토양의 미생물 시장은 숲의 무자비한면을 보여줍니다

우리가 보는 녹색 채소 세계 아래에는 우리가하지 않는 어두운 미생물 세계가 있습니다. 우리가 먹는 작물, 우리를 유지하는 숲과 대부분의 다른 생명체, 심지어 지구의 기후 조절조차도 토양 영양소를 동원하고 설탕과 지방을 위해 식물과 거래하는 그림자 같은 곰팡이와 박테리아 네트워크의 이점을 얻습니다. 그러나이 지하 사회의 작품은 과학자들에게 거의 알려지지 않았습니다. 예를 들어, 연구원들은이 미생물의 세 가지 주요 그룹의 전역 분포를 처음으로 매핑했습니다. 2019 년에도 우리의 발 아래에있는 것은 진정한 과학적 국경으로 남아 있습니다.

이러한 인식 론적 어두움에도 불구하고 지하 생태계에 대한 공익이 폭발했습니다. Ted Talks와 Bestselling Books는 의사 소통하고 영양분을 공유하며 서로를 유지하는 지하 유기체의 자비 롭고 협력적인 "Wood Wide Web"을 칭찬합니다.

Vu University Amsterdam의 진화 생물 학자 인 Toby Kiers는 그 거친 견해에 의문을 제기하는 새로운 세대의 과학자들의 선봉에 있습니다. Kiers와 그녀의 공동 작업자들은 혁신적이고 획기적인 연구를 통해 식물과 곰팡이 공모자들이 서로 협력하는 것뿐만 아니라 공급과 수요에 의해 지배되는 소란스럽고 종종 큐타한 시장에 참여하고 있다는 증거를 수집했습니다.

이 그림의 핵심은 보이지 않는 지하 세계가 우리가 거주하는 눈에 보이는 지상의 세계와 마찬가지로 복잡하고 정교하며 목적이 있다는 계시입니다. 미생물은 식물에 대한 단순하고 수동적 인 액세서리가 아니라 그 자체로 역동적이고 강력한 행위자입니다. 곰팡이는 영양분을 비축 할 수 있고, 탄소 보호 구역에 관대 한 식물을 보상하고 인색 한 식물을 처벌 할 수 있으며, 대가로 최고의“거래”를 얻기 위해 자원을 끔찍하게 움직이고 거래 할 수 있습니다.

그것들은 아마도 그들의 재능의 시작일 것입니다. 6 월에 출판 된 논문에서 Kiers와 그녀의 동료들은 보이지 않는 곰팡이 시장을 조명하는 방법을 개척했습니다. Tantalizing Research는 의심되었지만 결코 입증되지 않은 능력을 암시합니다. 곰팡이는 영양소 거래자 일뿐 만 아니라 정교한 정보 프로세서 일 수도 있습니다.

Kiers는 과학자들이 우리 모두를 지원하는 작은 네트워크 유기체의 숨겨진 규칙을 당황하게하는 데 멀리 떨어져 있음을 인정합니다. "당신을 이상하게 때리지 않습니까?" 그녀는 말했다. “우리는 다른 유형의 네트워크에 대해 너무 많이 알고 있습니다. 이것은 의심 할 여지없이 생태계에서 가장 중요한 네트워크이지만, 우리는 그것에 대해 아무것도 모릅니다. … 근본적으로 연구가 끝났습니다.”

고대 파트너

약 5 억 년 전에 식물이 땅에 갇히게되면 미생물이 기다리고있었습니다. 곰팡이와 박테리아는 새로운 이웃과의 관계를 강타했습니다. 결국 식물은 대부분의 미생물이 할 수없는 일을 할 수 있습니다. 태양 에너지를 활용하여 대기 이산화탄소를 분리하고 에너지가 풍부한 설탕과 지방을 조각으로 구성합니다. 미생물은 그 결과 토양에서 필요한 식물, 특히 인뿐만 아니라 질소에서 필요한 영양소를 자유롭게하는 기술을 마스터했습니다. 미생물이 식물이 물에 접근하는 데 도움이된다는 증거가 있습니다. 오늘날의 육상 식물의 약 80 % 이상이 곰팡이와 파트너십을 형성합니다. 여전히 다른 식물은 박테리아와 파트너 관계를 맺고 있습니다. 토양이 어떻게 든 미생물이 제거 되었다면 식물과 동물 세계는 큰 타격을 입을 것입니다. 위대한 자연 주의자 E.O.의 견해 윌슨 그럼에도 불구하고 세상을 운영하는 곤충이 아닌 미생물입니다.

