Жизнь на поверхности земли зависит от обширной сети почвенных грибов. На Аляске и в полевых лабораториях по всему миру исследователи пытаются понять, как именно это происходит, ведь на кону — важнейшие запасы углерода.
Макс Леви
Водин из вторников июня 2025 года белый внедорожник Chevy Suburban выехал на самое северное шоссе в Северной Америке. Солнце полярного лета на Аляске не заходило 40 дней и не зайдет еще 35. Но для Майкла Ван Нуланда, биолога, сидевшего за рулем, время уже поджимало.
Внедорожник, набитый всем необходимым для четырехдневной полевой работы — резиновыми сапогами для работы на болотах, GPS-навигатором для определения координат с точностью до сантиметра, стальной трубой для извлечения кернов из вечной мерзлоты, — ехал по шоссе Далтон, которое прорезает тундру северного побережья Аляски, словно асфальтово-гравийный шов. За окном не было видно деревьев, и пейзаж казался бесплодным, но первое впечатление обманчиво. Многокилометровые заросли осоки и мха толщиной с одеяло стали настоящим пиршеством для сезонных популяций карибу, гризли, овцебыков и примерно 200 видов птиц.
Ван Нуланд больше интересовало то, что происходило под землей, где разветвленные системы грибных нитей — от микроскопических канальцев до артерий толщиной с пряжу — простирались на десятки футов во всех направлениях. Эта плотная сеть, соединяющая корни растений и обеспечивающая циркуляцию питательных веществ, поддерживала жизнь на поверхности.
«Некоторые люди воспринимают землю просто как землю. Но это живая, дышащая система, — говорит Ван Нуланд — ведущий специалист по анализу данных в некоммерческой организации «Общество защиты подземных сетей» (Society for the Protection of Underground Networks, SPUN). — В лесу вы видите сложную систему — ярусы крон, различные виды птиц и насекомых… Под землей вы идете по такой же или, возможно, даже более сложной системе».
Архитектором этой системы был объект исследования Ван Нуланд — микоризные грибы, группа эволюционно далеких от человека почвенных микроорганизмов, чьи постоянно растущие отростки извлекают питательные вещества и воду из окружающей среды. В том числе из корней близлежащих растений. Бледные нитевидные «гифы» грибов пронизывают почву, пока не находят корни растений, с которыми можно соединиться. После этого начинается обмен. Растение получает от гриба скудные запасы азота и фосфора, до которых с трудом добираются его собственные корни. Гриб использует углерод растения для дальнейшего роста и колонизации почвы.
На протяжении столетия с момента открытия микоризные грибы считались паразитами, поражающими корни растений, а позднее — пассивной инфраструктурой, служащей интересам растений. Однако исследования последнего десятилетия, в которых использовались передовые методы робототехники и визуализации, показывают, что микоризные грибы — это активные участники процесса, которые сами управляют своей судьбой и влияют на судьбы других организмов.
«Можно представить, что грибы — это своего рода сельскохозяйственные растения, растущие под землей», — говорит Тоби Кирс — биолог-эволюционист из Амстердамского свободного университета, главный научный сотрудник и директор SPUN, соучредителем которого она стала в 2021 году. Микоризные грибы направляют питательные вещества по «супермагистралям» и структурируют почву, поддерживая жизнь во всех экосистемах. Теперь «мы видим, что грибы сами по себе играют очень важную роль», — говорит Кирс. «Это переворачивает наше представление о подземном мире».
По мере изучения грибных сетей мы все больше узнаем об их глобальном биоразнообразии и биогеографии, особенно по сравнению с тем, что мы знаем о растениях и животных. Вероятно, существует от 20 000 до 50 000 видов микоризных грибов, и у каждого из них есть свои способы взаимодействия с различными растениями и получения питательных веществ с помощью ферментов, кислот и гидрогеосфер. Чтобы устранить этот пробел, в модели, опубликованной в Nature в 2025 году, Ван Нуланд и его коллеги использовали машинное обучение для обработки 25 000 образцов почвы со всего мира, в результате чего было получено более 2,8 миллиарда последовательностей ДНК грибов. Они использовали эти данные для прогнозирования местоположения микоризных “горячих точек» — мест как с высоким разнообразием, так и с редкостью видов.
