Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
O istnieniu zjawiska mikoryzy, czyli współzależności pomiędzy korzeniami roślin a grzybnią, wiedzieliśmy już u schyłku XIX w. Jednak dopiero badania prowadzone w latach 90. ubiegłego wieku dostarczyły nam wskazówek na temat tego, jak bardzo złożone jest to zjawisko. Początkowo wydawało się, że mamy do czynienia z prostą symbiozą: samożywna roślina przekazuje swojemu cudzożywnemu partnerowi cukry pochodzące z fotosyntezy, a ten odwdzięcza się związkami mineralnymi (głównie fosforowymi oraz azotowymi), których roślina nie byłaby w stanie sama pobrać z gleby.
Pod opieką matki
W biologii nic jednak nie jest „proste”, a nasze rozumienie złożoności powiązań zależy w zasadzie wyłącznie od tego, jak szczegółowe analizy jesteśmy w stanie przeprowadzić. Nie inaczej było w odniesieniu do mikoryzy. Kanadyjska ekolożka Suzanne Simard jako jedna z pierwszych podejrzewała, że powiązania między korzeniami drzewa a grzybnią sięgają znacznie głębiej, niż początkowo sądzono. Aby potwierdzić swoją hipotezę, zainicjowała serię eksperymentów, w ramach których podawano drzewom radioaktywny węgiel. Pierwiastek ten różnił się od swojego najpopularniejszego izotopu występującego w powietrzu (oraz organizmach), dzięki czemu możliwe było śledzenie jego przenikania do mikoryzowej sieci – i dalej.
Simard nie myliła się – badania przeprowadzone przez jej zespół dowiodły, że cukry produkowane przez drzewa trafiają nie tylko do połączonych z nimi grzybów, ale też do okolicznych drzew. Zupełnie jakby rośliny częstowały innych swoją żywnością. Ale dlaczego? Czemu jeden organizm miałby dzielić się cennymi zasobami z innym? Jaki miałoby to sens z ewolucyjnej perspektywy? Pierwsze odpowiedzi nasunęły się dość szybko. Zasugerowano, że drzewo matka może w ten sposób wspierać swoje sadzonki. W gęstym lesie nie mają one dostępu do wystarczającej ilości światła słonecznego, dlatego – dopóki nie urosną – potrzebują matczynej pomocy. Ten wniosek wydawał się trafiony, zwłaszcza że kolejne badania wykazały, iż rośliny, które potrzebowały więcej wsparcia (np. dlatego, że rosły na bardziej zacienionym stanowisku), otrzymywały więcej cukrów od drzew matek niż te rosnące w dogodnych warunkach. Już wtedy mikoryza została uznana za niezwykle ciekawe zjawisko – a wkrótce zaczęto wręcz o niej mówić jako o „leśnym internecie”.
Leśny internet
Drzewa podłączone do sieci mikoryzowej są nie tylko okazalsze i lepiej odżywione, ale też zdrowsze. Atakowało je mniej patogenów, a jeśli nawet do infekcji dochodziło, osobniki połączone mikoryzą były lepiej przygotowane na odparcie intruzów. Taki stan rzeczy nie dawał się już łatwo wyjaśnić za pomocą samej tylko teorii „częstowania cukrem”. I rzeczywiście – dowiedziono, że rośliny podłączone do sieci wysyłają chemiczne ostrzeżenie za każdym razem, gdy zostaną zaatakowane przez patogen. W ten sposób inni użytkownicy połączeń mogą się skuteczniej przygotować na ewentualną inwazję – np. poprzez zmianę składu chemicznego swoich soków.
Taki system wczesnego ostrzegania umożliwia wytworzenie chemicznych substancji obronnych jeszcze zanim patogen wszedł w jakikolwiek kontakt z drzewem. Odkrycie, iż rośliny mogą czerpać z sieci tak daleko idące korzyści, doprowadziło do kolejnych pytań. Jak wiele drzew może być połączonych za pomocą mikoryzy? Jak rozbudowana jest ta sieć? Czy możliwe jest, by drzewa w całym lesie mogły łączyć się ze sobą dzięki bezpośrednim lub pośrednim połączeniom? Taka ewentualność wydawała się sensowna, ponieważ system wczesnego ostrzegania jest tym skuteczniejszy, im więcej użytkowników zaangażowanych jest w jego funkcjonowanie. Potrzebne były jednak nie tylko hipotezy, ale i dowody.
