Введение

Фитолиты (от греческого "камень растений") – это жесткие, микроскопические структуры, состоящие из кремнезема, которые встречаются в некоторых тканях растений и сохраняются после их разложения. Эти растения поглощают кремнезем из почвы, после чего он откладывается в различных внутриклеточных и внеклеточных структурах. Фитолиты имеют разнообразные формы и размеры. Хотя некоторые используют термин "фитолит" для обозначения всех минеральных выделений растений, чаще всего он относится к кремниевым остаткам растений. В отличие от этого, минерализованные выделения кальция в кактусах состоят из оксалатов кальция. Кремнезем поглощается в форме моносилициевой кислоты (Si(OH)4) и транспортируется сосудистой системой растения к клеточным стенкам, просвету клеток и межклеточным пространствам. В зависимости от таксономической принадлежности растений и условий почвы, содержание поглощенного кремнезема может варьироваться от 0,1% до 10% от общей сухой массы растения. При отложении кремнезем воспроизводит структуру клеток, обеспечивая растению структурную поддержку. Фитолиты повышают устойчивость растения к абиотическим стрессорам, таким как солевой вымыв, токсичность металлов и экстремальные температуры. Фитолиты также могут защищать растение от биотических угроз, таких как насекомые и грибковые заболевания.

Функции

В научном сообществе до сих пор ведутся споры о причинах образования фитолитов растениями и о том, следует ли считать кремний незаменимым питательным веществом для растений. Фитолиты также, по всей видимости, оказывают физиологическое благотворное воздействие. Экспериментальные исследования показали, что диоксид кремния в фитолитах может способствовать уменьшению вредного воздействия токсичных тяжелых металлов, таких как алюминий. Наконец, оксалаты кальция служат резервуаром углекислого газа в CAM-фотосинтезе. Кактусы используют их как резерв для фотосинтеза в течение дня, когда они закрывают устьица, чтобы избежать потери воды, а баобабы – для повышения огнестойкости своих стволов.

История исследований фитолитов

По словам Долорес Пиперно, эксперта в области анализа фитолитов, на протяжении истории исследования фитолитов можно выделить четыре важных этапа. Этап открытия и изучения (1835–1895): Первый доклад о фитолитах был опубликован немецким ботаником по имени де в 1835 году. В это время другой немецкий ученый, Кристиан Готфрид Эренберг, был одним из лидеров в области анализа фитолитов. Он разработал первую систему классификации фитолитов и проанализировал образцы почвы, присланные ему со всего мира. Особенно примечательно, что Эренберг зафиксировал фитолиты в образцах, полученных от известного натуралиста Чарльза Дарвина, который собрал пыль с парусов своего корабля HMS Beagle у берегов островов Кабо-Верде. Ботанический этап исследований (1895–1936): Фитолиты получили широкое признание и внимание в Европе. Исследования производства, таксономии и морфологии получили бурное развитие. Были опубликованы подробные записи и рисунки семейств растений, производящих структуры кремнезема, и морфологии внутри этих семейств. Период экологических исследований (1955–1975): Первое применение анализа фитолитов в палеоэкологических исследованиях, преимущественно в Австралии, Соединенных Штатах, Великобритании и России. Системы классификации для дифференциации внутри семейств растений стали широко использоваться. Современный период археологических и палеоэкологических исследований (1978 – настоящее время): Археоботаники, работающие в Америке, начали рассматривать и анализировать фитолитовые комплексы для отслеживания доисторического использования растений и их одомашнивания. Впервые данные о фитолитах из керамики стали использоваться для изучения истории добычи глины и производства керамики. Примерно в то же время данные о фитолитах стали использоваться палеоэкологами для реконструкции растительности. Была собрана значительно более обширная эталонная коллекция морфологии фитолитов различных семейств растений.

