Dwie dekady temu, podczas badań nad swoją pracą doktorską, ekolog Suzanne Simard odkryła, że drzewa komunikują swoje potrzeby i przesyłają sobie nawzajem składniki odżywcze za pomocą sieci kratkowanych grzybów zakopanych w glebie – innymi słowy, odkryła, że „rozmawiają” ze sobą. Od tego czasu Simard, obecnie pracująca na Uniwersytecie Kolumbii Brytyjskiej, jest pionierką dalszych badań nad tym, jak drzewa komunikują się ze sobą, w tym nad tym, jak filigrany grzybów pomagają drzewom wysyłać sygnały ostrzegawcze o zmianach środowiskowych, szukać krewnych i przekazywać składniki odżywcze sąsiednim roślinom, zanim te umrą.
Używając zwrotów takich jak „mądrość lasu” i „drzewa matki”, gdy mówi o tym skomplikowanym systemie, który porównuje do sieci neuronowych w ludzkich mózgach, praca Simard pomogła zmienić sposób, w jaki naukowcy definiują interakcje między roślinami. „Las jest systemem współpracy”, powiedziała w wywiadzie dla Yale Environment 360. „Dla mnie używanie języka 'komunikacji’ miało więcej sensu, ponieważ patrzyliśmy nie tylko na transfery zasobów, ale rzeczy takie jak sygnalizacja obrony i sygnalizacja rozpoznania krewniaczego. My, jako istoty ludzkie, możemy się do tego lepiej odnieść. Jeśli możemy się do tego odnieść, wtedy będziemy się tym bardziej przejmować. Jeśli troszczymy się o to bardziej, to będziemy lepiej zarządzać naszymi krajobrazami.”
Simard skupia się teraz na zrozumieniu, jak te ważne sieci komunikacyjne mogą zostać zakłócone przez zagrożenia środowiskowe, takie jak zmiany klimatyczne, inwazje chrząszczy sosnowych i wycinka drzew. „Te sieci będą działać dalej,” powiedziała. „Czy są one korzystne dla rodzimych gatunków roślin, lub egzotycznych, lub chwastów inwazyjnych i tak dalej, to pozostaje do zobaczenia”.
Yale Environment 360: Nie wszystkie prace doktorskie są publikowane w czasopiśmie Nature. Ale w 1997 roku, część Twojej została. Użyłeś radioaktywnych izotopów węgla, aby ustalić, że brzoza papierowa i daglezja zielona używają podziemnej sieci do wzajemnego oddziaływania na siebie. Opowiedz mi o tych interakcjach.
Suzanne Simard: Wszystkie drzewa na całym świecie, w tym brzoza papierowa i daglezja, tworzą symbiotyczny związek z grzybami pod ziemią. Są to grzyby, które są korzystne dla roślin i poprzez ten związek, grzyb, który nie może oczywiście fotosyntetyzować, bada glebę. Zasadniczo wysyła grzybnię, czyli nici, przez całą glebę, zbiera składniki odżywcze i wodę, zwłaszcza fosfor i azot, przynosi je z powrotem do rośliny i wymienia te składniki odżywcze i wodę na fotosynthate z rośliny. Roślina ustala węgiel, a następnie wymienia go na składniki odżywcze, których potrzebuje do swojego metabolizmu. To działa dla obu z nich.
To jest ta sieć, coś w rodzaju podziemnego rurociągu, który łączy jeden system korzeniowy drzewa do innego systemu korzeniowego drzewa, tak, że składniki odżywcze i węgla i wody mogą wymieniać się między drzewami. W naturalnym lesie Kolumbii Brytyjskiej, brzoza papierowa i daglezja rosną razem w zbiorowiskach leśnych we wczesnym okresie sukcesji. Konkurują ze sobą, ale nasza praca pokazuje, że również współpracują ze sobą wysyłając składniki odżywcze i węgiel tam i z powrotem poprzez ich mikoryzowe sieci.
e360: I mogą powiedzieć kiedy jedno potrzebuje dodatkowej pomocy w porównaniu do drugiego, czy to prawda?
Simard: That’s right. Przeprowadziliśmy wiele eksperymentów, aby dowiedzieć się, co napędza wymianę. Należy pamiętać, że jest to wymiana tam i z powrotem, więc czasami brzoza dostanie więcej, a czasami jodła więcej. Zależy to od czynników ekologicznych, które mają miejsce w danym momencie.
Jedną z ważnych rzeczy, które testowaliśmy w tym szczególnym eksperymencie było zacienienie. Im bardziej jodła Douglasa była zacieniona latem, tym więcej nadmiaru węgla z brzozy przechodziło do jodły. Następnie później jesienią, kiedy brzoza traciła liście, a jodła miała nadmiar węgla, ponieważ nadal fotosyntetyzowała, transfer netto tej wymiany wracał do brzozy.
