Сегодня мы поговорим о том, почему старые модели понимания почвы устарели, как на самом деле работает почвенная жизнь, почему биоразнообразие – это ключ ко всему, и как растения и микробы ведут сложнейшие "переговоры" на биохимическом языке. Приготовьтесь, будет невероятно интересно!
Наш проводник
Сегодня у нас особенный гость, настоящий первопроходец в мире почвенной экологии – доктор Кристин Джонс из Австралии. Ее исследования открывают нам глаза на то, как на самом деле функционирует почва, и почему многие наши прежние представления нуждаются в серьезном пересмотре.
Беседы с доктором Джонс вызывают шквал вопросов – настолько ее идеи захватывают и заставляют задуматься.
Кристин – ученый до мозга костей, но, что особенно ценно, она умеет говорить на языке фермеров и садоводов, делая сложнейшие концепции понятными и применимыми на практике.
Сегодня она впервые представляет свою новую лекцию о секретах почвенного социобиома. Давайте же прислушаемся к ее словам и попробуем вместе разгадать эти тайны.
Рада приветствовать всех. Я назвала эту лекцию «Секреты почвенного социобиома».
Перечитав массу глубоких экологических статей о том, как микробы общаются друг с другом и с растениями, как растения общаются между собой, я подумала: как же мне превратить это во что-то понятное, во что-то, что можно применить на практике?
Я попробовала.
И я впервые читаю эту лекцию о секретах почвенного социобиома. Посмотрим, что у нас выйдет.
С первых же слов чувствуется масштаб задачи, которую ставит перед собой Кристин: перевести сложнейший язык Науки о микробных взаимодействиях на доступный для всех язык.
Термин "социобиом" сразу же интригует.
Это не просто "микробиом", набор микробов, а именно социобиом – сообщество, живущее по своим социальным законам, общающееся, взаимодействующее. Это сразу задает беседе тон: мы будем говорить не просто о химии и биологии, а о настоящей жизни, скрытой от наших глаз.
Почва
Почва поражает своим биологическим разнообразием: она служит домом для множества самых разных существ. Уверена, все присутствующие согласятся: почва таит в себе удивительный мир живых созданий. Неудивительно, что ее изучение — это, по сути, последний рубеж науки.
Биоразнообразие во всех наших экосистемах, не только в почве, — вот ключ к эффективному функционированию живых систем. Неважно, говорим ли мы об океане, тропическом лесе, наших фермах или почве. Биоразнообразие — это действительно ключевой фактор, и мы все глубже осознаем это по мере изучения данных систем.
Кристин сразу подчеркивает: почва – это не просто грязь, это космос жизни под нашими ногами. И главное слово здесь – биоразнообразие. Мы привыкли слышать о нем в контексте лесов или коралловых рифов, но оказывается, именно разнообразие жизни в почве определяет здоровье всей экосистемы. Это касается и круговорота питательных веществ, и удержания влаги, и устойчивости к болезням, и урожайности. Звучит фундаментально, не правда ли?
Почвенное биоразнообразие чрезвычайно важно для круговорота питательных веществ, удержания влаги, устойчивости к вредителям и болезням, продуктивности сельскохозяйственных культур и пастбищ, продовольственной безопасности и функционирования ландшафта.
Незадолго до начала нашей беседы мы упоминали недавние события в Австралии: сильные засухи, сменившиеся мощными наводнениями.
Биоразнообразие также играет ключевую роль в секвестрации углерода (извлечении и долгосрочном хранении углерода из атмосферы).
Я не стану сегодня подробно останавливаться на каждом из этих аспектов. Уверена, вы понимаете значимость почвенного биоразнообразия. Предлагаю пойти дальше и заглянуть глубже в тайны почвенного микробиома.
Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (ФАО) оценила социально-экономическую значимость почвенного биоразнообразия более чем в полтора триллиона долларов. Это колоссальная сумма, подчеркивающая огромную ценность того, что происходит в почве, — процессов, о которых мы, по правде говоря, знаем еще очень мало, но которые жизненно важны для нас.
Полтора триллиона долларов! Сложно даже представить эту сумму. Но она наглядно показывает, насколько ценны невидимые процессы, идущие в почве. Это не просто абстрактная экология, это чистая экономика, продовольственная безопасность, устойчивость к климатическим катаклизмам – все завязано на этом скрытом мире.
Как достичь биоразнообразия?
Итак, пока все ясно. Почвенное биоразнообразие важно. Даже Продовольственная и сельскохозяйственная организация признала, что оно стоит огромных денег. Как же нам узнать, есть ли в нашей почве биоразнообразие?
А если его нет, то как его получить?
Попытки выяснить, что на самом деле происходит в наших почвах, сталкиваются с рядом серьезных трудностей. Первая заключается в том, что менее 1% почвенных микробов удается культивировать.
Это значит, что даже если взять образец почвы, поместить его в чашку Петри и предоставить питательную среду, менее одного процента микроорганизмов из этого образца действительно вырастут. Большинство просто не размножается в лабораторных условиях.
Из-за этого мы не можем их полноценно изучать, что чрезвычайно затрудняет понимание реального микробного состава почвы.
Возникает закономерный вопрос: как же мы узнали о микробном богатстве почв, если 99% их обитателей словно отказываются "сотрудничать", не позволяя изучить себя традиционными методами?
Итак, первая трудность: большинство почвенных микробов не поддаются культивированию в лаборатории. Вторая: бóльшая часть почвенных микроорганизмов в любой момент времени находится в неактивном, спящем состоянии. Это, в свою очередь, сильно усложняет их обнаружение, пока какой-либо фактор не выведет их из этого состояния покоя.