Развитие растений

[[Файл:Фитолиты типа II.webp|thumb|upright=2|center|Типы фитолитов, найденных на широколиственных деревьях в Китае]]

Патогенный стресс на формирование фитолита

Кремний не считается незаменимым питательным веществом для растений, как азот или фосфор. Однако фитолиты, формирующиеся при участии кремния, могут повысить устойчивость растения к биотическим и абиотическим стрессорам. Кремний обладает биоактивностью, то есть способен изменять экспрессию определенных генов растений, запуская защитную реакцию на эти стрессоры. В случае грибковых инфекций, отложение кремния создает физический барьер между проникающими грибами и растением. В 2009 году исследователи из сельскохозяйственной экспериментальной станции Рок-Спрингс при Университете штата Пенсильвания изучили влияние патогенных вирусов на образование фитолитов у Cucurbita pepo var. Texana. Растения, зараженные либо мозаичной болезнью (переносимой тлей), либо бактериальным увяданием (переносимым огуречными жуками), были искусственно инфицированы для имитации естественных условий, и все растения были разделены на три группы: здоровые растения, обработанные для предотвращения поедания насекомыми, растения, зараженные мозаичной болезнью, и растения, зараженные бактериальным увяданием. Фитолиты можно извлекать из остатков из различных источников: зубной камень (налет на зубах); инструменты для обработки пищи, такие как камни, жернова и скребки; посуда для приготовления или хранения; ритуальные дары; и садовые участки.

Стратегии выборки

Культурные контексты: наиболее важным соображением при разработке стратегии выборки для культурного контекста является соответствие дизайна выборки исследовательским целям. Например, если цель исследования – выявление зон деятельности, то оптимальным может быть использование сетчатой системы выборки. Если целью является идентификация пищевых продуктов, то может быть более целесообразно сосредоточиться на участках, где происходила обработка и потребление пищи. Всегда полезно проводить всестороннюю выборку по всему участку, поскольку всегда можно отобрать меньшую часть образцов для анализа из большей коллекции. Образцы следует собирать и маркировать в отдельные пластиковые пакеты. Замораживать образцы или подвергать их какой-либо специальной обработке не требуется, поскольку кремнезем не подвержен разложению микроорганизмами. Природные контексты: выборка в природном контексте, как правило, для целей реконструкции окружающей среды, должна проводиться в условиях, свободных от нарушений. Человеческая деятельность может изменить состав образцов местной растительности, поэтому следует избегать участков с признаками человеческой оккупации. Донные отложения озер обычно являются хорошим контекстом для отбора проб фитолитов, поскольку ветер часто переносит фитолиты из верхнего слоя почвы и откладывает их на воду, где они оседают на дно, подобно пыльце. Также возможно и желательно проводить вертикальную выборку данных о фитолитах, поскольку это может быть хорошим индикатором изменения частоты таксонов во времени. Одним из наиболее эффективных методов выделения фитолитов является флотация в тяжелых жидкостях. Со временем, с развитием технологий, использовались различные жидкости, каждая из которых сохраняет свои преимущества и недостатки в процессе разделения. В настоящее время используются жидкости, такие как бромид цинка, соляная кислота или поливольфрамат натрия, которые добавляются к образцу. После флотации отделенные фитолиты и жидкость переносятся в другую емкость, куда добавляется вода. Это снижает плотность раствора, в результате чего фитолиты опускаются на дно емкости. Фитолиты удаляют и несколько раз промывают, чтобы убедиться в полном удалении растворителя для флотации, и помещают на хранение. Фитолиты можно хранить в сухом месте или в этаноле для предотвращения истирания. На сегодняшний день анализ фитолитов также широко используется в исследованиях риса. Поскольку морфология фитолитов риса хорошо изучена, исследования, касающиеся одомашнивания риса, а также моделирование процессов обработки сельскохозяйственных культур с использованием анализа фитолитов, представляют значительный интерес. В одном исследовании анализ фитолитов использовался в дополнение к отбору макроостатков для определения концентрации растительных частей и прогнозирования стадий обработки культур. Анализ фитолитов оказался полезным для выявления раннего земледелия в Юго-Восточной Азии в раннем голоцене.

Прослеживание истории взаимодействия человека и растений

Фитолиты в форме пазла, обнаруженные на стоянках в Греции, но отсутствующие в Израиле, могут быть связаны с климатическими различиями, возможно, обусловленными практикой орошения при выращивании бобовых культур. Данные о фитолитах кукурбиты (тыквы и кабачков) из ранних поселений голоцена в Эквадоре свидетельствуют о том, что производство растительной пищи в низменностях Южной Америки происходило независимо от Мезоамерики.