Jan Rylke, architekt krajobrazu: Tak jak człowiek potrzebuje spotykać się z innymi ludźmi, drzewo potrzebuje się spotykać z innymi roślinami i zwierzętami.
Te nadeszły wraz z postępem nauk genetycznych, który umożliwił sprawne i wydajne mapowanie dystrybucji sieci mikoryzowej pomiędzy poszczególnymi drzewami. Badania te doprowadziły do wielu zaskakujących wniosków, spośród których jeden wydawał się najważniejszy. Mianowicie okazało się, że „internet drzew” (Wood Wide Web) nie jest rozłożony równomiernie pomiędzy jego użytkownikami. Sieć opiera się przede wszystkim na „drzewach węzłowych” (hub trees), które mają najwięcej połączeń z innymi roślinami i mogą pośredniczyć w kontaktowaniu z sobą odległych jednostek. „Drzewa węzłowe” są najstarsze, największe, najbardziej rozłożyste. Tym samym – mają najlepszy dostęp do światła, produkują najwięcej cukrów, a do tego żyją na tyle długo, by ich sieć mikoryzowa cechowała się niesłychanie wysokim poziomem złożoności.
Chyba żadne wcześniejsze odkrycie nie uzmysłowiło naukowcom tak dobitnie, że nie da się zastąpić jednego starego drzewa kilkoma sadzonkami. Innymi słowy, sposób myślenia o gospodarowaniu lasem uległ całkowitej przemianie. Wspomniane badania dowiodły bowiem, że sadzenie nowych drzew to dobry pomysł, ale nie należy stawiać znaku równości między jednym drzewem węzłowym a kilkoma nowymi roślinami, nawet jeśli ilość chlorofilu po jednej i drugiej stronie równania byłaby taka sama.
Partnerstwo stare jak świat
Wyniki badań dotyczących Wood Wide Web dają do myślenia tym bardziej, gdy analizuje się je w kontekście innych doniesień naukowych, które skupiają się nie tyle na samej sieci, ile na nierozerwalnym powiązaniu korzenia i grzybni. Tak ścisła współzależność dwóch organizmów skłoniła badaczy do zadania kolejnych pytań. Po pierwsze: od jak dawna rośliny i grzyby są od siebie uzależnione? Po drugie: jaką rolę grzyby odegrały w ewolucji życia na Ziemi? Odpowiedź na oba te pytania zmusza nas do nowego spojrzenia na historię naszej planety.
Chociaż rośliny i grzyby, analizowane powierzchownie i makroskopowo, mogą się wydawać do siebie podobne, w rzeczywistości różnią się znacząco i nie są ze sobą zbyt blisko spokrewnione. W systematyce biologicznej jedne i drugie stanowią osobne królestwa. Cudzożywnym grzybom bliżej do zwierząt niż do samożywnych roślin, chociaż należy podkreślić, że również nasze królestwa rozdzieliły się od siebie tak dawno temu, iż mamy ze sobą niewiele wspólnego. Jedną z umiejętności, które wyróżniają grzyby na tle innych organizmów, jest ich zdolność do przekształcania skał w glebę. Grzyby potrafią wydzielać enzymy, które trawią otaczające je podłoże, dokonując tym samym jego erozji i pozyskując „uśpione” w nim związki mineralne. Związki te stają się użyteczne biologicznie i mogą być pochłaniane przez rośliny. Ta umiejętność grzybów wykorzystywana jest w każdym współczesnym układzie mikoryzowym. Ale badania dowodzą, że jeszcze większe znaczenie miała ona w odległej przeszłości.
Jan Mencwel, warszawski aktywista: Przeciętna inwestycja w polskim mieście zabiera nam ponad 120 drzew. Najczęściej bez sensu.
Grzyby są delikatne i kruche, dlatego z trudem ulegają mineralizacji – dysponujemy więc niewielką liczbą ich skamieniałości. Tym samym nie możemy z pełnym przekonaniem stwierdzić, kiedy grzyby i rośliny nawiązały swoją współpracę. Jednakże dowody, którymi dysponujemy, wskazują, iż symbioza mikorytyczna istnieje na Ziemi przynajmniej od 400 mln lat.
