Το Soil’s Microbial Market δείχνει την αδίστακτη πλευρά των δασών

Κάτω από τον πράσινο κόσμο των λαχανικών που βλέπουμε είναι ένας σκοτεινός μικροβιακός κόσμος που δεν βλέπουμε. Οι καλλιέργειες που τρώμε, τα δάση που μας συντηρούν και οι περισσότερες άλλες μορφές ζωής, ακόμη και η ρύθμιση του κλίματος της Γης - όλα επωφελούνται από ένα σκιερό δίκτυο μυκήτων και βακτηρίων που κινητοποιούν τα θρεπτικά συστατικά του εδάφους και τα ανταλλάσσουν με φυτά για σάκχαρα και λίπη. Και όμως η λειτουργία αυτής της υπόγειας κοινωνίας είναι σχεδόν άγνωστη στους επιστήμονες. Για παράδειγμα, οι ερευνητές μόλις χαρτογράφησαν για πρώτη φορά την παγκόσμια κατανομή τριών μεγάλων ομάδων αυτών των μικροβίων. Ακόμη και το 2019, αυτό που βρίσκεται κάτω από τα πόδια μας παραμένει ένα πραγματικό επιστημονικό σύνορο.

Παρά αυτό το γνωσιολογικό θολό, το ενδιαφέρον του κοινού για το υπόγειο οικοσύστημα έχει εκραγεί. Οι ομιλίες του TED και τα βιβλία μπεστ σέλερ εξυμνούν τον καλοπροαίρετο, συνεργατικό «ξύλινο ιστό» των υπόγειων οργανισμών που επικοινωνούν, μοιράζονται θρεπτικά συστατικά και συντηρούν ο ένας τον άλλον.

Ο Toby Kiers, ένας εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο VU του Άμστερνταμ, βρίσκεται στην εμπροσθοφυλακή μιας νέας γενιάς επιστημόνων που αμφισβητούν αυτή τη θολή άποψη. Μέσω καινοτόμων και πρωτοποριακών μελετών, η Kiers και οι συνεργάτες της συγκέντρωσαν αποδείξεις ότι τα φυτά και οι μύκητες συνωμότες τους όχι μόνο συνεργάζονται μεταξύ τους, αλλά και εμπλέκονται σε μια θορυβώδη και συχνά ακραία αγορά που διέπεται από την προσφορά και τη ζήτηση, όπου όλοι θέλουν να πάρουν το καλύτερο ασχολούνται για τον εαυτό τους και το είδος τους.

Το κλειδί για αυτήν την εικόνα είναι η αποκάλυψη ότι ο αόρατος υπόγειος κόσμος είναι εξίσου περίπλοκος, περίπλοκος και σκόπιμος με τον ορατό υπέργειο κόσμο που κατοικούμε. Τα μικρόβια δεν είναι απλά, παθητικά αξεσουάρ για τα φυτά, αλλά δυναμικοί, ισχυροί ηθοποιοί από μόνα τους. Οι μύκητες μπορούν να συσσωρεύσουν θρεπτικά συστατικά, μπορούν να ανταμείψουν τα γενναιόδωρα φυτά με τα αποθέματά τους άνθρακα και να τιμωρήσουν εκείνα που είναι τσιγκούνη και μπορούν επιδέξια να μετακινήσουν και να ανταλλάξουν πόρους για να επιτύχουν την καλύτερη «συμφωνία» για τον εαυτό τους ως αντάλλαγμα.

Αυτά είναι μάλλον μόνο η αρχή των ταλέντων τους. Σε μια εργασία που δημοσιεύθηκε τον Ιούνιο, η Kiers και οι συνεργάτες της πρωτοστάτησαν σε μια μέθοδο για να φωτίσουν την αγορά των μυκήτων σε δράση - για να κάνουν το αόρατο ορατό. Η δελεαστική έρευνα υπαινίσσεται μια ικανότητα που έχει υποψιαστεί αλλά δεν αποδείχθηκε ποτέ:ότι οι μύκητες μπορεί να μην είναι απλώς έμποροι θρεπτικών ουσιών αλλά και εξελιγμένοι επεξεργαστές πληροφοριών.

Ο Kiers είναι ο πρώτος που παραδέχτηκε ότι οι επιστήμονες έχουν πολλά να κάνουν για να μπερδέψουν τους κρυμμένους κανόνες των μικροσκοπικών δικτυωμένων οργανισμών που κατά κάποιο τρόπο υποστηρίζουν όλους εμάς τους υπόλοιπους. «Δεν σου φαίνεται παράξενο;» είπε. «Γνωρίζουμε τόσα πολλά για άλλους τύπους δικτύων. Αυτό είναι αναμφίβολα το πιο σημαντικό δίκτυο για τα οικοσυστήματα μας, αλλά απλά δεν γνωρίζουμε τίποτα γι' αυτό. … Είναι ριζικά ανεπαρκώς μελετημένο.”