Проблемы с анализом фитолитов останков

Многообразие: разные части одного растения могут производить различные фитолиты. Избыточность: разные растения могут производить один и тот же тип фитолита. Некоторые растения производят большое количество фитолитов, в то время как другие – лишь немного. Предполагается, что использование данных о фитолитах из остатков пищи (обычно на керамике) может снизить погрешность, связанную с обеими этими проблемами, поскольку анализ фитолитов с большей вероятностью отражает сельскохозяйственные культуры, а идентификация фитолитов может быть проведена с большей уверенностью. Кроме того, остатки пищи обычно не накапливают посторонние включения. Иными словами, образцы с большей вероятностью представляют собой первичный контекст. Данные о фитолитах известны с позднего девона и далее. Помимо реконструкции взаимодействия человека и растений, начиная с плейстоцена, фитолиты могут использоваться для идентификации палеосред и отслеживания изменений растительности. Иногда палеонтологи находят и идентифицируют фитолиты, связанные с вымершими растительноядными животными (т.е. травоядными). Такие находки предоставляют ценную информацию о диете этих вымерших животных и проливают свет на эволюционную историю многих видов растений. Недавно палеонтологи в Индии обнаружили фитолиты злаков в копролитах динозавров, что убедительно свидетельствует о том, что эволюция злаков началась раньше, чем считалось ранее. Фитолиты, рассматриваемые в контексте глобального цикла кремнезема, наряду с концентрацией CO2 и другими палеоклиматическими данными, могут помочь уточнить оценки некоторых долгосрочных наземных биогеохимических циклов и взаимосвязанных изменений климата. Интенсивность света (например, открытые или закрытые кроны) может влиять на морфологию клеток, особенно на длину и площадь клеток, которые можно измерить в ископаемых фитолитах. Эти данные могут быть полезны для отслеживания колебаний древнего светового режима и плотности полога. Пресноводные оазисы и связанные с ними изменения ландшафта, которые могли повлиять на взаимодействие человека и растений, были реконструированы путем объединения данных о фитолитах, пыльце и палеоэкологических данных на хорошо известном участке ранних гоминидов в ущелье Олдувай в Танзании. Сравнение палеозаписей фитолитовых остатков и современных эталонных остатков в одном и том же регионе может помочь восстановить изменения растительного состава и связанных с ним сред с течением времени. Японские и корейские археологи в археологической литературе называют фитолиты злаков и культурных растений "растительным опалом".

Галерея

Для более подробных примеров таксономии фитолитов обратитесь к исчерпывающей странице интерпретации фитолитов Университета Шеффилда.

Задержка углерода

Исследования, особенно начиная с 2005 года, показали, что углерод в фитолитах может быть устойчив к разложению на протяжении тысячелетий и способен накапливаться в почвах. Хотя исследователи ранее знали о способности фитолитов сохраняться в некоторых почвах в течение тысяч лет и о наличии в фитолитах заключенного углерода, пригодного для радиоуглеродного датирования, пионерские исследования потенциала фитолитов как метода хранения углерода в почвах были проведены Парром и Салливаном, которые предположили о реальной возможности надежного секвестирования углерода в почвах на длительный срок в виде углеродных включений в прочные фитолиты кремнезема. В процессе минерализации, формирующем фитолит, из почвы поглощается множество различных питательных веществ, включая углерод, который образует фитолитный окклюзионный углерод (PhytOC). Фитолиты способны удерживать PhytOC в почве на протяжении тысяч лет, значительно дольше, чем другие органические методы. Хотя это делает фитолиты важной областью исследований в контексте секвестрации углерода, не все виды растений демонстрируют аналогичные результаты. Например, фитолиты, полученные из овса, могут содержать от 5,0% до 5,8% углерода, в то время как фитолиты сахарного тростника – от 3,88% до 19,26% углерода. Различные виды и подвиды обладают разным потенциалом хранения углерода в кремнеземе, а не в самой растительной биомассе. Несмотря на то, что секвестрация углерода является потенциально важным способом ограничения концентрации атмосферных парниковых газов в долгосрочной перспективе, использование фитолитов для достижения этой цели должно быть сбалансировано с другими возможными вариантами использования той же биомассы углерода (или земли для производства биомассы) для сокращения выбросов парниковых газов другими способами, включая, например, производство биоэнергии для компенсации выбросов от ископаемого топлива. Если увеличение производства фитолитов приведет к снижению доступности биомассы для других стратегий смягчения последствий изменения климата, его эффективность в снижении чистых выбросов парниковых газов может быть уменьшена или нивелирована.