ПОЧВОВЕДЧЕСКИЙ ДЕТЕКТИВ
Доктор физико-математических наук А. МОРОЗОВ. Фото И. Константинова.
Субъективно история сформулированной гипотезы начинается в конце 30-х годов прошлого века. Пятигорск, гора Машук - каменная глыба, покрытая тонким слоем земли с плотной растительностью. Если сорвать с камня кусочек покрова и посмотреть на срез, станут видны плотные переплетения корней, немного собственно земли, различные деловито ползающие червячки и жучки. Жизнь бурлит - и это запомнилось.
Прошло около сорока лет. За плечами годы успешной работы в области теории и приложений физики плазмы (см. "Наука и жизнь" № 9, 1999 г.; № 12, 2000 г. - Прим. ред.). И вдруг случайный разговор с почвоведами по-настоящему увлекает. Почва - гигантский и совершенно таинственный мир. И что там детские воспоминания! Я узнал, что почва как ничто другое насыщена разными организмами. В одном кубическом сантиметре почвы могут содержаться много миллионов (!) микроорганизмов, десятки тысяч "мезоорганизмов" (червей, нематод); длина гифов (нитей) грибов в том же кубике может достигать нескольких километров, километрами измеряется суммарная длина корневых волосков злаков или степных трав. В почве скрываются кроты, суслики, мыши и прочая живность. Она "переваривает" не только опад, но и минералы исходной материнской породы.
Захватывает дух от этой сложности и нетривиальности. И самое замечательное - эта система самоорганизуется и самоподдерживается, уничтожает свалки и в конечном счете кормит весь живой мир суши. Ее роль в общей экологии огромна, если не сказать определяюща. Практически тождественные почвы встречаются на расстояниях в десятки тысяч километров и даже на разных континентах. И участие почвы в жизни людей непрерывно возрастает. Вряд ли можно сомневаться, что в ХХI веке почве и связанным с ней системам станет уделяться внимание не меньшее, чем информатике, биологии, нанотехнологиям, космонавтике, плазменным системам.
Но это завтра. Сегодня же почвоведение - скромная, преимущественно описательная наука. Если хотите, это гадкий утенок, но он обязательно превратится в великолепного лебедя.
Вот все это, может быть, несколько менее отчетливо, и стало мне ясно в начале 80-х годов прошлого века. И я "заболел" почвой.
НА ЧТО ПОХОЖА ПОЧВА
Человек, попадая в незнакомые условия, начинает искать аналогии с открывшимся перед ним. Внутренняя жизнь почвы - явно новый объект. Современное почвоведение в основном сосредоточено на внешней косной макроструктуре почвы (профиле), а сведения о живой компоненте (биоте) носят отрывочный характер и даже не отвечают четко на простой вопрос: существует ли некая общая организация биоты или в целом она хаотична? Обычно склоняются ко второй возможности, однако ряд фактов делает весьма оправданным анализ предположения, что биота хорошо организована. Иначе непонятно, как такая масса плотно "упакованных" самых разных организмов, к тому же обмазывающих друг друга своими выделениями, успешно не только живет, но и делает огромное полезное дело (перерабатывает опад, минералы, кормит растения и т. д.). И более того, все это делает в сильно и случайно изменяющихся условиях.
Итак, проанализируем допущение о наличии в составе почвенной биоты мощной управляющей системы. Первое, что приходит на ум в этой связи, - предположение, что "почва - это организм" (для организмов такого типа предложено название "экосом").
Однако биота в почве достаточно диффузна, и, хотя данное предположение не бессмысленно, тем не менее более естественным кажется предположение о менее жестко организованной системе. И такого рода прототипы хорошо известны.
ПОЛИСЫ
Примеры "диффузных" и в то же время хорошо организованных систем известны давно. Это семьи общественных насекомых - пчел, муравьев, термитов и других. Комплексы из семей общественных организмов и созданных ими построек были названы автором полисом*, соответственно полисом муравьев, пчел, шмелей и т. п. Формально к полисам в духе сформулированного определения попадают и человеческие общины, но мы пока не будем этого замечать.
Полисы очень разнообразны. Сооружения термитов, например, бывают порой грандиозными, с разнообразным устройством внутренних помещений. В то же время есть полисы кочующих муравьев, которые вообще не строят жилищ. Но всем полисам свойственно наличие эффективных информационных и транспортных связей и "главного управленца", каковым обычно оказывается "царица".