Αρχαίοι συνεργάτες

Όταν τα φυτά έμπαιναν στη γη πριν από περίπου 500 εκατομμύρια χρόνια, τα μικρόβια περίμεναν. Μύκητες και βακτήρια δημιούργησαν σχέσεις με τους νέους γείτονές τους. Τα φυτά, τελικά, θα μπορούσαν να κάνουν κάτι που τα περισσότερα μικρόβια δεν μπορούσαν:να αξιοποιήσουν την ηλιακή ενέργεια για να διασπάσουν το διοξείδιο του άνθρακα της ατμόσφαιρας και να δημιουργήσουν σάκχαρα και λίπη πλούσια σε ενέργεια από τα κομμάτια. Τα μικρόβια, με τη σειρά τους, είχαν κατακτήσει την τέχνη της απελευθέρωσης των θρεπτικών συστατικών που χρειάζονταν τα φυτά από το έδαφος - ιδίως του φωσφόρου, αλλά και του αζώτου. Υπάρχουν ενδείξεις ότι τα μικρόβια βοηθούν τα φυτά να αποκτήσουν επίσης πρόσβαση στο νερό. Περίπου το 80 τοις εκατό ή περισσότερο των σημερινών χερσαίων φυτών σχηματίζουν συνεργασίες με μύκητες. άλλα φυτά συνεργάζονται με βακτήρια. Εάν το έδαφος καθαριζόταν με κάποιο τρόπο από τα μικρόβια του, ο κόσμος των φυτών και των ζώων θα δεχόταν μεγάλο πλήγμα. Οι απόψεις του μεγάλου φυσιοδίφη Ε.Ο. Ωστόσο, ο Wilson, είναι μικρόβια, όχι έντομα, που κυβερνούν τον κόσμο.

Και όμως το μικροβίωμα του εδάφους είναι ελάχιστα γνωστό και ακόμη λιγότερο εκτιμημένο. Υπάρχουν λόγοι για αυτό:το έδαφος είναι αδιαφανές και τα μικρόβια είναι, λοιπόν, μικροσκοπικά. Είναι επίσης δύσκολο να μελετηθούν. πολλά δεν θα αναπτυχθούν στο εργαστήριο και τα δίκτυα μυκήτων που διαπερνούν το έδαφος σπάνε εύκολα όταν εξαχθούν. Κυρίως, όμως, τα μικρόβια συγχέουν την κατανόησή μας για τη ζωή, η οποία έχει διαμορφωθεί από την εμπειρία μας από τον υπέργειο κόσμο. Μερικοί μύκητες δεν έχουν κατάλληλα κύτταρα, για παράδειγμα: Οι πυρήνες τους που περιέχουν DNA επιπλέουν μέσα από νήμα υπόγεια δίκτυα που μπορεί να έχουν μήκος χιλιόμετρα. Είναι συχνά δύσκολο να πούμε τι σημαίνει για τους μύκητες να κάνουν σεξ ή ακόμα και να ορίσουμε τι αποτελεί ένα άτομο.

Καθώς οι επιστήμονες άρχισαν να εκτιμούν τη σημασία των συνεργασιών μικροβίων-φυτών, τουλάχιστον σε γενικές γραμμές, πολλοί άρχισαν να βλέπουν τον φυσικό κόσμο ως ένα συνεργατικό, ακόμη και κοινοτικό είδος τόπου. Στη δεκαετία του 1970, η μικροβιολόγος Lynn Margulis και ο χημικός James Lovelock ανέπτυξαν την υπόθεση της Γαίας, η οποία υποστηρίζει ότι η βιόσφαιρα της Γης είναι, κατά κάποιο τρόπο, ένας ενοποιημένος αυτορυθμιζόμενος οργανισμός. Η ύπαρξη αμοιβαία επωφελών σχέσεων μεταξύ των ειδών, ακόμη και μεταξύ των βασιλείων, ταιριάζει ακριβώς σε αυτήν την εικόνα.

Στα μέσα της δεκαετίας του 1990, μια νεαρή βιολόγος ονόματι Suzanne Simard, τώρα στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας, αποφάσισε να δοκιμάσει αυτή την ιδέα σε ένα δάσος. «Μερικοί άνθρωποι νόμιζαν ότι ήμουν τρελή», είπε ο Simard (ο οποίος δεν απάντησε σε πολλαπλά αιτήματα συνέντευξης) σε μια ομιλία του TED το 2016. Για το διδακτορικό της έργο στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Όρεγκον, πήρε διοξείδιο του άνθρακα με ισότοπα ραδιενεργού άνθρακα και το έκανε έγχυση σε σάκους που ήταν τοποθετημένοι γύρω από σημύδες σε μέγεθος πίντας που φύτρωναν κοντά σε σπορόφυτα έλατου Ντάγκλας. Μετά από λίγη ώρα, έτρεξε έναν μετρητή Geiger κατά μήκος των ελάτων του Ντάγκλας και η συσκευή ήχησε σαν τρελή. Επιπλέον, διαπίστωσε ότι ο ραδιενεργός άνθρακας θα μπορούσε επίσης να ρέει από τα έλατα Douglas στις σημύδες, αν φύτευε τις σακούλες κοντά στα έλατα. Είχε ανακαλύψει ότι τα δέντρα μοιράζονταν άνθρακα μέσω υπόγειων δικτύων. Τα ευρήματά της δημοσιεύτηκαν στο Nature το 1997, άναψε φωτιά κάτω από τους επιστήμονες και το κοινό.