Вот это поворот! Оказывается, 99% жителей почвенного мира – это невидимые и не поддающиеся изучению "партизаны".
Они не растут в пробирках, да еще и большую часть времени спят! Как же тогда понять, что там происходит? Становится ясно, почему почва – "последний рубеж науки". Наши стандартные лабораторные методы здесь почти бессильны. И это, как объясняет Кристин, привело к некоторым заблуждениям в прошлом.
Устаревшая модель?
Почвенный микробиом — или, почвенный социобиом — чрезвычайно сложен для изучения. Эта сложность не раз приводила нас к неверным выводам и уводила в сторону от понимания истинных процессов.
Долгое время нам приходилось, да и до сих пор отчасти приходится, опираться на модели, пытаясь описать то, что происходит в почве. Однако модели, использовавшиеся в прошлом, оказались неточными, поскольку у нас не было технических средств для непосредственного наблюдения за этими процессами.
В 1987 году Х.В. Хант и группа соавторов опубликовали статью «Классическая модель почвенной пищевой сети». Эта модель, к сожалению, все еще используется и даже упоминается во многих официальных публикациях, например, Министерства сельского хозяйства США. Но она была построена на теоретических оценках — это был, по существу, расчет трансформаций азота в рамках детритной пищевой сети, то есть пути разложения органических остатков в почве.
Идея заключалась в том, что органические соединения в почве (почвенное органическое вещество) сначала измельчаются почвенной фауной, разбиваются на более мелкие компоненты и затем проходят через пищевую цепь, где одни организмы поедают других.
Считалось, что основной механизм высвобождения азота в почве именно таков. И хотя некоторое количество азота действительно высвобождается этим путем, он не является главным. Я подробнее коснусь этого вопроса через пару недель, на лекции под названием «Азотное решение».
Проблема в том, что мы слишком долго опирались на эту классическую модель почвенной пищевой сети. Сегодня, благодаря современным технологиям, она подвергается существенному пересмотру, о чем свидетельствует множество публикаций с заголовками вроде «Пересмотр почвенной пищевой сети» или «Новый взгляд на почвенную пищевую сеть».
Кристин бросает вызов устоявшимся представлениям! Та самая "пищевая цепочка" в почве, о которой нам рассказывали – где бактерии едят органику, их едят простейшие, и так далее, высвобождая азот – оказывается, не главная история. Это лишь один из путей, причем не основной.
Это очень важное заявление, потому что вся система удобрений и понимания питания растений часто строилась именно на этой старой модели разложения органики. Но если она неверна, то что же тогда является главным двигателем жизни в почве?
Грибной энергетический канал
Эмпирические исследования показывают, что в круговороте углерода и трансформации азота в почве ключевая роль принадлежит грибному энергетическому каналу, а не процессу поедания бактерий. Хотя этот процесс также важен, именно грибной канал является доминирующим.
Этот грибной энергетический канал начинается с лабильного углерода в виде корневых экссудатов растений. Лабильный углерод — это легкодоступные для микроорганизмов органические соединения.
Иными словами, речь идет о сотнях, а порой и тысячах различных углеродных соединений, которые корни растений выделяют с разными целями: для питания микробов или для передачи им сигналов.
Как же распознать этот грибной энергетический канал в действии?
Наличие ризочехликов на корнях растений — верный признак его активности. Если к корням прилипает почва, это как раз и свидетельствует о том, что грибной энергетический канал работает, и растение активно направляет энергию в почвенную экосистему.
Вот она, революция в понимании! Не столько разложение мертвой органики, сколько живые корни растений, выделяющие "жидкий углерод" (лабильный углерод, корневые экссудаты) – вот что запускает главный энергетический конвейер в почве. И ключевые игроки здесь – грибы! Не только микоризные, о которых мы слышали, но и множество других. А ризочехлик – почва, плотно прилипшая к корням – это видимый признак того, что система работает, что растение активно "кормит" почвенную жизнь.
Микроскопическое изображение структуры ризочехлика при большом увеличении открывает удивительную картину: мы видим множество грибных гиф. Примечательно, что это не обязательно симбиотические грибы, такие как микоризные или триходерма, формирующие очень тесную связь с растением.
Исследования все чаще показывают, что значительная часть этих грибов — сапротрофы, то есть организмы, питающиеся преимущественно легкодоступными сахарами, которые выделяют корни растений.
Это расходится с классической моделью пищевой сети, согласно которой грибы получают бóльшую часть энергии из трудноразлагаемых лигнифицированных материалов (вроде древесины), недоступных для бактерий. Считалось, что именно в этом и заключается основной грибной путь переработки органики. Из этого следовал вывод, что для увеличения популяции грибов в почве необходимо больше таких сложных для разложения материалов.
Однако современные научные данные свидетельствуют о другом: основной грибной энергетический канал связан именно с лабильным углеродом — тем самым легкодоступным углеродом, который ранее считался пищей преимущественно для бактерий. Оказывается, он питает огромное количество грибов самых разных видов.
По мере изучения этого процесса становится ясно, насколько важны эти сапротрофные грибы. Они транспортируют лабильный углерод от корней вглубь почвенной пищевой сети, снабжая им не только себя, но и целые бактериальные сообщества.
Более того, теперь известно, что грибные гифы формируют вокруг себя собственную бактериальную оболочку — своего рода «гифосферу», подобно тому, как корни растений окружены ризосферой. Бактерии в этой «гифосфере», часто в виде биопленки, питаются экссудатами, выделяемыми самими гифами. Получается, гифы выделяют углерод так же, как и корни растений.