Czy to zatem możliwe, że grzyby były kluczowym elementem rozwoju życia na Ziemi, bez którego nie miałoby ono takiej postaci, jaką dziś znamy?
Życie istnieje na Ziemi od ok. 3,7 mld lat, ale przez większość tego czasu – z tego, co wiemy – kwitło wyłącznie w oceanach. Nawet pojawienie się samożywnych producentów, którzy wytworzyli tlen i umożliwili powstawanie bardziej złożonych organizmów (a wcześniej doprowadzili do wytrucia niemal wszystkich ówczesnych gatunków), nie zmieniło szczególnie tego trendu. Lądy były w tym czasie nieprzyjazne i większość organizmów od nich stroniła. Przyczyn takiego stanu rzeczy było wiele, ale za jedną z nich uważa się skalistą strukturę powierzchni planety. Na nieskolonizowanych przez życie lądach nie było gleby, w której mogły rosnąć rośliny. Do czasu, aż na ich powierzchni pojawiły się grzyby. To właśnie ich działalność enzymatyczna oraz mikroskopijna presja mechaniczna, jaką wywierały na skalne podłoże, sprawiła, że związki zawarte w skałach stały się dostępne dla innych organizmów, takich jak rośliny, które – jak się uważa – podążyły na ląd tuż za grzybami. Co więcej, wygląda na to, że partnerstwo to opiera się na twardych regułach.
Z badań opublikowanych przez Matthew Whiteside’a i współpracowników w „Current Biology” w 2019 r. wynika, że sieci mikoryzowe posługują się czymś na kształt ekonomii, a podejmowane w obrębie tej sieci działania przypominają relacje, jakie łączą partnerów handlowych. Jeśli roślina przekazuje grzybowi więcej cukrów, ten wydziela jej w zamian więcej fosforu. I na odwrót. Jeśli natomiast któryś z partnerów zawiedzie i wstrzyma swoje dostawy, może zostać „ukarany” przez drugą stronę. Co więcej, każdy z partnerów może przystopować wymianę składników z danym dostawcą, jeśli tylko inna roślina lub grzyb „zaproponuje” mu lepszą ofertę. Przykładowo, grzyb powiązany z drzewem, z którym dotychczas łączyły go korzystne warunki wymiany, może anulować współpracę, jeśli okaże się, że korzenie pochodzące z innej rośliny mają więcej do zaoferowania.
Badaczom udało się nie tylko dowieść, że powyższe zależności w ogóle istnieją, ale też byli w stanie zobrazować ich przebieg. Dzięki zastosowaniu nowych metod badawczych zobrazowali w czasie rzeczywistym kierunek przepływu zawartości sieci w zależności od aktualnej sytuacji na „rynku” mikoryzowym. Ponadto, znakując substancje wytwarzane przez partnerów, badacze uchwycili dokładnie przepływ składników przekazywanych za pośrednictwem sieci.
Skala mikro i skala makro
Aby lepiej rozumieć, jak działa „leśny internet”, musimy analizować zależności pomiędzy jego użytkownikami w skali mikroskopijnej (tak jak to uczyniono w badaniach omówionych powyżej), ale nie powinniśmy zapominać o skali makro. To właśnie ona daje nam wgląd w rolę, jaką rozłożyste sieci mikoryzowe odgrywają w ekosystemach. Z dotychczasowych badań wynika, że w skali globalnej występują dwa typy leśnych sieci mikoryzowych. Pierwsze z nich tworzą się w chłodniejszych strefach klimatycznych, natomiast drugie stwierdzane są przede wszystkim w lasach tropikalnych. Różnią się nie tylko preferencjami temperaturowymi, ale też strukturą. W tropikach sieci mikoryzowe są znacznie mniej rozłożyste, tworzą mniejsze układy i składają się z innych gatunków grzybów niż te, które występują w lasach rosnących w chłodniejszym klimacie. Tam bowiem „internet drzew” wiąże znacznie większą liczbę użytkowników i nie ogranicza się do kontaktów lokalnych; może łączyć ze sobą całe lasy.