Περιγράφοντας αυτό που βρήκε, η Simard τόνισε τη συνεργασία που θεωρεί εγγενή στη φύση. "Ένα δάσος είναι ένα συνεταιριστικό σύστημα και αν ήταν όλα σχετικά με τον ανταγωνισμό, τότε θα ήταν πολύ πιο απλό μέρος", είπε στο Yale Environment 360 το 2016. «Γιατί ένα δάσος να είναι τόσο ποικιλόμορφο; Γιατί θα ήταν τόσο δυναμικό;» Στην ομιλία της στο TED, η Simard αναφέρθηκε στα δάση ως «υπερσυνεργάτες» και έκανε τον τολμηρό ισχυρισμό ότι τα δέντρα όχι απλώς συνεργάζονται αλλά επικοινωνούν. Περιέγραψε τις σημύδες και τα έλατα Ντάγκλας ως «ζωντανή αμφίδρομη συνομιλία» με τη μεσολάβηση των underground συνεργατών τους. «Είχα βρει στέρεες αποδείξεις για αυτό το τεράστιο υπόγειο δίκτυο επικοινωνιών», είπε, προσθέτοντας αργότερα στην ομιλία, «Μέσα από συνομιλίες μεταξύ τους, αυξάνουν την ανθεκτικότητα ολόκληρης της κοινότητας».

Λίγο καιρό αφότου ο Simard σάρωσε δενδρύλλια στον ομιχλώδη Βορειοδυτικό Ειρηνικό, ο Kiers απομάκρυνε από το Κολέγιο Bowdoin στο παγωμένο Μέιν στο ζεστό και υγρό νησί Barro Colorado στον Παναμά. Είχε γοητευτεί από τον υπόγειο κόσμο και, μετά από πρόταση του προπτυχιακού μέντορά της, πέρασε ένα χρόνο στον περίφημο τροπικό σταθμό του Smithsonian στο κεντρικό κανάλι του Καναλιού του Παναμά, μελετώντας πώς οι μύκητες του εδάφους βοηθούν τα τροπικά δέντρα να αναπτυχθούν. Στη συνέχεια τελείωσε το πτυχίο της και κατευθύνθηκε στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Ντέιβις. Εκεί άρχισε να μελετά έναν από τους πιο διάσημους αλληλοβοήθειας στον κόσμο, αυτόν ανάμεσα στα φυτά της οικογένειας των οσπρίων - που περιλαμβάνει σημαντικές καλλιέργειες όπως η σόγια και η μηδική και δέντρα όπως η ακρίδα - και τα ριζοβιακά βακτήρια. Αυτά τα εξειδικευμένα μικρόβια φωλιάζουν σε σφαιρικούς λευκούς όζους στις ρίζες των φυτών και γίνονται εργοστάσια θρεπτικών ουσιών, μετατρέποντας το ανόργανο άζωτο από τον αέρα σε βιολογικά χρήσιμες μορφές. Στη συνέχεια ανταλλάσσουν το άζωτο στα φυτά για σάκχαρα πλούσια σε άνθρακα.

Φαίνεται σαν μια ισορροπημένη, χρήσιμη ανταλλαγή μεταξύ φιλικών εταίρων. Αλλά για τον Kiers, η καλοπροαίρετη, εστιασμένη στη συνεργασία άποψη που προωθούσαν στοχαστές όπως ο Margulis και ο Simard ήταν ύποπτη. Αντίθετα, ο Kiers είδε έναν κόσμο διατεταγμένο από μεμονωμένα συμφέροντα, όπου πιθανοί απατεώνες κρύβονταν παντού και τα είδη χρειάζονταν περίπλοκες στρατηγικές για να διατηρήσουν τους εμπορικούς τους εταίρους στη γραμμή.

«Είχα συνειδητοποιήσει… ότι με ενδιαφέρει λιγότερο η συνεργασία και στην πραγματικότητα με ενδιαφέρει πολύ περισσότερο η ένταση», είπε ο Kiers. «Νομίζω ότι υπάρχει μια υποεκτίμηση του τρόπου με τον οποίο η ένταση οδηγεί την καινοτομία. Η συνεργασία για μένα υποδηλώνει στασιμότητα.»

Όπως έμαθε σύντομα, η αλληλεπίδραση οσπρίων-βακτηρίων δεν είναι τόσο απλή. Ένα μόνο όσπριο μπορεί να φιλοξενήσει 10 ή περισσότερα στελέχη βακτηρίων. Για τον Kiers, αυτό προκάλεσε μια ιδέα από τον οικολόγο Garrett Hardin, του οποίου το διάσημο δοκίμιο του 1968 στο Science , «The Tragedy of the Commons», υποστήριξε ότι τα άτομα που επιδιώκουν τα δικά τους συμφέροντα μπορούν να καταστρέψουν ένα κοινό περιβάλλον ή πόρο. Το ίδιο το όσπριο θα μπορούσε να θεωρηθεί ως ένα κοινό είδος και κάθε δεδομένο βακτηριακό στέλεχος θα μπορούσε να συσσωρεύσει άζωτο ενώ συνεχίζει να τρέφεται με τα σάκχαρα του φυτού. «Γιατί να διορθώσουν το άζωτο - τι τους έχει;» ρώτησε ο Ford Denison, σύμβουλος του Kiers, τώρα επίκουρος καθηγητής που διευθύνει ένα εργαστήριο οικολογίας και εξέλιξης στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα.