Są też prawdopodobnie zaangażowane czynniki grzybowe. Na przykład, grzyb, który łączy sieć będzie szukał zabezpieczenia swoich źródeł węgla. Nawet jeśli nie rozumiemy zbyt wiele na ten temat, ma to sens z ewolucyjnego punktu widzenia. Grzyb jest w tym dla własnego utrzymania, aby upewnić się, że ma bezpieczną bazę żywności w przyszłości, więc pomoże skierować ten transfer węgla do różnych roślin.
Nie sądzę, że kiedykolwiek będzie niedobór zdolności do tworzenia sieci, ale sieć może być inna.
e360: Czy uważasz, że ten system wymiany jest prawdziwy w innych ekosystemach, jak np. na łąkach? Czy wykonano jakieś prace na ten temat?
Simard: Tak, nie tylko w moim laboratorium, ale także w innych laboratoriach dużo przede mną „¦ Trawiaste tereny, a nawet niektóre gatunki drzew, które znamy, jak klon i cedr, tworzą inny rodzaj mikoryzy. W Kolumbii Brytyjskiej, mamy duże łąki, które przychodzą przez wnętrze prowincji i interfejs z lasem. Patrzymy na to, jak te łąki, które są przede wszystkim arbuscular mikoryzy, interakcji z naszych ectomycorrhizal lasu, ponieważ jako zmiany klimatu, łąki są przewidywane, aby przenieść się w górę do lasów.
e360: Czy ta wymiana będzie kontynuowana pod wpływem zmian klimatycznych, czy też komunikacja zostanie zablokowana?
Simard: Nie sądzę, że zostanie zablokowana. Nie sądzę, aby kiedykolwiek zabrakło zdolności do tworzenia sieci, ale sieć może być inna. Na przykład, prawdopodobnie będą w nią zaangażowane różne grzyby, ale myślę, że te sieci będą się rozwijać. Czy są one korzystne dla rodzimych gatunków roślin, czy egzotycznych, czy też chwastów inwazyjnych i tak dalej, to się dopiero okaże.
e360: Dzięki narzędziom molekularnym, ty i jeden z twoich studentów odkryliście to, co nazywacie hubem, lub matką, drzew. Czym one są i jaka jest ich rola w lesie?
Simard: Kevin Beiler, który był doktorantem, wykonał naprawdę elegancką pracę, w której wykorzystał analizę DNA do przyjrzenia się krótkim sekwencjom DNA w drzewach i osobnikach grzybów w płatach lasu daglezjowego. Był w stanie zmapować sieć dwóch pokrewnych siostrzanych specjalności grzybów mikoryzowych i jak łączą one drzewa jodły Douglasa w tym lesie.
Po prostu tworząc tę mapę, był w stanie pokazać, że wszystkie drzewa zasadniczo, z kilkoma odizolowanymi, były połączone razem. Odkrył, że największe, najstarsze drzewa w sieci były najbardziej powiązane, podczas gdy mniejsze drzewa nie były powiązane z tak wieloma innymi drzewami. Duże, stare drzewa mają większe systemy korzeniowe i wiążą się z większymi sieciami mikoryzowymi. Mają więcej węgla, który płynie do sieci, mają więcej końcówek korzeni. Więc to ma sens, że będą miały więcej połączeń do innych drzew wokół nich.
W późniejszych eksperymentach, byliśmy dążenie do tego, czy te starsze drzewa mogą rozpoznać krewnych, czy siewki, które są regeneracji wokół nich są z tej samej rodziny, czy są one potomstwem, czy nie, i czy mogą one sprzyjać tych siewek – i znaleźliśmy, że mogą. Tak wymyśliliśmy termin „drzewo macierzyste”, ponieważ są to największe, najstarsze drzewa i wiemy, że mogą pielęgnować swoich krewnych.
e360: Odkryliście również, że kiedy te drzewa umierają, istnieje dla nich zaskakująca wartość ekologiczna, która nie jest realizowana, jeśli są zbierane zbyt wcześnie.
Simard: Zrobiliśmy ten eksperyment właściwie w szklarni. Wyhodowaliśmy sadzonki u sąsiadów i zraniliśmy tę, która pełniła rolę drzewa matecznego, starszą sadzonkę jodły. Użyliśmy sosny ponderosa, ponieważ jest to gatunek występujący na niższych wysokościach, który powinien zacząć zastępować daglezję w miarę zmian klimatycznych. Chciałem wiedzieć czy nie było jakiegoś rodzaju transferu spuścizny starego lasu do nowego lasu, który będzie migrował w górę i na północ wraz ze zmianami klimatycznymi.