Это поистине миры внутри миров. И чем глубже мы проникаем в эту сложную систему, тем больше поразительных открытий нас ждет.
Миры внутри миров!
Кристин рисует картину невероятной сложности и взаимосвязанности. Грибы оказываются не просто "мусорщиками", поедающими старую древесину, а ключевыми распределителями энергии от живых растений. Они питаются "жидким углеродом" из корней и сами кормят бактерии своими выделениями. Это похоже на сложную транспортную и энергетическую сеть.
Под большим увеличением можно наблюдать удивительную картину: корневой волосок растения, окруженный выделяемыми им экссудатами. Эти капельки питательных веществ активно взаимодействуют с грибными гифами. Важно понимать, что это могут быть самые разные виды грибов — вокруг корней здоровых растений обитает целое сообщество полезных грибных организмов, если, конечно, почва не подвергается воздействию фунгицидов.
Именно фунгициды, как показывают исследования, наносят наибольший урон почвенной жизни среди всех агрохимикатов, подавляя жизненно важный грибной энергетический канал.
Особенно наглядно роль грибов демонстрируют эктомикоризные виды. Их гифы способны создавать невероятно густую и разветвленную сеть, оплетающую корень и простирающуюся далеко в почву. Эта сеть служит своего рода транспортной системой — «шоссе и Интернетом» почвы, эффективно перемещая и распределяя энергию, полученную от фотосинтеза и направленную растением через корни в почвенную экосистему.
Хотя эта транспортная и связующая роль наиболее очевидна и хорошо изучена у микоризных грибов, нам следует осознать, что и многие другие виды почвенных грибов, возможно, менее заметные визуально, выполняют схожие, критически важные функции, создавая свои невидимые сети по всей почве.
"Шоссе и Интернет почвы" – какая мощная метафора! Грибные сети (гифы) – это не просто пассивные структуры, это активные каналы передачи энергии, воды, питательных веществ и даже информации между растениями. И фунгициды, как подчеркивает Кристин, буквально обрубают эти жизненно важные коммуникации. Становится понятно, почему их считают самыми вредными агрохимикатами для почвенной жизни.
Таким образом, этот грибной энергетический канал является ключевым путем для поддержания биоразнообразия в почве, потому что эти грибные гифы поддерживают жизнь большинства других почвенных организмов через свои энергетические сети, а также соединяют растения через общие микоризные сети.
Сообщения могут передаваться от одного растения к другому через эти сети гиф, так же как энергия, вода и питательные вещества.
Весь процесс фотосинтеза и выделения корневых экссудатов признан основным путем почвообразования. Так что если вы все еще мыслите в рамках классической модели почвенной пищевой сети, вам нужно просто отложить ее в сторону и подумать об этом грибном энергетическом канале.
Итак, главный вывод этого раздела: хотите построить здоровую, плодородную почву? Забудьте о старой модели "разложения". Сфокусируйтесь на "жидком углеродном пути": живые растения -> фотосинтез -> корневые экссудаты -> грибной энергетический канал -> питание всего почвенного сообщества -> построение стабильного почвенного углерода (гумуса) и улучшение структуры почвы.
Этот путь – центральный, а разложение листового опада и прочей органики – лишь вспомогательный.
Растения, такие как овес, при благоприятных условиях могут выделять корнями обильные экссудаты. Это запускает процесс, приводящий к заметной трансформации почвенной структуры. В отсутствие такого активного взаимодействия с живыми корнями почва часто становится уплотненной и теряет структуру.
Одно из ключевых свойств корневых экссудатов — это их способность улучшать структуру почвы через стимуляцию грибного энергетического канала. Даже изначально бедные, например, песчаные почвы, могут значительно улучшиться благодаря деятельности почвенных грибов, питаемых через жидкостный углеродный путь (экссудаты). Примечательно, что такое улучшение структуры может происходить исключительно за счет работы грибных гиф, без внесения дополнительных растительных остатков или органического вещества.
В результате действия этого механизма формируется хорошо агрегированная почва. Грибные гифы оплетают и стягивают почвенные частицы, создавая устойчивые агрегаты. Между этими агрегатами образуются поры — необходимое пространство для циркуляции воздуха и проникновения воды, что коренным образом отличает такую почву от плотной, бесструктурной массы.
Песок превращается в структурированную почву не за счет добавления компоста, а благодаря работе живых корней и грибов, питаемых экссудатами! Это реально меняет парадигму. Не "добавить органику", а "вырастить живые корни, которые накормят грибы".
Мы сейчас знаем, что корневые выделения создают углерод в почве — формируют её структуру и запасают органику — в 5-30 раз быстрее, чем разложение надземной биомассы. Это заставляет пересматривать классическую модель почвенной пищевой сети, опиравшуюся на разложение остатков.
Мощь этого процесса можно увидеть на примерах растений с фермы Дерека Экстона. Даже молодое растение твердой пшеницы на ранней стадии быстро развивает глубокую зародышевую корневую систему, а заметные ризочехлы на узловых корнях свидетельствуют об активной работе грибного энергетического канала.
Принципиально важно, что эти корневые выделения — по сути, единственный способ активно создавать запасы углерода и строить структуру почвы на глубине. Да, мы можем вносить органику на поверхность, добавлять компост — это улучшает верхний слой. Но для настоящего построения глубокого, плодородного горизонта почвы нам необходимы живые корни, уходящие вглубь и питающие грибной энергетический канал лабильным углеродом.