Naukowcy przypuszczają, że globalny stosunek pomiędzy jednym typem sieci a drugim może odgrywać znaczącą rolę w regulowaniu klimatu. A to dlatego, że grzyby mikoryzowe żyjące w chłodniejszych lasach mają tendencję do wychwytywania węgla z atmosfery i „zamykania” go w glebie w czasie przeprowadzania procesów dekompozycji organicznej. Natomiast procesy zachodzące w mniejszych sieciach mikoryzowych, które są typowe dla lasów tropikalnych, mają tendencję do uwalniania węgla do atmosfery. Trudno przecenić wagę tych informacji. Zachodzące obecnie zmiany klimatyczne sprawiają, że stosunek pomiędzy jednym typem sieci a drugim może ulec dramatycznemu zachwianiu, ponieważ lasy – i żyjące w nich grzyby mikoryzowe – dostosowują się do rosnącej temperatury.
Przewodnicy stada
Wspomniane doniesienia naukowe sugerują, że jeśli chcemy ratować lasy i nasz klimat, powinniśmy zwrócić większą uwagę na grzyby żyjące w podłożu. Tym bardziej że z nowszych badań zespołu Simard (opublikowanych we wrześniu 2020 r. w „Journal of Ecology”) wynika, iż sieć mikoryzowa jest odpowiedzialna zarówno za siłę lasu, jak i za jego potencjalną słabość. Tak jak w stadzie słoni najstarsza samica prowadzi swoje stado i posiada największą wiedzę, tak w rozłożystych lasach stare drzewa węzłowe „dyktują” całej sieci, jaki będzie jej dalszy kierunek rozwoju. I podobnie jak w przypadku słoni – utrata tych kluczowych, najstarszych osobników jest znacznie bardziej dotkliwa dla całej społeczności niż utrata którejkolwiek innej jednostki.
Wspomniane badania były bardziej szczegółowe niż wszystkie wcześniejsze projekty – trwały 16 lat i objęły swoim zasięgiem 350 drzew. Dowiodły ponad wszelką wątpliwość, że „leśny internet” nie może istnieć bez najstarszych drzew węzłowych i na odwrót – stare osobniki nie są w stanie zdrowo rosnąć bez wsparcia sieci. Stare drzewo, które prowadzi skuteczną fotosyntezę i jest zdrowe, przekazuje nawet 80 proc. swoich zasobów cukrowych do okolicznych sadzonek. Ponadto może podjąć „decyzję”, by wspierać tych użytkowników sieci, którzy są aktualnie w złej kondycji i bez pomocy drzewa węzłowego umarliby.
Anna Kamińska: Dęby wyglądają tutaj tak, jakby chciały dotknąć nieba.
Ale także drzewa matki nie mogą bez połączeń z całą siecią normalnie funkcjonować. Dla starej rośliny mikoryza stanowi nie tylko kanał komunikacyjno-handlowy, ale też jest rodzajem ubezpieczenia. Wiekowe drzewa potrzebują stabilnych warunków i powtarzalnych schematów środowiskowych. Jeśli z jakiegoś powodu trafią na trudne okoliczności (inwazja patogenów, wahania pogodowe, zbyt mało światła, za mało lub za dużo opadów), dzięki sieci będą w stanie zapewnić sobie przetrwanie.
Drzewa węzłowe dyktują więc kierunek wzrostu i życia całego lasu. Są niejako w stanie „zadecydować”, którzy użytkownicy sieci będą wspierani w większym stopniu, a którzy w mniejszym. Jeśli drzewo matka jest w dobrym stanie, przekaże większość swoich zasobów innym członkom „mikoryzowego internetu”. Sieć wybierze przy tym najpierw te drzewa, które rosną w najtrudniejszych warunkach. Jeśli zaś samo drzewo matka potrzebuje ratunku, pomoc zostanie udzielona właśnie dzięki gęstej sieci powiązań. I wreszcie – jeśli dla drzewa węzłowego nie ma już żadnej nadziei – wyrzuci ono do sieci wszystkie swoje zasoby i dopiero wtedy umrze.
Poziom złożoności „leśnego internetu” mógłby zaskoczyć twórców fantastyki, a jednocześnie sugeruje, że nasza wiedza jest dopiero w powijakach. Połączenia mikoryzowe tworzą się na Ziemi od co najmniej 400 mln lat, a my zdaliśmy sobie sprawę z ich istnienia ledwie kilka dekad temu. To pobudza wyobraźnię, ale też skłania do pokory. Z badań naukowych wynika jasno, że aby ratować naszą planetę, będziemy z całą pewnością potrzebowali i jednego, i drugiego. ©