그러나 토양 미생물 군집은 거의 알려지지 않았으며 덜 감사합니다. 그 이유는 다음과 같습니다. 토양은 불투명하고 미생물은 미시적입니다. 그들은 또한 공부하기가 어렵습니다. 실험실에서는 많은 사람들이 자라지 않을 것이며 추출 될 때 토양이 쉽게 퍼지는 욕설 네트워크는 쉽게 자라지 않습니다. 그러나 무엇보다도 미생물은 지상 세계에 대한 우리의 경험에 의해 형성된 삶에 대한 우리의 이해를 혼란스럽게합니다. 일부 곰팡이에는 적절한 세포가 없습니다. 예를 들어 DNA 함유 핵은 길이가 킬로미터가 될 수있는 스레드와 같은 지하 네트워크를 통해 떠납니다. 곰팡이가 성관계를 갖거나 개인을 구성하는 것을 정의하는 것이 무엇을 의미하는지 말하기는 종종 어렵습니다.

과학자들이 미생물 공장 파트너십의 중요성을 인식하기 시작하면서 적어도 개요에서 많은 사람들이 자연계를 협동적이고 공산주의적인 장소로 보았습니다. 1970 년대에 미생물학자인 Lynn Margulis와 화학자 James Lovelock은 Gaia 가설을 개발했는데, 이는 지구의 생물권이 어떤 의미에서 통일 된 자기 조절 유기체라고 주장합니다. 상호 유익한 종간 간 및 심지어 왕의 관계의 존재는이 그림에 바로 맞습니다.

1990 년대 중반, 현재 브리티시 컬럼비아 대학교에있는 수잔시 라드 (Suzanne Simard)라는 젊은 생물 학자는 숲 에서이 개념을 테스트하기로 결정했습니다. 2016 년 TED 토크에서 Simard (여러 인터뷰 요청에 응답하지 않은)는“어떤 사람들은 내가 미쳤다고 생각했다. 오레곤 주립 대학 (Oregon State University)의 박사 과정 프로젝트를 위해, 그녀는 방사성 탄소 동위 원소로 이산화탄소를 가져 와서 더글러스 전나무 묘목 근처에서 자라는 파인트 크기의 자작 나무 주위에 설치된 백에 주입했습니다. 잠시 후, 그녀는 더글러스 전나무 나무를 따라 가이거 카운터를 운영 했고이 장치는 미친 듯이 경고했습니다. 또한, 그녀는 방사성 탄소가 FIR 근처에 가방을 심으면 더글러스 전나무에서 자작 나무로 흐를 수 있음을 발견했습니다. 그녀는 나무가 지하 네트워크를 통해 탄소를 공유한다는 것을 발견했습니다. 그녀의 연구 결과는 Nature 에 출판되었습니다 1997 년, 과학자와 대중 모두의 화재를 불러 일으켰습니다.

그녀가 찾은 것을 설명하면서 Simard는 그녀가 본질적으로 내재 된 협력을 강조했습니다. "숲은 협력 시스템이며, 경쟁에 관한 것이라면 훨씬 간단한 곳이 될 것입니다." 2016 년.“숲이 왜 그렇게 다양할까요? 왜 그렇게 역동적일까요?” 그녀의 TED 토크에서 Simard는 숲을“슈퍼 쿠퍼 인”이라고 언급했으며 나무가 단지 협력하는 것이 아니라 의사 소통을한다는 대담한 주장을했습니다. 그녀는 Birches와 Douglas Firs가 지하 공동 작업자가 중재 한“활기찬 양방향 대화”에 참여하는 것으로 묘사했습니다. 그녀는“이 거대한 지상 커뮤니케이션 네트워크에 대한 확실한 증거를 발견했습니다.”라고 그녀는 말하기에 덧붙였다.