Подумайте: в 5-30 раз быстрее! Живые, работающие корни — гораздо более эффективные строители почвы, чем мертвые остатки на поверхности. И главное — они делают это в глубине. Если мы стремимся создать не просто тонкий поверхностный слой, а по-настоящему глубокий, плодородный и устойчивый почвенный профиль, то ставка на живые корни и питаемый ими грибной мир является ключевой.
Социобиом
Почему я использовала термин «почвенный социобиом» для сегодняшнего разговора? Потому что то, что на самом деле происходит в почве, скрыто от наших глаз. Когда мы смотрим на нее, мы видим, в основном, просто землю.
Мы не видим, как растения взаимодействуют с микробами, и как микробы взаимодействуют с растениями. В конце я приведу один пример такого взаимодействия. И там происходят многочисленные взаимодействия между микробами.
В почве существуют разные уровни взаимодействий.
И это настоящий социальный вихрь. Это невероятно. Количество химических и биохимических сигналов, циркулирующих там, огромно. Существуют тысячи научных статей о том, как именно работает эта система обмена сообщениями.
Все взаимодействия между растениями, растениями и микробами, микробами и растениями, микробами и микробами, включают биохимическую сигнализацию. В почве обитают в основном одноклеточные существа, слишком маленькие, чтобы мы могли их видеть невооруженным глазом. Микробы не видят, не слышат и не обоняют. У них нет таких чувств, как у нас, чтобы воспринимать окружающую среду. Единственное, на что они могут реагировать – это температура, влажность и биохимическая сигнализация.
Биохимические сигналы позволяют микробу понять, где он находится в почве, что ему нужно делать, кто его соседи и сколько их. Они позволяют микробам координировать свое поведение и достигать удивительных вещей, например, строить агрегаты или доставлять питательные вещества растениям.
Вот оно – сердце концепции "социобиома". Почва – это не просто суп из микробов, это сложнейшая социальная сеть, где общение происходит на языке биохимии. Микробы "разговаривают" друг с другом и с растениями с помощью тысяч различных химических сигналов. Эти сигналы – их "глаза" и "уши", позволяющие им ориентироваться, координировать действия, сотрудничать или конкурировать.
Эти биохимические сигналы невероятно сложны — их тысячи. Суть этой сложнейшей системы в том, что каждый биохимический сигнал, по сути, молекула с уникальной пространственной формой.
Эта форма должна точно соответствовать, словно ключ к замку, специальному рецепторному участку на поверхности другого микроба, чтобы сигнал был им воспринят. Микроорганизмы, не имеющие подходящего "замка"-рецептора, просто проигнорируют данный "ключ"-сигнал.
Во многом это напоминает биохимическую сигнализацию в нашем собственном теле или любой живой системе: вырабатываются определенные вещества-сигналы, но реагируют на них лишь те клетки или органы, у которых есть соответствующие рецепторы для их "чтения".
Именно так, через этот сложнейший химический язык, бесчисленные обитатели почвы координируют свою жизнь и взаимодействия. Когда в горстке земли кипит такая разнообразная жизнь, биохимические сигналы становятся основным способом их общения.
Поразительно, как слаженно и точно все это работает. Но если задуматься, очень похожие процессы происходят и в нас самих. Прямо сейчас в наших телах циркулируют сотни различных биохимических сигналов, управляющих работой печени, почек, сердца — и все это регулируется на этом тончайшем уровне автоматически, без нашего сознательного участия.
Аналогия с человеческим телом помогает понять масштаб и сложность этой биохимической коммуникации. Как гормоны и нейромедиаторы управляют нашими органами, так и микробные сигналы управляют жизнью в почве. Это самоорганизующаяся система невероятной сложности. И ключ к ее оптимальной работе, как мы сейчас увидим, снова кроется в разнообразии.
Сила разнообразия
Теперь, благодаря технологиям и возможности интерпретировать сигналы растений, мы знаем, что они функционируют лучше всего, когда вокруг их корней обитает множество различных видов микробов. Лучший способ достичь этого – выращивать разные виды растений вместе.
Каждый вид растений поддерживает определенные виды микробов. Когда мы выращиваем растения вместе, важно, чтобы их корни действительно смешивались. Им не обязательно касаться друг друга, но растения должны быть достаточно близко, чтобы микоризные грибы связали их в общую микоризную сеть.
Даже немикоризные растения, например, крестоцветные, присоединятся к общей микоризной сети, если растут в смеси с другими видами, хотя они и не вносят в нее вклад. Они останутся частью сети и будут связаны с другими растениями через нее.
Много разных растений – это много разных микробов, что обеспечивает оптимальную работу системы.
Кристин подчеркивает важность "смешения корней". Растения должны быть достаточно близко, чтобы их подземные миры могли взаимодействовать, обмениваться сигналами и ресурсами через общие грибные сети. Даже "немикоризные" растения, вроде крестоцветных, могут подключиться к этой "социальной сети", если растут в компании "правильных" соседей.
Какое влияние оказывает смешение корней разных видов растений на продуктивность, иммунитет к вредителям и болезням, устойчивость к стрессам, таким как засухи или переувлажнение?
Здесь, в Австралии, у нас были сильные засухи, а теперь наводнения. То, что живет в почве, должно справляться со всеми этими стрессами, которые циклически повторяются по всему миру. Всегда есть различные экологические стрессы, с которыми приходится сталкиваться растениям и микробам.
Учитывая, что растения находятся в среде, которая временами может быть довольно суровой, и учитывая наши ожидания в плане продуктивности, очень важно знать, какое влияние смешение корней или совместное использование социобиома оказывает на эти функции.