Μαζί με τον Stuart West, έναν θεωρητικό της εξέλιξης στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, τον οποίο είχε γνωρίσει ο Kiers στον Παναμά, αυτή και ο Denison μοντελοποίησαν μαθηματικά την αλληλεπίδραση ψυχανθών-ριζόβιας, δείχνοντας ότι εάν τα βακτήρια μπορούσαν να «εξαπατήσουν» τους φυτικούς ξενιστές τους, η σχέση θα καταρρεύσει όσο περισσότερο και άλλα στελέχη ελαττώθηκαν. Οι Kiers, Denison και ο συνάδελφός τους Robert Rousseau σχεδίασαν στη συνέχεια ένα πείραμα που ουσιαστικά θα ανάγκαζε ορισμένα από τα βακτήρια να απατήσουν.

Ο Kiers περιέβαλε μερικά οζίδια σε φυτά σόγιας με παροχή αέρα σχεδόν χωρίς άζωτο, καθιστώντας τα βακτήρια σε αυτά τα οζίδια άχρηστα για το φυτό. Διαπίστωσε ότι το φυτό αντέδρασε διακόπτοντας την παροχή οξυγόνου σε αυτά τα βακτήρια, μειώνοντας δραστικά την αναπαραγωγή τους. Φαινόταν ότι η σχέση μεταξύ των βακτηρίων και της σόγιας, κάθε άλλο παρά μια ευτυχισμένη φιλία, ήταν μια δυσάρεστη ύφεση, με το φυτό να επιβάλλει ακρωτηριαστικές κυρώσεις σε όσους βακτηριακούς συνεργάτες δεν κατάφεραν να κερδίσουν τη φυλή τους. Η εργασία, η οποία δημοσιεύτηκε στο Nature πριν καν πάρει το διδακτορικό της η Κιερς, έκανε τεράστιο πάταγο. «Είναι το έγγραφο με τις περισσότερες αναφορές στην καριέρα μου», είπε ο Denison.

Στη συνέχεια, ο Kiers άλλαξε από βακτήρια σε μύκητες. Ενώ τα βακτήρια μπορεί να φωλιάζουν στις ρίζες επιλεγμένων ομάδων φυτών, οι μύκητες είναι χωρίς αμφιβολία οι κύριοι της υπόγειας περιοχής. Ορισμένοι μύκητες εξαπλώνονται σε τεράστιες εκτάσεις και αναμειγνύονται με σχεδόν κάθε φυτό που συναντούν, στέλνοντας ακόμη και κλωστές, γνωστές ως υφές, απευθείας στις ρίζες των φυτών. (Το όνομα για αυτούς τους μύκητες - "mycorrhizae" - κυριολεκτικά συγχωνεύει το λατινικό myco- , που σημαίνει «μύκητες», με το ελληνικό rhiza , ή «ρίζα».) Πράγματι, ο μυκόρριζος κόσμος σχηματίζει ένα είδος αναστροφής του φυτικού, με διακλαδισμένα δίκτυα μυκήτων που εκτείνονται προς τα κάτω, αντικατοπτρίζοντας τους διακλαδισμένους μίσχους και τα άκρα των φυτών που φτάνουν προς τον ουρανό.

Αλλά αυτό που πραγματικά διακρίνει τον κόσμο των μυκήτων είναι η ποικιλομορφία και η πολυπλοκότητά του. Μια κουταλιά χώματος περιέχει περισσότερα μικροβιακά άτομα από όσα υπάρχουν άνθρωποι στη Γη. «Είναι ο πιο πυκνός βιότοπος που έχουμε», δήλωσε η Edith Hammer, οικολόγος εδάφους στο Πανεπιστήμιο Lund στη Σουηδία. Ένα μεμονωμένο φυτό μπορεί να ανταλλάσσει μόρια με δεκάδες μύκητες - καθένας από τους οποίους μπορεί με τη σειρά του να ανταλλάσσει μόρια με ίσο αριθμό φυτών. Είναι ένα άτακτο πάρτι εκεί κάτω.

Αντιμέτωποι με μια τέτοια συντριπτική πολυπλοκότητα, οι επιστήμονες πρέπει να απλοποιήσουν, όχι πολύ (όπως φέρεται να είπε ο Αϊνστάιν). Η Kiers και οι συνάδελφοί της το έκαναν με ένα πιάτο Petri χωρισμένο σε τρία ίσου μεγέθους διαμερίσματα, σαν σύμβολο της Mercedes. Σε ένα, μεγάλωσαν ρίζες καρότου χωρίς φύλλα μαζί με είδη μυκήτων που είναι γνωστό ότι συνδέονται με τα καρότα. Οι μυκητιακές υφές, αλλά όχι οι ρίζες των φυτών, μπόρεσαν να αναπτυχθούν στα άλλα δύο διαμερίσματα για να αναζητήσουν θρεπτικά συστατικά. Οι ερευνητές έδωσαν μια ειδική «βαριά» μορφή άνθρακα (το ισότοπο άνθρακα-14) στα καρότα. έκαναν επίσης διαθέσιμο φώσφορο στους μύκητες που έφταναν σε ένα από τα άλλα δύο διαμερίσματα. Με αυτόν τον τρόπο, οι επιστήμονες θα μπορούσαν να παρακολουθούν την κίνηση των σακχάρων και των θρεπτικών ουσιών μέσω του απλοποιημένου οικοσυστήματος. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, μέτρησαν την ανάπτυξη των μυκήτων και διαπίστωσαν ότι οι μύκητες με φώσφορο προς εμπορία έλαβαν πολύ περισσότερο άνθρακα από τα φυτά.