Simard가 안개가 자욱한 태평양 북서부에서 묘목을 포장 한 지 얼마되지 않아 Kiers는 Frigid Maine의 Bowdoin College에서 파나마의 따뜻하고 습한 Barro Colorado Island까지 캠핑되었습니다. 그녀는 지하 세계에 매료되었고, 학부 멘토의 제안에 따라 파나마 운하의 주요 채널에있는 Smithsonian의 유명한 열대 필드 스테이션에서 1 년을 보냈으며 토양 곰팡이가 열대 나무가 어떻게 자라도록 도와주는 방법을 연구했습니다. 그런 다음 학사 학위를 마치고 캘리포니아 대학교 데이비스로 향했습니다. 그곳에서 그녀는 세계에서 가장 유명한 상호주의 중 하나, 콩벌과 같은 중요한 작물과 메뚜기와 같은 나무와 뿌리 줄 박테리아를 포함하는 콩과 식물 가족의 식물 사이의 상호주의를 연구하기 시작했습니다. 이 특수한 미생물은 식물의 뿌리에 구형 흰색 결절에 자리 잡고 영양 공장이되어 무기 질소를 공기에서 생물학적으로 유용한 형태로 변환합니다. 그런 다음 탄소가 풍부한 설탕을 위해 질소를 식물로 교환합니다.

친절한 파트너 간의 균형 잡힌 유용한 교환처럼 보입니다. 그러나 Kiers에게는 Margulis 및 Simard와 같은 사상가들이 홍보 한 자비로운 협력 중심의 견해가 의심되었습니다. Kiers는 대신 개인의 이익에 의해 명령 된 세계를 보았는데, 잠재적 사기꾼이 어디에서나 숨어 있었고 종은 거래 파트너를 유지하기 위해 복잡한 전략이 필요했습니다.

Kiers는“저는 협력에 관심이 적고 실제로 긴장에 훨씬 더 관심이 있다는 사실을 깨달았습니다. “긴장이 혁신을 유발하는 방법에 대한 평가가 과소 평가되었다고 생각합니다. 나에게 협력은 정체를 암시한다.”

그녀가 곧 배운 것처럼, 콩과 식물 상호 작용은 그렇게 간단하지 않습니다. 단일 콩과 식물은 10 개 이상의 균주의 박테리아를 호스팅 할 수 있습니다. Kiers에게 이것은 생태 학자 개렛 하딘 (Garrett Hardin)의 개념을 불러 일으켰습니다. ,“커먼즈의 비극”은 자신의 이익을 추구하는 개인이 공통된 환경이나 자원을 파괴 할 수 있다고 주장했다. 콩과 식물 자체는 공통점으로 보일 수 있으며, 주어진 박테리아 균주는 식물의 설탕을 계속 축제하면서 질소를 비축 할 수 있습니다. "왜 그들은 질소를 고쳐야합니다. 그 안에 무엇이 있습니까?" 미네소타 대학교에서 생태 및 진화 실험실을 운영하는 겸임 교수 인 Kiers의 고문 인 Ford Denison에게 물었다.

옥스포드 대학교 (University of Oxford)의 진화론가 인 스튜어트 웨스트 (Stuart West)와 함께 파나마에서 만난 그녀와 데니슨은 수학적으로 콩 과조 보비아 상호 작용을 모델링하여 박테리아가 식물 숙주를“속임수”할 수 있다면 더 많은 균주가 결함이있을 때 관계가 분리 될 것임을 보여 주었다. Kiers, Denison 및 그들의 동료 Robert Rousseau는 본질적으로 일부 박테리아를 속이는 실험을 설계했습니다.

Kiers는 거의 질소가없는 공기 공급을 가진 콩 식물의 일부 결절을 둘러싸고 있었기 때문에 그 결절의 박테리아는 식물에 쓸모가 없습니다. 그녀는 식물이 해당 박테리아에 산소 공급을 차단하여 재생산을 크게 줄임으로써 반응했다는 것을 발견했습니다. 박테리아와 콩 사이의 관계는 행복한 우정과는 거리가 멀지 않은 것처럼 보였고, 식물은 그들의 유지를 얻지 못한 박테리아 파트너들에게 무서운 제재를 부과하면서 불안한 데 텐테였습니다. 자연 에 출판 된이 논문 Kiers가 박사 학위를 받기 전에 큰 스플래시를했습니다. Denison은“이것은 내 경력에서 가장 인용 된 논문입니다.