Вопрос не праздный. Если разные растения, растущие вместе, создают более разнообразный и устойчивый "социобиом", то как это влияет на их собственное здоровье, урожайность и способность переносить невзгоды? Кристин переходит к объяснению механизмов этого удивительного сотрудничества.
Представьте два разных растения: одно бобовое, другое — злак. Чтобы получить максимальную пользу от взаимодействия их корневых систем, важно, чтобы эти растения принадлежали к разным семействам.
Когда я говорю о совмещении разных видов, я подразумеваю растения с различными функциональными признаками или из разных семейств. К примеру, нет большой пользы от посадки шести видов злаков рядом. Гораздо эффективнее будет посадить растения из шести разных семейств.
Вокруг корней растения формируется целая группа микробов — ризосферный микробиом. Микробы присутствуют и на других частях растения: листьях, стеблях, цветах, плодах — это филлосферный микробиом.
Кроме того, существует эндофитный микробиом, включающий всех микробов, обитающих внутри растения, — эндофитов. По мере изучения микробных взаимодействий мы все глубже осознаем важность именно эндофитов.
Большинство эндофитов попадает в растение из почвы. Растение привлекает их для выполнения определенных функций, зачастую — для преодоления питательного или экологического стресса. Оно фактически заимствует необходимые микроорганизмы из почвенного сообщества — социобиома.
Ключевая идея: разнообразие должно быть функциональным. Не просто много видов, а много разных типов растений (злаки, бобовые, разнотравье и т.д.), потому что каждый тип поддерживает свой уникальный набор микробов.
И когда эти разные микробные сообщества ("социобиомы") встречаются под землей, происходит нечто удивительное. Растения могут "заимствовать" полезных микробов, включая эндофитов (живущих внутри тканей), у своих соседей, чтобы справиться со стрессом!
Когда разные виды растений растут достаточно близко для обмена микробами — через смешение корней или общую микоризную сеть — происходит интересный феномен. Если под одним растением обитают микробы, отсутствующие у соседа, то растение может фактически 'позаимствовать' их. Таким образом, генетический материал микробных сообществ, ассоциированных с одним растением, становится доступным другому, помогая ему справляться со стрессами и усваивать питательные вещества.
Продуктивность растений напрямую зависит от разнообразия их микробиома. Если рядом растут два одинаковых растения, например, две кукурузы или две пшеницы, их микробиомы будут очень похожи, возможно, даже идентичны. Это создает отрицательную обратную связь, снижающую продуктивность.
Микробиом как бы 'обнаруживает', что соседний микробиом идентичен ему, и воспринимает его как конкурента.
Важно, что конкуренцию 'осознает' именно микробиом, а не само растение. Обнаружив идентичного 'соседа', микробное сообщество перестает сотрудничать и делиться ресурсами.
Напротив, если рядом оказываются растения из разных семейств, их микробиомы будут отличаться. В сельском хозяйстве вполне реально использовать комбинации из шести или восьми различных семейств растений. Такое разнообразие создает положительную обратную связь, повышая продуктивность.
Возникает вопрос: почему так происходит? Почему непохожие микробиомы начинают сотрудничать, а не конкурировать? Ответ кроется в самом факте различия: чем больше микробиомы отличаются друг от друга, тем активнее они взаимодействуют и сотрудничают.
Это просто поразительно! Оказывается, монокультура (одинаковые растения рядом) создает "конкуренцию микробиомов", и они перестают сотрудничать. А вот поликультура (разные растения рядом) запускает режим "сотрудничества микробиомов"! Почему? Кристин объясняет это с точки зрения стабильности всей системы.
А происходит это потому, что в разнообразном растительном сообществе, например, в дикой прерии, где сосуществует множество видов растений, у них разные функциональные признаки. Другими словами, они по-разному реагируют на условия окружающей среды: одни хорошо растут в жару, другие — в холод; одни предпочитают влажную почву, другие очень засухоустойчивы. Это означает, что практически в любое время года найдутся растения, способные к росту.
Если в таком растительном сообществе присутствуют виды, способные расти большую часть года, и все растения связаны под землей общей микоризной сетью (наиболее изученной из многих существующих в почве сетевых взаимодействий), то это обеспечивает системе постоянный приток энергии. Формируется разнообразная микробная сеть, активная круглый год. Напротив, если присутствует только один вид растений, он продуктивно растет лишь в определенный сезон или при специфических условиях. В остальное время года микробы в почве, по сути, голодают.
Таким образом, разнообразие видов растений выгодно микробному сообществу, и оно способно определять степень этого разнообразия. Если микробы обнаруживают значительные различия между растениями — иными словами, у растений разные микробиомы и они используют разные химические сигналы — тогда микробы начинают сотрудничать. Они создают положительную обратную связь и поддерживают друг друга. Именно это сотрудничество между микробиомами растений, а не между самими растениями, влияет на их продуктивность.
Логика железная. Разнообразное сообщество растений обеспечивает постоянный приток энергии (экссудатов) в почву в течение всего года. Это выгодно всему микробному сообществу.
Поэтому, когда микробиомы "видят" рядом с собой "непохожих" соседей (сигнал о разнообразии растений), они "понимают", что это залог стабильности, и начинают сотрудничать, делиться ресурсами, что в итоге повышает продуктивность всех растений в этом сообществе. А монокультура – это сигнал о нестабильности, голодовке в межсезонье, и микробиомы переходят в режим конкуренции.