Αυτό που έκανε η ομάδα του Kiers στη συνέχεια ήταν το πραγματικό πραξικόπημα. Ανέστρεψαν τη διάταξη:ρίζες καρότου με μύκητες σε δύο διαμερίσματα και ένα διαμέρισμα που μόνο ο μύκητας μπορούσε να φτάσει. Έδωσαν στο ένα διαμέρισμα καρότου περισσότερη ζάχαρη από το άλλο. Περίμεναν και μετά μέτρησαν. Το φυτό με περισσότερη ζάχαρη στο εμπόριο είχε λάβει πολύ περισσότερο μυκητιακό φώσφορο (ο οποίος σε αυτό το πείραμα ήταν αναγνωρίσιμος ως το «βαρύ» ισότοπο φωσφόρου-32).

Το 2011, η ομάδα του Kiers ανέφερε στο Science ότι όχι μόνο τα φυτά μπορούν να ανταμείψουν τους μύκητες με υψηλές επιδόσεις και να τιμωρήσουν τους κακούς, αλλά και οι μύκητες προφανώς κάνουν το ίδιο.

Περίπου την ίδια περίοδο, ο Hammer ανέφερε στοιχεία από πειράματα ότι οι μύκητες έχουν ένα δεύτερο κόλπο:Μπορούν να αποθηκεύουν θρεπτικά συστατικά όταν ένα φυτό δεν πληρώνει καλά, παρακρατώντας τα μέχρι να λάβουν καλύτερη προσφορά.

Μαζί, τα αποτελέσματα κατέστρεψαν την κατανόηση των επιστημόνων για τη σχέση φυτού-μύκητα στο κεφάλι του. Οι μυκόρριζοι μύκητες δεν θα μπορούσαν πλέον να θεωρηθούν ως υπηρέτες ή παθητικά αξεσουάρ για τους δασκάλους τους. Μάλλον, οι μορφές ζωής κάτω από την επιφάνεια ελέγχουν τη μοίρα τους, όπως ακριβώς και οι από πάνω. Είναι ένας δυναμικός γάμος ίσων.

"Δεν ξέρω αν πρέπει να πούμε ότι διαφωτίσαμε το χωράφι, αλλά νομίζω ότι πολλοί άνθρωποι πίστευαν ότι [οι μύκητες] ήταν πολύ πιο απλοί" και κυρίως ανταποκρίθηκαν μόνο στα σήματα των φυτών, είπε ο Hammer.

Τα ευρήματα καθιέρωσαν επίσης την Kiers ως σημαντική στοχαστή από μόνη της. "Είναι πολύ εκπληκτικό το γεγονός ότι αυτό το ένα άτομο έδωσε τα πρώτα αδιάσειστα στοιχεία για κυρώσεις ή διακρίσεις σε αυτές που είναι αναμφισβήτητα οι δύο πιο σημαντικές συμβίωση - το σύστημα ψυχανθών-ριζοβίων και οι μυκόρριζες", είπε ο Denison.

Ακολούθησε το εργαστηριακό πείραμα με ένα λιγότερο τεχνητό:Μεγάλωσε φυτά συνδεδεμένα με μυκόρριζες στη σκιά και σε πλήρη ηλιακή ακτινοβολία. Διαπίστωσε ότι τα σκιασμένα φυτά, τα οποία φωτοσυνθέτουν λιγότερο και επομένως είχαν λιγότερα σάκχαρα να μοιραστούν, έλαβαν λιγότερο φώσφορο από τα υπόγεια μύκητά τους.

Άρχισε επίσης να αναπτύσσει ένα οικονομικό πλαίσιο για να σκεφτεί τις σχέσεις μεταξύ φυτών και μυκήτων. Με βάση τις παρατηρήσεις του συστήματος της ελεύθερης αγοράς, ο Kiers υποψιάζεται ότι αυτό που έχει σταθεροποιήσει την αμοιβαιότητα φυτών-μυκήτων για τουλάχιστον 470 εκατομμύρια χρόνια δεν είναι ότι μεμονωμένοι οργανισμοί δεσμεύονται για το καλό της κοινότητας, αλλά ότι, στις περισσότερες περιπτώσεις, και τα δύο φυτά και οι μύκητες επωφελούνται περισσότερο από τις συναλλαγές μεταξύ τους παρά από τη διατήρηση των πόρων για τον εαυτό τους.

Η Οικονομία παρέχει «αυτό το τεράστιο σύνολο λογοτεχνίας από το οποίο μπορούμε να δανειστούμε, είναι πραγματικά μαθηματικό και προβλέψιμο», είπε ο Kiers. «Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εργαλείο για να δοκιμάσετε μερικές από αυτές τις ιδέες». Για παράδειγμα, η Kiers και οι συνάδελφοί της διαπίστωσαν ότι οι αμοιβαίες σχέσεις μερικές φορές καταρρέουν όταν τα φυτά βρίσκουν έναν άλλο τρόπο για να λάβουν τα θρεπτικά συστατικά που χρειάζονται - με το να γίνουν σαρκοφάγα και να πιάνουν έντομα, για παράδειγμα. Δημοσίευσαν τα ευρήματά τους πέρυσι στο Proceedings of the National Academy of Sciences .