Gdy zraniliśmy te daglezje, odkryliśmy, że wydarzyło się kilka rzeczy. Jedną z nich jest to, że daglezja wyrzuciła swój węgiel do sieci i został on pobrany przez sosnę ponderosa. Po drugie, enzymy obronne daglezji i sosny ponderosa zostały „wyregulowane” w odpowiedzi na ten uraz. Zinterpretowaliśmy to jako sygnalizację obronną przechodzącą przez sieci drzew. Te dwie odpowiedzi – transfer węgla i sygnał obrony – stało się tylko tam, gdzie był mikoryzowej sieci nienaruszone. Gdzie odłączyliśmy sieć, to nie zdarzyło się.
Interpretacja była taka, że rodzimy gatunek zastępowany przez nowy gatunek jako zmiany klimatyczne wysyła węgiel i sygnały ostrzegawcze do sąsiednich siewek, aby dać im przewagę jako zakładają bardziej dominującą rolę w ekosystemie.
e360: Mówiłeś o tym, że kiedy po raz pierwszy opublikowałeś swoją pracę na temat interakcji drzew z powrotem w 1997 roku nie miałeś używać słowa „komunikacja”, gdy chodzi o rośliny. Teraz bez skrępowania używasz zwrotów takich jak leśna mądrość i drzewa-matki. Czy dostałeś za to lanie?
Simard: Prawdopodobnie jest tam o wiele więcej flacków niż ja nawet słyszę. Po raz pierwszy zacząłem prowadzić badania leśne we wczesnych latach 20-tych, a teraz jestem w połowie lat 50-tych, więc to już 35 lat. Zawsze byłem bardzo świadomy postępowania zgodnie z metodą naukową i bardzo ostrożny, aby nie wykraczać poza to, co mówią dane. Ale przychodzi taki moment, kiedy zdajesz sobie sprawę, że ta tradycyjna metoda naukowa sięga tak daleko i w lasach dzieje się o wiele więcej niż jesteśmy w stanie zrozumieć używając tradycyjnych technik naukowych.
Więc otworzyłem swój umysł i powiedziałem, że musimy wprowadzić do tego ludzkie aspekty, tak abyśmy zrozumieli głębiej, bardziej naocznie, co dzieje się w tych żywych stworzeniach, gatunkach, które nie są tylko tymi nieożywionymi obiektami. Zaczęliśmy też rozumieć, że to nie jest tylko przemieszczanie się zasobów między roślinami. To coś znacznie więcej. Las jest systemem współpracy, a gdyby chodziło tylko o konkurencję, byłby o wiele prostszym miejscem. Dlaczego las jest tak różnorodny? Dlaczego miałby być tak dynamiczny?
Dla mnie, używanie języka komunikacji miało więcej sensu, ponieważ patrzyliśmy nie tylko na transfery zasobów, ale na rzeczy takie jak sygnalizacja obrony i sygnalizacja rozpoznania pokrewieństwa. Zachowanie roślin, nadawców i odbiorców, te zachowania są modyfikowane w zależności od tej komunikacji lub tego ruchu rzeczy między nimi.
Również, my jako istoty ludzkie mogą odnosić się do tego lepiej. Jeśli możemy się do tego odnieść, wtedy będziemy się tym bardziej przejmować. Jeśli troszczymy się o to bardziej, wtedy zrobimy lepszą robotę w zarządzaniu naszymi krajobrazami.
Jeśli zostawimy drzewa, które wspierają nie tylko sieci mikoryzowe, ale inne sieci stworzeń, wtedy las będzie się regenerował.
e360: Górski chrząszcz sosnowy dewastuje zachodnie krajobrazy, zabijając sosny i świerki. Byłeś współautorem badań na temat tego, co ataki chrząszczy sosnowych zrobić do sieci mikoryzowych. Co Pan znalazł i jakie są implikacje dla regeneracji tych lasów?
Simard: Praca ta była prowadzona przez Grega Peca, absolwenta Uniwersytetu Alberty. Pierwszy etap (ataku) nazywany jest zielonym atakiem. Przechodzą od zielonego ataku do czerwonego ataku do szarego ataku. Więc w zasadzie, do trzeciego lub czwartego roku, drzewostany są martwe.