Йенский эксперимент
Я неоднократно упоминала Йенский эксперимент, ставший классическим исследованием биоразнообразия. Он проводился в Восточной Германии на протяжении как минимум 15 лет. В эксперименте использовались четыре функциональные группы растений: злаки, бобовые, высокие и низкие травы. Последние две группы представляли собой травы, не относящиеся к бобовым.
Считаю важным при составлении смесей выходить за рамки простого сочетания злаков и бобовых. На участках высаживали смеси из одного, двух, четырех, восьми или шестнадцати видов растений. Важно отметить, что эти виды принадлежали к упомянутым четырем функциональным группам. Например, если на участке росло восемь видов, это были не просто восемь злаков или восемь бобовых. На таких участках были представлены все четыре функциональные группы, по два вида из каждой. Полагаю, наличие четырех функциональных групп имело большее значение, чем просто количество видов, например восемь.
Исследователи оценивали множество параметров: производство биомассы, численность полезных насекомых, микробную активность, водный баланс, а также циклы углерода, азота и фосфора. Результаты эксперимента легли в основу сотен научных публикаций.
Вот общий вид участка. Обратите внимание: позади экспериментальной площадки протекает река Йена. Я объясню важность этого факта чуть позже.
Было установлено, что с увеличением числа видов растений на участках наблюдался линейный рост биомассы. Вот данные для одного, двух, четырех, восьми и шестнадцати видов. И напомню: даже при наличии, например, восьми видов, они представляли все четыре функциональные группы, а не были лишь видами из одной группы. Эта линейная зависимость четко прослеживается.
Таким образом, чем выше видовое и функциональное разнообразие, тем больше производимая биомасса. Это имеет большое значение по ряду причин. Это справедливо и для биомассы основной культуры, и для пастбищной биомассы, и даже для покровных культур, выращиваемых для защиты почвы или питания почвенного микробиома. Ведь чем больше биомассы, тем интенсивнее фотосинтез, и тем активнее задействуется так называемый грибной энергетический канал.
Фактически, была выявлена прямая корреляция между разнообразием растений и активностью почвенных грибов. Поэтому популярные рассуждения об идеальном соотношении грибов и бактерий как один к одному или около того, неуместны. В действительности, желательно, чтобы это соотношение было значительно выше. Именно разнообразие растений является ключом к активации этого грибного энергетического канала.
Знаменитый Йенский эксперимент – это мощное подтверждение слов Кристин. Чем больше функциональных групп растений (не просто видов!), тем выше биомасса, тем активнее грибной канал. Это линейная зависимость! И стремиться нужно не к мифическому соотношению грибов к бактериям 1:1, а к максимальному развитию грибной сети через разнообразие растений.
Рассмотрим ситуацию, когда присутствуют растения всего двух разных функциональных групп – например, злак и бобовое. При таком ограниченном разнообразии почва может формироваться лишь до определенной глубины.
В противоположность этому, там, где представлено большее разнообразие — скажем, четыре функциональные группы и восемь видов — такое растительное сообщество способно формировать значительно более глубокую почву, поскольку их микробиомы активно сотрудничают.
Преимущество такой глубокой почвы стало очевидным, когда река разлилась, и весь экспериментальный участок оказался под водой. Уровень воды достигал примерно метра и держался несколько недель. Ученые опасались, что эксперимент полностью провалится. Однако выяснилось, что участки с высоким разнообразием растений прекрасно перенесли затопление, в отличие от монокультур.
Обратная сторона медали: засухоустойчивость также значительно выше там, где представлено высокое разнообразие различных функциональных групп растений. Вновь возвращаясь к нашему примеру, системы с четырьмя функциональными группами демонстрируют гораздо лучшую устойчивость к засухе.
Разнообразие строит более глубокую и устойчивую почву! Это доказал Йенский эксперимент, когда участки с поликультурами пережили длительное затопление, а монокультуры погибли. То же самое касается и засухи.
Почему?
Потому что растения в разнообразном сообществе могут помогать друг другу выживать в экстремальных условиях, используя ресурсы общего социобиома.
Роль Эндофитов
Когда растения существуют в разнообразных сообществах, они могут эффективнее реагировать на засуху, рекрутируя микробов из микробиомов соседних, непохожих на них видов. Именно это разнообразие становится критически важным в экстремальных условиях засухи. В таких суровых климатических ситуациях разнообразие выходит на первый план. Например, во время засухи какой-либо вид растения сам по себе может быть недостаточно засухоустойчив. Однако, если он растет рядом с более устойчивым соседом, он способен рекрутировать микробов от этого другого растения.
Когда эти микробы проникают в растение через корни, они становятся эндофитами – организмами, живущими внутри его тканей. Растению приходится их кормить, а значит, активнее фотосинтезировать и производить больше энергии, чтобы содержать этих «постояльцев». Однако растение идет на такие затраты, только если получает взамен ощутимую пользу.
Эти микробы способны вызывать в растении-хозяине физиологические изменения, на которые оно само не способно. Например, они могут производить ферменты, способствующие утолщению клеточных стенок или снижению потерь влаги при транспирации, предоставляя и другие подобные преимущества. Научные данные подтверждают, что полезные эндофиты могут значительно повышать засухоустойчивость растений. Следовательно, эта устойчивость имеет не генетическую, а микробную природу. Этот механизм вновь подчеркивает важность разнообразия и общего ризосферного микробиома, что, в свою очередь, требует тесного контакта и переплетения корневых систем разных растений.