그런 다음 키어는 박테리아에서 곰팡이로 전환했습니다. 박테리아는 일부 식물 그룹의 뿌리에 뿌려 질 수 있지만 곰팡이는 지하 영역의 주인과 의심의 여지가 없습니다. 특정 곰팡이는 광대 한 지역을 통해 퍼져서 그들이 겪는 모든 식물과 함께 균사로 알려진 균열로 알려진 실 가운 덩굴손을 식물의 뿌리에 직접 보냅니다. (이 곰팡이의 이름-“mycorrhizae”-문자 그대로 라틴어 myco- , 그리스어 rhiza 과 함께“곰팡이”를 의미합니다 , 또는 "뿌리") 실제로, 균근 세계는 야채의 일종의 반전을 형성하며, 분지 곰팡이 네트워크는 아래쪽으로 확장되어 식물의 분지 줄기와 사지를 하늘로 향하게합니다.

그러나 곰팡이 세계를 실제로 구별하는 것은 다양성과 복잡성입니다. 한 숟가락의 토양에는 지구상에 인간이있는 것보다 더 많은 미생물 개체가 포함되어 있습니다. 스웨덴의 Lund University의 토양 생태 학자 인 Edith Hammer는“이것은 우리가 가진 가장 많은 종의 서식지입니다. 단일 식물은 수십 개의 곰팡이로 분자를 교환 할 수 있습니다. 저기 무차별 파티입니다.

그런 압도적 인 복잡성에 직면 한 과학자들은 너무 많이 단순화해야합니다 (아인슈타인은 말한 것처럼). Kiers와 그녀의 동료들은 페트리 접시로 메르세데스 기호와 같은 3 개의 동등한 크기의 구획으로 나뉘 었습니다. 하나는 당근과 관련된 곰팡이 종과 함께 잎을 박탈 당근 뿌리를 키웠다. 식물 뿌리는 아니지만 곰팡이 균사는 영양소를 찾기 위해 다른 두 구획으로 자랄 수있었습니다. 연구원들은 당근에 특별한 "무거운"탄소 (동위 원소 탄소 -14)를 제공했다. 그들은 또한 다른 두 구획 중 하나에 도달 한 곰팡이에 인을 이용할 수있게했습니다. 이런 식으로 과학자들은 단순화 된 생태계를 통해 설탕과 영양소의 움직임을 추적 할 수 있습니다. 얼마 후, 그들은 곰팡이의 성장을 측정했고 인한 인간의 곰팡이가 식물로부터 훨씬 더 많은 탄소를 받았다는 것을 발견했습니다.

Kiers의 팀이 다음에 한 일은 실제 쿠데타였습니다. 그들은 설정을 거꾸로 뒤집 었습니다. 두 개의 구획에 곰팡이가 달린 당근 뿌리와 곰팡이 만 도달 할 수있는 하나의 구획. 그들은 한 당근을 다른 당근보다 설탕을 더 많이 주었다. 그들은 기다렸다가 측정했다. 더 많은 설탕 to 무역을 가진 식물은 훨씬 더 많은 곰팡이 인을 받았다 (이 실험에서는“무거운”동위 원소 인 -32로 인식 될 수있다).

2011 년 Kiers의 팀은 Science 에서보고했습니다 식물은 고성능 곰팡이 파트너에게 보상하고 가난한 공연자를 처벌 할 수있을뿐만 아니라 곰팡이는 분명히 똑같이합니다.

동시에 해머는 곰팡이가 두 번째 트릭을 가지고 있다는 실험에서 증거를보고했습니다. 식물이 잘 지불하지 않을 때 영양소를 저장할 수 있으며 더 나은 제안을받을 때까지 보류 할 수 있습니다.

결과는 함께 과학자들이 식물 식 관계에 대한 이해를 머리의 이해로 바꾸었다. 더 이상 mycorrhizal 곰팡이를 공장 주인에 대한 종이나 수동적 액세서리로 볼 수 없습니다. 오히려, 표면 아래의 생명은 위의 것만 큼 자신의 운명을 통제합니다. 동등한 결혼입니다.