Δεν είναι όλοι πεπεισμένοι ότι ο σκληρός οικονομικός κόσμος των αγορών και των εμπόρων περιγράφει καλά τα φυτά και τα μικρόβια. «Πιστεύω ότι είναι πιθανό μερικές φορές τα ενδιαφέροντα φυσικής κατάστασης των συντρόφων να είναι πολύ καλά ευθυγραμμισμένα», είπε η Μέγκαν Φρέντερικσον, καθηγήτρια οικολογίας και εξελικτικής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο, η οποία έχει υποστηρίξει σε πολλές εργασίες ότι η απάτη είναι πολύ λιγότερο συχνή σε φύση από όσο πιστεύει ο Kiers. "Νομίζω ότι κάποιοι άλλοι άνθρωποι πιστεύουν ότι είναι πιθανώς αδύνατο για δύο εταίρους σε οποιαδήποτε αλληλεπίδραση να έχουν τέλεια ευθυγραμμισμένα ενδιαφέροντα."

Αυτή η άποψη έχει κυριαρχήσει και στη λαϊκή λογοτεχνία. Το 2016, ο Γερμανός δασολόγος Peter Wohlleben, βασιζόμενος σε μεγάλο βαθμό στον Simard και μερικούς άλλους επιστήμονες, δημοσίευσε το The Hidden Life of Trees . Το βιβλίο έγινε διεθνές μπεστ σέλερ. Ο Wohlleben, ένας ισχυρός υποστηρικτής μιας κοινοτικής άποψης για τη φύση, προώθησε ολόψυχα την υποτιθέμενη ευεργεσία και τη συνεργατική φύση των μυκήτων, γράφοντας, «Οι μύκητες που κατοικούν [στις ρίζες των δέντρων] φαίνεται να έχουν την πρόθεση να συμβιβαστούν».

Ο Kiers, χαρακτηριστικά, έχει στραφεί σε διαφορετικές πηγές έμπνευσης. Πριν από μερικά χρόνια, διάβασε το Κεφάλαιο στον εικοστό πρώτο αιώνα του οικονομολόγου Thomas Piketty , που τονίζει τον ρόλο της ανισότητας των πόρων στη διαμόρφωση των ανθρώπινων κοινωνιών. Η Kiers υποψιαζόταν ότι η εισαγωγή της ανισότητας στο οικοσύστημα των μυκήτων-φυτών της θα αποκάλυπτε νέες ιδέες. Αλλά βρέθηκε να αντιμετωπίζει την ίδια πρόκληση που είχε εμποδίσει τόσους πολλούς επιστήμονες:Δεν είχε τρόπο να δει άμεσα τι έκαναν οι μύκητες. Είχε πάρει πολλά χιλιόμετρα από τη μέτρηση των θρεπτικών συστατικών που πήγαιναν και έβλεπαν πού κατέληγαν, αλλά αυτό που συνέβη μέσα στους ίδιους τους μύκητες παρέμεινε ένα μαύρο κουτί.

"Έτσι ξεκινάμε τις συναντήσεις του εργαστηρίου κάθε εβδομάδα:"Αν δεν μπορούμε να τους μιλήσουμε, πώς θα φτάσουμε σε αυτήν την ερώτηση;" είπε ο Kiers.

Η ανακάλυψη ήρθε απροσδόκητα. Ο Kiers είχε λάβει μια επιχορήγηση από την ολλανδική κυβέρνηση για να συνεργαστεί με έναν καλλιτέχνη σε ένα βίντεο stop-motion που απεικόνιζε φώσφορο και άλλα θρεπτικά συστατικά να κινούνται μέσα στο δίκτυο των μυκήτων, χρησιμοποιώντας LED για να αναπαραστήσουν θρεπτικά συστατικά. Έδειξε το animation σε ένα επιστημονικό συνέδριο το 2014. «Δεν θα ήταν ωραίο αν μπορούσαμε να το κάνουμε αυτό;» ρώτησε το κοινό της.

Ο Μάθιου Γουάιτσαϊντ, ένας χημικός που εργαζόταν τότε στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας, πλησίασε τον Κίρς στη συνέχεια. «Μπορούμε πραγματικά να το κάνουμε αυτό», είπε.

Ο Whiteside — ο οποίος, παρεμπιπτόντως, γνώριζε τη Margulis ως οικογενειακό φίλο και είχε μιλήσει μαζί της για την επιστήμη — είχε αναπτύξει έναν τρόπο να επισημαίνει βιομόρια με κβαντικές κουκκίδες, κομμάτια ημιαγωγών κλίμακας νανομέτρων που απορροφούν ορισμένα μικρά μήκη κύματος φωτός (συνήθως υπεριώδες) και εκπέμπουν ξανά φως ή «φθορίζουν» σε μεγαλύτερα μήκη κύματος. Ο Κίρς τον προσέλαβε. Οι δυο τους πέρασαν αρκετά χρόνια αναπτύσσοντας την τεχνική και διασφαλίζοντας ότι μπορούσαν να διακρίνουν τις εκπομπές των κουκκίδων από τον φυσικό φθορισμό των φυτικών κυττάρων. Έπρεπε επίσης να διασφαλίσουν ότι οι κουκκίδες δεν θα δηλητηριάσουν μύκητες ή φυτά.