Вот вам и механизм! Растение, страдающее от засухи, может "позвать на помощь" микробов-эндофитов из-под своего более стойкого соседа. Эти микробы поселяются внутри растения-хозяина и помогают ему изменить свою физиологию – например, утолщить клеточные стенки, чтобы меньше терять воду.
За это растение их кормит. Это взаимовыгодное сотрудничество, возможное только в разнообразном сообществе! Устойчивость к стрессу – это не только генетика растения, но и "микробный апгрейд", который оно может получить от соседей.
Более высокая продуктивность, которую мы наблюдаем в разнообразных растительных сообществах, обусловлена целым комплексом различных факторов. Это своего рода пазл — необходимо сложить воедино все его составляющие. Нельзя утверждать, что причина кроется лишь в чем-то одном.
Наличие множества различных семейств растений приводит к разнообразию в архитектуре листьев. Некоторые растения, например злаки, будут иметь довольно узкие листья, расположенные, допустим, под углом около 45 градусов. Они не улавливают значительного количества света.
Другие же, такие как подсолнечник, будут обладать большими, широкими, раскрытыми листьями, собирающими много света. Именно подобное разнообразие в архитектуре листьев обеспечивает наиболее полный перехват солнечного света, а это, в свою очередь, означает, что фотосинтез будет протекать с большей скоростью.
В результате мы имеем более высокую фотосинтетическую способность, что означает большее выделение углерода в почву. Большее количество экссудатов, в свою очередь, поддерживает большее число микробов. А большее число микробов предоставляет доступ к более обширному генофонду. Подчеркну: когда я говорю «больше микробов», я имею в виду именно большее количество различных видов микробов, поскольку у нас присутствуют разные виды растений.
И это имеет большое значение для структуры почвы, для процесса образования агрегатов, поскольку различные виды бактерий и грибов, совместно с корнями растений, корневыми экссудатами и прочими компонентами, работают скоординированно, чтобы формировать почвенные агрегаты. Сюда же относится и фиксация азота — я сейчас говорю конкретно о свободноживущей фиксации азота, и я планирую рассказать об этом подробнее через пару недель. Устойчивость к болезням, а также к морозу, засухе и наводнениям — все эти свойства появляются благодаря микробному разнообразию, которое, в свою очередь, является следствием разнообразия растительного сообщества.
Важно отметить, что эти разнообразные системы способны к самоорганизации. Микробы действительно понимают, что им нужно делать. Они знают это благодаря наличию у них настолько сложных механизмов сигнализации, что мы лишь начинаем постигать, как в действительности эта сигнализация функционирует: как микробы производят различные сигналы, как они на них реагируют, и как они определяют, на какие именно сигналы следует реагировать.
Да, под нашими ногами раскинулся поистине очень, очень сложный мир, но это также и очень, очень хорошо организованный мир.
Кристин собирает все воедино. Разнообразие растений – это ключ к каскаду положительных эффектов: лучший перехват света -> больше фотосинтеза -> больше экссудатов -> больше разных микробов -> лучший доступ к генофонду микробов (для адаптации) -> улучшение структуры почвы, фиксации азота, устойчивости к болезням и стрессам. И вся эта система самоорганизуется благодаря сложнейшей биохимической сигнализации. Микробы "знают", что делать.
Кто здесь Главный?
Представьте себе лес, где деревья разных видов тайно помогают друг другу выжить. Но кто на самом деле дергает за ниточки в этом сложном мире? Ответ может оказаться совсем не там, где вы ожидаете!
Чтобы дать вам представление: я упоминала, что существует множество различных уровней взаимодействия. Самые изученные и часто обсуждаемые — это взаимодействия между растениями и микробами.
Мы знаем, что растения производят сигнальные вещества, стимулирующие определенных микробов — тех, которые им нужны для конкретных целей.
В свою очередь, микробы тоже посылают сигналы, которые могут влиять на растения и положительно, и отрицательно. Так что это улица с двусторонним движением. Кроме того, микробы обмениваются сигналами и между собой, влияя друг на друга — опять же, и в плюс, и в минус.
Захватывающе, не правда ли? Мы обычно смотрим на растения, на деревья, и видим лишь верхушки айсберга, не подозревая о сложнейшей сети коммуникаций, которая пронизывает почву под ними.
Это похоже на оживленный город, где все постоянно общаются, договариваются, обмениваются информацией и ресурсами.
Кристин Джонс подчеркивает, что это не хаотичный гул, а хорошо организованный диалог, идущий на разных уровнях и в разных направлениях. Растения "заказывают" нужных им помощников, микробы "отвечают" и взаимодействуют между собой – целая социальная сеть под землей!
Существуют различные уровни взаимодействия, о которых мы говорим. Хотела бы привести один пример. Я давно не касалась этой темы, хотя возможно, я упоминала его раньше.
Речь идет о сетевом взаимодействии между деревьями в лесу. Хотя его часто приписывают самим деревьям, на деле же их вклад здесь — это лишь фотосинтез; основная же "работа" выполняется общей микоризной сетью, которая их связывает.
Вот конкретный пример: береза (Betula papyrifera), и пихта (Pseudotsuga menziesii).
Пихта — вечнозеленое дерево; возможно, вам в Северном полушарии оно знакомо лучше, чем мне. Она способна фотосинтезировать в той или иной степени круглый год.
Береза, напротив, — дерево листопадное, она сбрасывает листву на зиму. Эти два вида деревьев соединены под землей общей микоризной сетью. Грибная сеть в почве получает всю свою энергию исключительно от фотосинтеза растений-партнеров.