"우리가 들판을 깨달았다는 말을 해야할지 모르겠지만 많은 사람들이 [곰팡이]가 훨씬 간단하다고 생각했다고 생각합니다."라고 해머는 말했다.

이번 연구 결과는 또한 Kiers를 자신의 중요한 사상가로 확립했습니다. 데니슨은“이 한 사람이 가장 중요한 두 공생에 대한 제재 나 차별에 대한 첫 번째 확실한 증거를 제공 한 것은 정말 놀랍습니다.

그녀는 덜 인공적인 실험으로 실험실 실험을 따라 갔다. 그녀는 그늘과 햇빛에 곰팡이에 연결된 식물을 키웠다. 그녀는 광합성이 적고 공유 할 설탕이 적은 음영 식물이 지하 곰팡이 상대방으로부터 인간을 덜 받았다는 것을 발견했다.

그녀는 또한 식물과 곰팡이 사이의 관계에 대한 생각을위한 경제적 틀을 개발하기 시작했습니다. 자유 시장 시스템의 관찰에 근거하여, Kiers는 최소 4 억 7 천만 년 동안 식물성 상호주의를 안정화시킨 것이 개별 유기체가 지역 사회의 이익에 전념하는 것이 아니라 대부분의 경우 식물과 곰팡이가 자원을 스스로 유지하는 것보다 서로 거래함으로써 더 많은 혜택을 받는다는 것을 의심합니다.

경제학은“우리가 실제로 수학적이고 예측 가능하다는 것을 빌릴 수있는이 거대한 문학을 제공합니다. "이러한 아이디어 중 일부를 테스트하는 도구로 사용될 수 있습니다." 예를 들어, Kiers와 그녀의 동료들은 식물이 육식성을 돌리고 곤충을 잡음으로써 필요한 영양소를 얻는 다른 방법을 찾을 때 상호주의가 때때로 무너진다는 것을 발견했습니다. 그들은 작년에 국립 과학 아카데미의 절차에서 그들의 연구 결과를 발표했다. .

모든 사람이 시장과 거래자의 컷 경제 세계가 식물과 미생물을 잘 묘사한다고 확신하는 것은 아닙니다. 토론토 대학의 생태학 및 진화 생물학 교수 인 Megan Frederickson은 Kiers가 믿는 것보다 부정 행위가 본질적으로 덜 일반적이라고 주장한 토론토 대학의 생태학 및 진화 생물학 교수 인 Megan Frederickson은“때때로 파트너의 체력이 파트너의 피트니스 관심사가 실제로 잘 정렬 될 가능성이 있다고 생각합니다. "다른 사람들은 상호 작용의 두 파트너가 이익을 완벽하게 조정하는 것이 불가능하다고 생각합니다."

그 견해는 또한 대중 문학을 지배하게되었습니다. 2016 년, 독일 포스터 피터 워 클레 벤 (Peter Wohlleben)은 Simard와 다른 몇몇 과학자들을 크게 끌어 올렸다. . 이 책은 국제 베스트셀러가되었습니다. Wohlleben, 자연에 대한 공산주의 적 견해를 강력하게 옹호하는 Wohlleben은 진심으로 진심으로 곰팡이의 유익성과 협력적인 자연을 촉진하면서“[나무의 뿌리]를 채우는 곰팡이는 타협을 의도하는 것 같습니다.”

특징적으로 Kiers는 영감을 얻기 위해 다른 소스로 바뀌 었습니다. 몇 년 전, 그녀는 21 세기에 경제학자 Thomas Piketty의 자본을 읽었습니다. 인간 사회를 형성하는 데있어 자원 불평등의 역할을 강조합니다. Kiers는 곰팡이 식물 생태계에 불평등을 도입하면 새로운 통찰력이 드러날 것이라고 의심했습니다. 그러나 그녀는 너무 많은 과학자들과 같은 도전에 직면 한 것을 발견했습니다. 그녀는 곰팡이가 무엇을하고 있는지 직접 볼 방법이 없었습니다. 그녀는 영양소를 측정하고 그들이 어디로 가면 어디를 보았는지 보면서 많은 마일리지를 얻었지만 곰팡이 자체 내에서 일어난 일은 블랙 박스로 남아있었습니다.