Στη συνέχεια, οι Kiers και Whiteside δημιούργησαν ένα άλλο πείραμα στο τρυβλίο Petri με τρία διαμερίσματα. Μεγάλωσαν ρίζες καρότου με μύκητες σε ένα διαμέρισμα και επέτρεψαν στους μύκητες να επεκταθούν στα άλλα δύο. Στη συνέχεια εισήγαγαν απατίτη, ένα ορυκτό που περιέχει φώσφορο, στα διαμερίσματα μόνο για μύκητες. Σε ένα, ονόμασαν τον απατίτη με μια κβαντική κουκκίδα που φθορά κόκκινο. στο άλλο χρησιμοποιούσαν μια μπλε κουκκίδα. Χρησιμοποίησαν εξειδικευμένα μικροσκόπια για να ποσοτικοποιήσουν το εκπεμπόμενο φως.

Στην αρχή έδωσαν σε κάθε διαμέρισμα μυκήτων ίσες ποσότητες απατίτη. Όπως ήταν αναμενόμενο, οι μύκητες κατέλαβαν την ένωση με φώσφορο μέσω των δικτύων τους, αλλά δεν αναπτύχθηκαν πολύ, επιλέγοντας αντ' αυτού να αποθηκεύσουν μεγάλο μέρος της θρεπτικής ουσίας αντί να το ανταλλάξουν.

Στη συνέχεια ήρθε το μέρος που εμπνεύστηκε από το έργο του Piketty για τα οικονομικά. Οι Kiers και Whiteside πρόσθεσαν περισσότερο φώσφορο στο ένα διαμέρισμα από το άλλο, δημιουργώντας ανισότητες πόρων, με μια ομάδα μυκήτων να ελέγχει έως και το 90% του στοιχείου. Οι μύκητες ανταποκρίθηκαν ανταλλάσσοντας με τα φυτά πολύ περισσότερο από ό,τι όταν ο φώσφορος κατανεμήθηκε ομοιόμορφα στο περιβάλλον.

Το πιο εντυπωσιακό είναι ότι οι μύκητες μετέφεραν τα θρεπτικά συστατικά από την «πλούσια» στη «φτωχή» περιοχή και αναπτύχθηκαν ταχύτερα στη φτωχή περιοχή. Η ομάδα του Kiers πιστεύει ότι αυτό συμβαίνει επειδή οι μύκητες θα μπορούσαν να εξαγάγουν υψηλότερη «τιμή» από τα φυτά με τη μορφή σακχάρων πλούσιων σε άνθρακα όπου ο φώσφορος ήταν σπάνιος — αν και ο Kiers σημειώνει ότι δεν μπορούσαν να παρακολουθήσουν απευθείας τον άνθρακα.

«Αυτό είναι εντελώς αντίθετο από αυτό που περιμέναμε», είπε. Σκέφτηκε ότι το εμπόριο θα ήταν υψηλότερο εκεί όπου τα θρεπτικά συστατικά ήταν ήδη άφθονα.

Η διαδήλωση εντυπωσίασε άλλους. «Συχνά πιστεύουμε ότι οι μύκητες ή άλλα μικρόβια δεν είναι ιδιαίτερα έξυπνα», δήλωσε ο Kabir Peay, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. "Αυτή η μελέτη δείχνει ότι σε αυτά τα δίκτυα, ένας από τους λόγους που μπορούν να είναι τόσο επιτυχημένοι είναι ότι μπορούν να λάβουν κάτι που φαίνεται να είναι αρκετά περίπλοκες αποφάσεις σχετικά με το πού να διαθέσουν πόρους για να βελτιστοποιήσουν την απόδοση που λαμβάνουν."

Ωστόσο, οι επιστήμονες πρέπει να προσέχουν κατά την εφαρμογή των εννοιών της αγοράς στη βιολογική λέξη, σημείωσε ο Ronald Noë, βιολόγος και ομότιμος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Στρασβούργου στη Γαλλία, ο οποίος βοήθησε στην πρωτοπορία στη θεωρία της βιολογικής αγοράς στις μελέτες των πρωτευόντων και που βοήθησε την ομάδα του Kiers με την οικονομική ανάλυση. «Αυτό που περιγράφουν είναι ένας μηχανισμός με τον οποίο θα μπορούσατε να είστε έμπορος στην αγορά — μπορείτε να δείτε πώς θα μπορούσαν να το κάνουν. Αλλά στην πραγματικότητα δεν απέδειξαν ότι το έκαναν», είπε ο Noë. «Αν υπήρχε αγορά, ο μύκητας θα έφερνε τα θρεπτικά συστατικά του από το ένα φυτό στο άλλο. Αλλά στο πείραμα, υπάρχει μόνο ένα φυτό. Ο μύκητας δεν επιλέγει.»

Το πείραμα αποκάλυψε μια δεύτερη έκπληξη. Ο φώσφορος δεν έρεε μόνο από την πλούσια περιοχή στη φτωχή. Οι Kiers και Whiteside έπιασαν μερικά από τα λαμπερά θρεπτικά συστατικά που ταλαντεύονται πέρα ​​δώθε μέσω του δικτύου κάθε πέντε λεπτά σε κανονικό ρυθμό.