Хотя только что сказанное о полисах может показаться бесконечно далеким от почвы, но уже грубое сопоставление, которое мы сейчас проведем, показывает, что такое впечатление ошибочно. Для этого прежде всего выявим носителя информации и транспорта веществ в почве.
Грибы - кандидаты на роль информационно-транспортных систем в естественных почвах. Сразу подчеркнем, что будем рассматривать только лесные зоны Земли, где достаточно прохладно и много грибов. Так вот, именно среди грибов следует искать "управленцев" почвенными полисами. И связано это с тем, что грибные гифы в состоянии обеспечить главное - передачу информации и транспорт веществ в полисах. (О том, насколько эффективен транспорт веществ в грибнице, говорит хотя бы поговорка: "растут как грибы").
Суммарная длина гифов в кубическом сантиметре почвы в указанных районах измеряется сотнями и тысячами метров. Если мысленно разрезать километр гифов на кусочки длиною в сантиметр и расположить их на равных расстояниях, то промежутки между ними составят всего около 30 микрон. Ясно, что такие гифы в состоянии контролировать весь почвенный объем.
Естественно, напрашивается вопрос: а почему так подчеркивается роль мицелия грибов и ничего не сказано о корнях растений? Реально, конечно, их роль в почве велика. Они во многих случая формируют структуру почвы, сбрасывают в нее продукты фотосинтеза для "кормления" почвенной биоты, ежегодно оставляют там "корневой" опад.
Но не только корни "кормят" почву. Почвенным питанием растений в подавляющей массе случаев заправляют грибы. Именно они жестко связаны с корнями, часто проникая вглубь и образуя грибо-корень - так называемую микоризу. Ее роль многообразна. Она подводит влагу и биофилы к корням от удаленных участков почвы, служит преградой для ядовитых тяжелых элементов, повышает эффективность фотосинтеза. Есть у нее и другие функции, о которых пока можно только догадываться.
Таким образом, мицелярная структура грибов, состоящая из гифов, обеспечивает транспорт веществ и способна обеспечить передачу управляющих воздействий. В то же время такая структура позволяет грибам сохранять функциональную целостность, несмотря на внешние воздействия самого разного характера, приводящие порой к местным разрывам гифов.
В результате вырисовалась следующая схема:
а) мицелиальные структуры грибов, заменяя бегающие организмы - доминанты классических полисов, образуют транспортно-информационные связи в пределах большого объема почвы;
б) "жильем" грибов обеспечивает гумифицированная масса почвы;
в) роль склада "продуктов питания" играют опад, гумус, а также сама биомасса грибов и других компонентов;
г) мезофауна почвы может рассматриваться и как источник питания (поедание нематод хищными грибами), как "рабочая сила" для первичного измельчения опада и т. д.;
д) аналогом "сада" классического полиса в грибном полисе следует рассматривать всю растительность;
е) для классических полисов общественных организмов, хотя и необязательно, характерны еще два момента, которых как будто бы нет в грибном полисе: это наличие "матки" и соответственно генетическая тождественность организмов-доминантов. Ее роль могут исполнять "гриб-монарх" или несколько таковых.
Итак, видно, что формула "почва - полис грибов" отражает достаточно полную аналогию между полисами общественных насекомых и почвой.
Но грибы обладают, кроме этого, и множеством других замечательных свойств, о которых сейчас будет сказано и которые стали мне известны почти двадцать лет назад.
ЭТИ УДИВИТЕЛЬНЫЕ ГРИБЫ
Полисная гипотеза возлагает на грибы в целом очень большую и разнообразную нагрузку. Естественно возникает вопрос: а могут ли эти тоненькие гифы, даже если их и много, отвечать указанным требованиям? При этом, естественно, подразумевается не один какой-то вид грибов, а целая система их разновидностей, руководимая "главной" особью.
Здесь мы коротко опишем "способности" грибов, которые были мне известны в середине 1980-х годов, кроме тех, о которых говорилось выше.
Прежде всего отметим, что грибы - это не растения и не животные. Они совмещают в себе признаки и тех и тех. Поэтому в 1960-х годах систематики выделили их в особое царство наряду с царствами растений и животных. Грибы обладают уникальным набором функций. Вот некоторые из них.
Грибы могут размножаться четырьмя (!) способами (вегетативным, бесполым, половым и парасексуальным), причем каждый способ допускает целый ряд радикальных вариаций.
В клетках гифов может находиться не одно, а несколько ядер с разными свойствами (гетерокариоз).
Соприкасаясь, гифы разных грибов одного вида могут сращиваться друг с другом (аностамоз).