Wzięliśmy glebę z tych różnych drzewostanów i wyhodowaliśmy w nich sadzonki sosny kłodowej. Stwierdziliśmy, że w miarę upływu czasu ze śmiertelnością, że mikoryzowa sieć stała się mniej zróżnicowana, a także zmieniła enzym obronny w siewkach, które rosły w tych glebach. Różnorodność tych molekuł zmniejszyła się. Im dłużej drzewa były martwe, tym niższa różnorodność mikoryzowa i niższa różnorodność molekuł obronnych była w tych seedlings.
Greg, patrząc na różnorodność grzybów w tych stanowiskach, okazało się, że nawet jeśli różnorodność grzybów zmienił, sieć mikoryzowa była nadal ważna w pomaganiu regeneracji nowych siewek, które pojawiały się w podszyciu.
Nawet jeśli skład tej sieci mikoryzowej jest przesunięcie, to nadal funkcjonalna sieć, która jest w stanie ułatwić regenerację nowego stanowiska.
e360: Co twoja praca mówi ci o tym, jak utrzymać odporność w lesie, gdy chodzi o pozyskiwanie drewna i zmiany klimatyczne?
Simard: Odporność to tak naprawdę zdolność ekosystemów do odzyskiwania swoich struktur i funkcji w ramach różnych możliwości. Szczególnie w przypadku lasów, drzewa są podstawą. Zapewniają siedlisko dla innych stworzeń, ale także sprawiają, że las funkcjonuje. Odporność w lesie oznacza zdolność do regeneracji drzew. Wiele można zrobić, aby to ułatwić dzięki sieciom mikoryzowym, które, jak wiemy, odgrywają ważną rolę w umożliwianiu drzewom regeneracji. Tak ważne jest to, co po sobie zostawiamy. Jeśli pozostawimy drzewa, które wspierają nie tylko sieci mikoryzowe, ale także inne sieci stworzeń, to las będzie się regenerował. Myślę, że kluczowym krokiem jest utrzymanie tej zdolności do regeneracji drzew.
e360: Mówiłeś o swojej nadziei, że twoje odkrycia wpłyną na praktyki wyrębu w Kolumbii Brytyjskiej i nie tylko. Czy tak się stało?
Simard: Nie konkretnie moja praca. Począwszy od lat 80-tych i 90-tych, idea zachowania starszych drzew i dziedzictwa w lasach ponownie nabrała rozmachu. W latach 90-tych w zachodniej Kanadzie, przyjęliśmy wiele z tych metodologii, nie opartych na sieciach mikoryzowych. Było to bardziej dla dzikiej przyrody i zachowania drewna na siedliska dla innych stworzeń.
Ale w przeważającej części, zwłaszcza w ostatniej dekadzie i pół, wiele wad do clear-cutting z nie, że dużo retencji. Część z tego była napędzana przez epidemię górskiego chrząszcza sosnowego, która nadal trwa. Dobre praktyki leśne, które się rozwijały, zostały zmiecione przez wycinkę ratunkową tych umierających drzew.
ALSO FROM YALE e360Is Climate Change Putting World’s Microbiomes at Risk?
Badacze dopiero zaczynają rozumieć złożoność mikrobów w ziemskiej glebie i rolę, jaką odgrywają w tworzeniu zdrowych ekosystemów. Teraz, zmiany klimatyczne grożą zakłóceniem tych mikrobów i kluczowych funkcji, które zapewniają.READ MORE
Dziś, ludzie nadal próbują zachować leśnictwo, ale to po prostu nie wystarczy. Zbyt często pozostawia się po sobie tylko symboliczne drzewa. Rozpoczynamy nowy projekt badawczy mający na celu przetestowanie różnych rodzajów retencji, które chronią drzewa mateczne i sieci.
e360: To jest grant, który właśnie otrzymaliście od rządu kanadyjskiego na ponowną ocenę obecnych praktyk odnawiania lasów?
Simard: Tak, jesteśmy tym naprawdę podekscytowani. Testujemy ideę zachowania drzew matecznych w różnych konfiguracjach – pozostawiając je jako pojedyncze, jako grupy, jako lasy ochronne, a następnie odnawiając las przy użyciu mieszanki odnowienia naturalnego i tradycyjnych praktyk odnowieniowych. Testujemy to w różnych klimatach w lasach daglezjowych, od bardzo suchych i gorących po chłodne i wilgotne. W sumie będzie to około 75 miejsc, które przekroczą ten gradient klimatyczny. Będziemy mierzyć takie rzeczy jak obieg węgla, produktywność, różnorodność ptaków i owadów. Mamy duże zainteresowanie ze strony grup First Nations w Kolumbii Brytyjskiej, ponieważ idea drzew matecznych i pielęgnowania nowych pokoleń bardzo pasuje do światopoglądu First Nations.
.