegūtu precīzāku priekšstatu par to, kā koks izskatās, kamēr tas ir dzīvs.
Koksnes struktūras evolūcija
Mēs pētījām dažādus kokus Kembridžas Universitātes Botāniskajā dārzā, lai izprastu koksnes struktūras evolūciju. Mēs savācām dzīvus augu paraugus, kas pārstāv galvenos evolūcijas vēstures pavērsiena punktus. Šie augi atrodas īsas pastaigas attālumā no mikroskopa, kas ļauj mums pārbaudīt paraugus, tiem neizžūstot.
Mēs atklājām, ka makrofibrilu – šķiedru, kas galvenokārt sastāv no celulozes, kura ir koksnes ķīmiskais pamatelements un nodrošina augiem izturību, lai tie augtu augsti, – izmērs cietkoksnes un skujkoksnes kokiem ir ļoti atšķirīgs. Cietkoksnes kokiem, piemēram, ozoliem un kļavām, makrofibrilu diametrs ir aptuveni 16 nanometri (nm), bet mīkstkoksnes kokiem, piemēram, priedēm un eglēm, tās izmērs ir aptuveni 28 nm. Šīs atšķirības varētu izskaidrot, kāpēc skujkoki un cietkoki ir atšķirīgi, un palīdzēt mums noskaidrot, kāpēc daži koksnes veidi labāk nekā citi uzkrāj oglekli.
Izpratne par koksnes evolūciju var palīdzēt mums noteikt un izmantot augus, kas varētu samazināt klimata pārmaiņas. Tulpju koks pats par sevi mums to neatklāj, tāpēc mēs devāmies vēl tālāk pagātnē un izpētījām bazālos angiospermus – reti sastopamu un senu ziedošu augu grupu, kas joprojām pastāv kā augu evolūcijas agrīnāko posmu paliekas. Viens no šīs grupas pārstāvjiem ir Amborella trichopoda, kam ir lielākas 28 nm makrofibrilles, kas liecina, ka cietkoksnes makrofibrilles radušās vēlāk nekā mīkstkoksnes.
Bet kad tieši tas notika?
Lai atbildētu uz šo jautājumu, mēs izpētījām magnoliju dzimtas augus, tostarp violeti ziedošās magnolijas (Magnolia liliiflora), kas ir vieni no senākajiem saglabājušajiem ziedošajiem augiem, kuri pazīstami ar savu dekoratīvo skaistumu. Mūsu pārbaudītajām magnolijām ir cietkoksnei līdzīgas makrofibrilles ar 15–16 nm diametru, kas nozīmē, ka pāreja no mīkstkoksnes uz cietkoksni, visticamāk, notika magnoliju evolūcijas laikā.
Tulpju koks ir tuvs magnoliju radinieks, taču tā koksne nav iedalāma ne skujkoku, ne cieto koku kategorijās. Tā vietā tās makrofibrilu diametrs ir aptuveni 22 nm – vidū starp cietkoksni un skujkoksni. Šī starpposma struktūra bija pilnīgi negaidīta, un tas lika mums klasificēt tulpju koka koksni kā vidējo koksni, kas ir pilnīgi jauna kategorija.
Viduskoksne: superoglekļa akumulators?
Kāpēc tulpju kokiem ir šis unikālais koksnes tips? Mēs nevaram to droši pateikt, bet uzskatām, ka tas ir saistīts ar evolūcijas spiedienu, ar ko šie koki saskārās pirms miljoniem gadu.
Kad tulpju koki pirmo reizi attīstījās, CO₂ līmenis atmosfērā samazinājās no aptuveni 1000 daļiņu uz miljonu (ppm) līdz 500 ppm. Šis pieejamā CO₂ samazinājums, iespējams, lika tulpju kokiem izstrādāt efektīvāku oglekļa uzglabāšanas metodi, kā dēļ izveidojās to unikālā makrofibrilu struktūra. Mūsdienās šī pielāgošanās, visticamāk, veicina to izcilo spēju piesaistīt oglekli.
Mēs vairs nevaram pieņemt, ka, aplūkojot iepriekš neizpētītu koku, tas ietilpst tajās pašās divās kategorijās (skujkoksne vai cietkoksne), kurās zinātnieki jau gadiem ilgi ir iedalījuši kokus. Tulpju koks ar savu vidējās koksnes struktūru atbilst oglekli slāpstošai attieksmei. Tagad mēs pētām, vai tā šķietami unikālā koksnes struktūra ir vienīgais iemesls, kāpēc tas ir oglekļa uztveršanas karalis, un mēs paplašinām meklēšanas iespējas, lai noskaidrotu, vai ir vēl kādi vidusslāņa koki vai pat vēl jauni koksnes veidi.
Šie atklājumi uzsver botāniskās pētniecības nozīmi un to, cik liela nozīme ir tādām kolekcijām kā Kembridžas Universitātes Botāniskajā dārzā, lai atklātu jaunas atziņas augu zinātnē. Nākamreiz, kad apmeklēsiet botānisko dārzu, atcerieties, ka augu valstībā joprojām slēpjas daudz noslēpumu, kas gaida, kad tiks atklāti.