Гифы, как мы видели, могут сращиваться с корнями растений, образуя различные виды микориз.
Грибы в виде одиночных клеток способны проникать в верхние ярусы деревьев, образуя так называемые эндофиты, которые заметно влияют на фотосинтез.
Грибы играют большую роль в разложении растительного опада. Они вносят основной вклад в разложение наиболее стойких соединений: целлюлозы и лигнина.
Для выполнения функций управления "главный" должен обладать рядом специфических свойств.
Он должен синтезировать стимуляторы роста и функционирования. И действительно, грибы синтезируют "ростовые факторы" - гибберелины.
Он должен иметь средства подавления нежелательных действий или уничтожения вредных для биоценоза организмов. И действительно, хорошо известны грибные антибиотики, яды и токсины, причем некоторые из них обладают четко выраженной избирательностью вплоть до действия на определенные сорта (а не только виды) растений.
Кроме того, естественно ожидать от "главных" долгих лет жизни - чтобы набираться опыта и больших размеров грибницы - как естественного следствия долголетия.
Когда писалась статья "О природе почвы", сравнительно долгоживущими (порядка нескольких десятков лет) и большими (порядка десятков метров) были грибы, образующие "ведьмины кольца".
Естественно, возникает вопрос: а зачем грибам такой обширный комплекс способностей? Ответ только один: для какой-то великой цели. И такой целью вполне может быть согласование всего живущего в биосфере, по крайней мере на суше.
Из всего сказанного был сделан следующий вывод. Известно, что в свое время В. В. Докучаев любил говорить: "Почва - четвертое царство природы", имея в виду три классических царства: минеральное, растительное, животное. По этому поводу в "О природе почвы" сказано:
"Но эта фраза была, по существу, красивым образом, так как в этом царстве не был известен "царь". Как уже отмечалось, в 1960-х годах грибы были выделены в особое царство. И наша гипотеза претендует на соотнесение почвы - четвертого царства В. В. Докучаева - с "царством грибов"".
НОВЫЕ ОТКРЫТИЯ
В 90-х годах прошлого века появились сообщения, посвященные грибам в почве, имеющие прямое отношение к проблеме полиса грибов.
"Социальный комплекс организмов". В 1993 году вышла книга сотрудника Ботанического института РАН И. В. Каратыгина "Коэволюция грибов и растений", в которой дан обзор 428 публикаций на эту тему. Выше уже отмечалась роль микоризы в жизни отдельных растений, но И. В. Каратыгин описывает исследования скандинавских ученых роли микоризы в биоценозах. Эти исследования привели к концепции "социального комплекса организмов". Суть ее в том, что корни различных растений могут быть связаны друг с другом гифами. Вот цитата из этой книги (стр. 57):
"Грибы оказываются в роли не только поставщиков, но и перераспределителей биогенных веществ для всего фироценоза как целого... Таким образом, в любом растительном сообществе корневые системы растений различных видов оказываются погруженными вместе в сложную сеть из гифов нескольких или даже многих видов грибов... Микориза в таком сообществе выступает как некий интегрирующий механизм, определяющий его физиологическую целостность".
Соответствие написанного И. В. Каратыгиным тому, что говорилось в статье "О природе почвы", впечатляет. В конце рассматриваемого раздела И. В. Каратыгин замечает, что еще в 1920-х годах великий почвовед В. Р. Вильямс высказывал идею всеобщей симбиотической связи растений и грибов и писал о большой роли этой связи в почвоведении.
Самые большие и одни из самых древних организмов. Весьма существенным для развиваемой нами концепции управляемой грибами почвенной биоты стали выполненные в 1990-х годах в лесах штата Мичиган (США) измерения размеров мицелия одного из видов опенка Armillaric burbosa. Используя методы генетической идентификации, группа американских и канадских исследователей показала, что существуют грибные индивидуумы (назовем их условно "мичиганские гигантские грибы" - МиГГ), гифы которых могут занимать площади в десятки гектаров, а суммарная масса достигать сотен тонн.
Наряду с определением размеров и массы МиГГ были установлены также их "монархические наклонности". Оказалось, что эти грибы не терпят соперников того же вида, воюя с ними активными метаболитами, и в то же время нормально сосуществуют с другими грибами. Эти свойства МиГГ как нельзя лучше согласуются с высказанными в статье "О природе почвы" гипотезами об управлении почвенной биоты грибами и о том, что грибы могут играть роль своеобразных ДНК биогеоценозов в соответствии со своей генетической программой, поддерживая рост одних растений и подавляя рост других.