Οι επιστήμονες δεν ξέρουν τι σημαίνουν αυτές οι ταλαντώσεις. Γνωρίζουν όμως ότι οι ταλαντώσεις είναι συνηθισμένοι τρόποι κωδικοποίησης πληροφοριών. Για παράδειγμα, τα ραδιόφωνα λειτουργούν κωδικοποιώντας πληροφορίες σε ταλαντώσεις ραδιοκυμάτων, τα οποία είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα χαμηλής συχνότητας. Θα μπορούσαν οι μυκητιακές ταλαντώσεις να είναι μια μορφή μεταφοράς πληροφοριών μέσω του δικτύου;

Υπάρχουν, στην πραγματικότητα, ισχυρές ενδείξεις ότι οι πληροφορίες ρέουν σε δίκτυα μυκήτων. Το 2013, ο Ντέιβιντ Τζόνσον, βιολόγος τότε στο Πανεπιστήμιο του Αμπερντίν στη Σκωτία, ανακάλυψε ότι τα φυτά φασολιών που δέχονταν επίθεση από αφίδες έστελναν χημικές ουσίες υπόγεια μέσω μυκητιακών δικτύων και σε κοντινά φυτά που στη συνέχεια ειδοποιήθηκαν για την παρουσία των παρασίτων. Η Simard έχει βρει παρόμοιες χημικές απελευθερώσεις στα δάση που μελετά.

Αλλά σε αυτές τις μελέτες, οι επιστήμονες συμπέραναν τι συνέβαινε υπόγεια από μετρήσεις χημικών ουσιών στα δέντρα. Αναπάντητο έμεινε αν τα δίκτυα μυκήτων είναι απλώς αγωγοί σημάτων από φυτό σε φυτό ή αν μπορούν να επεξεργαστούν τις πληροφορίες που λαμβάνουν. Αν κάποιος ήταν σε θέση να αποδείξει το τελευταίο, είπε ο Erik Verbruggen, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Αμβέρσας στο Βέλγιο που έκανε το διδακτορικό του με τον Kiers, "αυτό θα ήταν πολύ εξαιρετικό."

Η Kiers φωτίζει το δίκτυο των μυκήτων για πρώτη φορά. Ο επόμενος στόχος της είναι να περιορίσει το χάσμα ανάμεσα στις πειραματικές της ρυθμίσεις και την πολυπλοκότητα της φύσης. Για παράδειγμα, τα πιάτα petri του Kiers ισοπεδώνουν τον κόσμο των φυτών-μυκήτων σε δύο διαστάσεις, αλλά στα πραγματικά εδάφη, τα δίκτυα μυκήτων είναι 3D. Τα δίκτυα διαφορετικών ειδών επικαλύπτονται και συνυφαίνονται, καθιστώντας τον ξύλινο ιστό περισσότερο σαν ένα ξύλινο κουβάρι με δεκάδες ανεξάρτητα σχέδια καλωδίωσης.

«Θα ήμουν ο πρώτος που θα παραδεχόταν ότι αυτό είναι απίστευτα τεχνητό», είπε η Kiers για την εγκατάσταση του εργαστηρίου της. «Αλλά αυτή είναι στην πραγματικότητα η ομορφιά του. Αρχίζουμε να αποδομούμε [το δίκτυο των μυκήτων] κομμάτι κομμάτι."

Η Kiers συνεργάζεται τώρα με τον ερευνητή δυναμικής ρευστών Χάουαρντ Στόουν του Πανεπιστημίου του Πρίνστον, τον βιοφυσικό Tom Shimizu από το AMOLF και το VU Amsterdam και τον οικολόγο του δικτύου Hirokazu Toju του Πανεπιστημίου του Κιότο. (Το έργο τους χρηματοδοτείται από επιχορήγηση από το Human Frontier Science Program για την ενθάρρυνση διεθνών συνεργασιών σε έργα υψηλού κινδύνου.) Σκοπεύουν να χρησιμοποιήσουν εργαλεία μικρορευστοποίησης για να δημιουργήσουν περίπλοκα τρισδιάστατα περιβάλλοντα που μοιάζουν περισσότερο με δίκτυα μυκήτων του πραγματικού κόσμου. Η Stone ελπίζει να αυξήσει τις ετικέτες κβαντικής κουκκίδας του Kiers με άλλες τεχνικές για την παρακολούθηση πόρων όπως ο άνθρακας που εμπορεύονται τα φυτά. ορισμένοι σχολιαστές επέκριναν τη μελέτη ανισότητας του Kiers επειδή δεν έλαβε υπόψη αυτόν τον άνθρακα.

"Υπάρχει ένα ολόκληρο σύστημα που πρέπει να δημιουργήσουμε, συμπεριλαμβανομένης της απεικόνισης και της κατανόησης και, ενδεχομένως, της μοντελοποίησης, που κανείς δεν έχει ολοκληρώσει", είπε ο Stone.

Για την Kiers, η συνεργασία υπόσχεται περαιτέρω αποκαλύψεις σχετικά με το πόσο λανθασμένα έχουμε εκτιμήσει τους αντίστοιχους μικροβιακούς μας.

«Ακόμα κι εγώ, ακόμα και σήμερα, υποτιμώ τους μύκητες», είπε.

Διορθώσεις που προστέθηκαν στις 9 Σεπτεμβρίου 2019:Η λεζάντα της φωτογραφίας του τμηματοποιημένου πιάτου petri αναθεωρήθηκε για να περιγράψει με μεγαλύτερη ακρίβεια το πείραμα που εμφανίζεται. Η σχέση του Tom Shimizu επεκτάθηκε επίσης για να συμπεριλάβει τη δουλειά του στην AMOLF.