Летом, когда береза покрыта пышной листвой, она улавливает значительно больше солнечного света, чем пихта, особенно если пихта молодая и растет в тени березы. В результате бóльшая часть энергии, поступающей в общую грибную сеть в этот период, исходит от березы. Однако затем происходит вот что: грибная сеть направляет часть этой энергии к сеянцу пихты Дугласа, затененному березой. Без такой поддержки сеянец пихты, скорее всего, не выжил бы летом из-за недостатка света.
Этот феномен часто ошибочно приписывают альтруизму дерева: мол, посмотрите, какая добрая береза — поддерживает пихту другого вида!
Но в действительности именно грибная сеть поддерживает жизнь этого молодого дерева. Возникает вопрос: зачем грибной сети заботиться о выживании какой-то пихты? Почему это для нее важно?
Потому что зимой, когда береза сбросит листья и прекратит фотосинтез, единственным источником энергии для общей микоризной сети становится вечнозеленая пихта, которая продолжает фотосинтезировать и в холодное время года.
Стоп! Давайте переварим всё это.
Береза, купаясь в летнем солнце, щедро делится энергией... но не напрямую с пихтой, а с грибной сетью. А уже эта сеть, как мудрый посредник, перенаправляет часть ресурсов затененной пихте, спасая её.
А зимой уже пихта "возвращает долг", питая ту же самую грибную сеть, когда береза "спит". Это же поразительный пример взаимовыгодного сотрудничества, организованного третьей стороной – грибами!
Грибная сеть выступает не просто как трубопровод, а как своего рода инвестиционный фонд, вкладывающий ресурсы туда, где они принесут пользу всей системе в долгосрочной перспективе. Они поддерживают биоразнообразие не из абстрактной любви к природе, а потому что это гарантирует им стабильный источник питания круглый год.
Этот лесной пример подводит нас к ключевому вопросу: кто же на самом деле главный в этой сложной экосистеме? Кто определяет правила игры и направляет потоки ресурсов?
«Это очень простой пример всего лишь с двумя видами деревьев. Но он наглядно демонстрирует невероятную силу общей микоризной сети. Он показывает, почему эта сеть функционирует именно так: потому что в интересах самих микробов поддерживать жизнь как можно большего числа различных видов растений.
Ведь именно это разнообразие гарантирует поступление энергии в систему на протяжении максимального периода в году.
Так кто же здесь главный, кто дирижирует этим процессом? На самом деле, именно микробы контролируют происходящее. И это несмотря на то, что мы смотрим на эти огромные деревья, на этих лесных гигантов! А ведь энергия, перемещающаяся в почве под ними, направляется и распределяется именно микробами.»
Вот это поворот! Мы видим величественные деревья и думаем, что они – хозяева леса. А на самом деле, стратегические решения о распределении жизненно важной энергии принимают микроскопические грибы и бактерии под землей.
Они – настоящие "серые кардиналы" лесной экосистемы. Их интерес в стабильности и разнообразии движет всей системой. Это заставляет совершенно по-новому взглянуть на мир Природы – не как на пирамиду с хищником на вершине, а как на сложную сеть, где самые маленькие игроки могут держать в руках ключевые рычаги управления.
Сигналы повсюду
Сложность и организованность подземного мира может показаться чем-то уникальным. Но Кристин Джонс проводит интересные параллели, показывая, что принципы химической коммуникации и самоорганизации универсальны в природе.
«Вот, собственно, все, что я хотела рассказать о почвенном социобиоме в технических деталях, потому что его химия может стать невероятно сложной.
Думаю, если мы посмотрим на таких существ, как насекомые, мы, вероятно, увидим, что между насекомыми и растениями, растениями и насекомыми, насекомыми и другими насекомыми происходит необычайная химическая сигнализация.
Разве не поразительно, как опылители находят дорогу? Они прилетают к цветку, возвращаются, 'рассказывают' другим, где он находится, и затем все вместе находят путь назад, даже если цветок за многие километры от них?
Сигнализация, которую мы наблюдаем в других экосистемах, так же необычайна, как и сигнализация, происходящая в почве. Но нам, возможно, чуть проще её понять, когда речь идет о чем-то крупном, что мы можем видеть своими глазами. Мы осознаем, что это очень сложно, но в то же время чрезвычайно хорошо организовано.
Точно так же и в почве: все очень сложно, но при этом исключительно организованно. И подобно тому, как насекомые и растения, кажется, способны управлять всем над землей, так и микробы с растениями, и, конечно, почвенная фауна – все наши беспозвоночные обитатели почвы – умудряются самоорганизоваться. И по большей части это происходит через ту или иную форму биохимической сигнализации.»
Кристин гениально связывает невидимый мир почвы с тем, что мы можем наблюдать: поведением насекомых. Сложные танцы пчел, химические метки муравьев, привлекающие ароматы цветов – все это примеры той же самой биохимической сигнализации, того же языка Природы, на котором общаются и микробы под землей. Это помогает нам осознать, что почва – это не просто инертная масса, а живая, динамичная, самоорганизующаяся система, функционирующая по общим для всей природы законам.
Сложность не означает хаос; напротив, она порождает удивительный порядок и эффективность.
Кристин завершает свою лекцию, еще раз подчеркнув сложность, но при этом поразительную организованность и универсальность принципов биохимической сигнализации в Природе – как над землей, так и под ней.
Мир почвы предстает перед нами не как набор отдельных компонентов, а как единый, разумно устроенный "социобиом".
Продолжение: Вопросы и ответы.
Статья создана по материалам лекции Secrets of the Soil Sociobiome with Dr. Christine Jones.