Существование МиГГ говорит о том, что отдельные грибы - весьма долгоживущие организмы и действительно могут брать под свой контроль огромные площади. Низшая граница продолжительности их жизни составляет примерно 1500 лет. Поэтому МиГГ относят к числу наибольших по размерам и старейших по возрасту организмов на Земле.
Естественно ожидать, что с годами МиГГ "набираются опыта" и становятся "умнее". Нам представляется, что сегодня именно опенки оказываются наиболее подходящими кандидатами на роль "главных управленцев". Немаловажным добавочным аргументом служит и тот факт, что грибы типа МиГГ и даже бo'льших размеров обнаружены в других районах США и в Швейцарии.
Посмотрим на всем известные опенки. Во-первых, они космополиты, а во-вторых, способны уничтожить целые посадки "неугодных" им деревьев. Установлено также, что высшие грибы воздействуют не только на растения, но и на другие группы почвенной биоты, в том числе на низшие грибы и микроорганизмы. Таким образом, высказанная в статье "О природе почвы" гипотеза получила очень серьезную поддержку.
А ЧТО ДАЛЬШЕ?
В последние годы интерес к биоте растет. Так, в английской газете "Гардиан" от 22 ноября 2002 года сообщалось, что образована группа исследователей из семи стран, которой выделено 25 млн долларов США для изучения флоры и фауны почв. Комментируя сообщение, газета пишет: "Изучение этих форм жизни может привести к революции в промышленности будущего". Статья озаглавлена "Передовой фронт науки у нас под ногами".
Заметим также, что в ряде стран проводится инвентаризация всего грибного "населения". Расширяется селекция грибов как производителя лекарств, стимуляторов развития растений, инструмента борьбы с вредителями. Человечество явно активно вступает в эру овладения царством грибов. И очень хотелось бы, чтобы наша страна, имеющая все условия для лидерства в новом гигантском направлении биологии и почвоведения, не сдала свои позиции.
Естественно, что одним из возможных направлений должен стать всесторонний анализ предлагаемой концепции "почва - полис грибов". А именно: адекватна ли почвенной биоте сама идея полиса? Если да, то насколько универсальны грибы как "управленцы"? Обязательно ли это опенки или нет? Ответы на эти вопросы должны дать общую картину структуры почвенной биоты на земной поверхности и ее роли в биосфере.
А далее должно начаться выяснение механизмов функционирования биоты в рамках полиса. Здесь в первую очередь должно быть выяснено:
В какой форме "главный" передает сигналы другим организмам?
Кто у "главного управленца" служит "помощниками", выполняющими различные функции?
Какие группы организмов стабилизируют функционирование полиса и какие просто нахлебники? и тому подобное.
Достаточно очевидно, что выяснение приведенных вопросов интересно само по себе, без непосредственной связи с идеей полиса, но идея полиса делает задачу более целеустремленной.
И последнее, почти фантастическое соображение. Если идея полиса верна, то со временем удастся научиться управлять "главным", а он в свою очередь будет управлять биотой, и почва станет в полном смысле домашним животным.
Литература
К а р а т ы г и н И. В. Коэволюция грибов и растений. - СПб.: Гидрометеоиздат, 1993, 118 с.
М и р ч и н к Г. Г. Почвенная микология. - Изд. МГУ, 1988.
М о р о з о в А. И. О природе почвы // Информационные проблемы изучения биосферы. Под ред. акад. А. А. Воронова и В. В. Бугровского. - М.: Наука, 1988, с. 201-230; Об организации почвенной биоты // Грунтознавство (Soil Science), т. 5, № 3-4, Киев - Днепропетровск, 2004, с. 110-121.
Х а л и ф м а н И. А. Шмели и термиты. - М.: Детская лит., 1972.
S m I t h M. L., B r u h n J. N., A n d e r s o n J. B. The fungus Armillaria burbosa is among the largest and oldest living organisms //Nature, 1992, v.356, p. 438-441.
Публикации журнала "Наука и жизнь":
Х а л и ф м а н И. А. Операция "Формика". - 1962, № 4; Песнь шмеля. - 1967, № 9; Шмели и пчелы: дома и на цветах. - 1970, № 5; Сон в зимнюю ночь. - 1972, № 5; Великан у муравейника. - 1980, № 3; Операция "Муравей". - 1974, № 5; Муравьи-кочевники. - 1986, № 1.
Комментарии к статье
*в Древней Греции полисами называли города-государства с прилегающими территориями.
Читайте в любое время