Именно эта модель привела Ван Нуланда в Арктику. Согласно результатам анализа, этот участок тундры на Аляске, расположенный между нефтяными месторождениями Прудхо-Бей и Арктическим национальным заповедником, скорее всего, является очагом распространения микоризы. Поэтому Ван Нуланд привез с собой команду исследователей, чтобы взять образцы почвы по всему региону. Он и другие исследователи SPUN возьмут образцы в других предполагаемых очагах распространения микоризы по всему миру, в том числе на тропических островах, в густых лесах и в горах. Если на этих участках обитают редкие, уникальные почвенные грибы, то в каждом горсти земли может оказаться новый вид.
Результаты исследования могут иметь глобальное значение. Каждый год микоризные грибы накапливают в себе количество углерода, эквивалентное более чем трети мировых выбросов углекислого газа. В северной вечной мерзлоте, в том числе в тундре на Аляске, в верхних трех метрах почвы содержится около 1 триллиона метрических тонн углерода — примерно в 10 раз больше, чем во всех тропических лесах Амазонии, как на поверхности, так и под ней. Таким образом, защита этих обширных грибных сетей является ключевым инструментом в борьбе с изменением климата. «В прошлом мы практически не уделяли внимания картированию, мониторингу и защите грибных систем, — говорит Кирс, — но теперь ситуация меняется».
Но мы поздно осознали важность микоризы. Изменение климата уже дестабилизирует эту экосистему. Грибковые сообщества реагируют на повышение температуры, увеличение влажности, учащение и усиление лесных пожаров, а также на таяние вечной мерзлоты. Менее 10% прогнозируемых SPUN очагов распространения микоризы находятся на охраняемых территориях, но даже они подвержены влиянию изменения климата. Чтобы выделить место для почвенных грибов в рамках природоохранных мероприятий, он должен собрать больше фактических данных для своей модели и выявить редкие виды, которые могут пострадать.
Вот почему Ван Нуланд и другие исследователи стремятся собрать образцы микоризных грибов в самых распространенных местах по всему миру. Он опасается, что, не зная, какие микоризные грибы несут на себе нашу углеродную нагрузку, мы не сможем защитить их и, как следствие, самих себя. Отправляясь в отдаленные уголки планеты, ученые обнаруживают удивительные способы, с помощью которых подземные грибы определяют будущее жизни на поверхности.
Свернув с шоссе Далтон протяженностью 414 миль, построенного в 1974 году для обеспечения работы Трансаляскинского нефтепровода, исследовательская группа проходит около полумили до места отбора проб. Макс Леви
Закладывание Фундамента
Я присоединился к команде SPUN в Дедхорсе, городе на северном побережье Норт-Слоуп на Аляске, в 6 утра третьего дня четырехдневной экспедиции по тундре протяженностью 150 миль. Пока мы ехали по шоссе Далтон, меня посвятили в последние события. Первый день начался с прокола колеса и закончился сбором проб на 10 участках. На второй день машина осталась целой, и группа из четырех исследователей собрала еще 14 образцов влажной болотной почвы шоколадного цвета. Мы выехали из города на юг и припарковались на обочине, чтобы продолжить путь с того места, где нас оставила команда. Пока мы шли к первому месту сбора образцов, Ван Нуланд опустился на корточки, чтобы показать мне микоризу. Он отодвинул толстый слой мха рядом с кустом карликовой ивы и вырезал кусок холодной земли. Держа его в ладони, он указал на маленькие белые комочки, похожие на попкорн.
«Все это места, где [микоризные] гифы очень плотно обволакивают тонкие корни, — сказал он. — Затем они расходятся в стороны, образуя сеть гиф». Гифы — это отдельные нити, из которых состоит тело гриба, или мицелий. Эти грибные трубочки состоят из жестких клеток, содержащих хитин — то же вещество, что и в экзоскелете насекомых. Они могут быть невероятно тонкими. Ширина гиф часто не превышает пяти микрометров — это примерно одна десятая толщины человеческого волоса и гораздо меньше, чем толщина кончика корня растения. Благодаря поиску пищи, проникновению в щели, использованию воздушных карманов и влажных участков в почве гифы получают доступ к питательным веществам, недоступным для кустарника.
Микоризные гифы наиболее заметны для человеческого глаза там, где они плотными пучками обвивают корни растений, напоминая белые облачка попкорна. Макс Леви
По крайней мере, так предполагали исследователи. То, что происходит внутри гиф, невозможно увидеть невооруженным глазом. Возможность наконец-то это увидеть произвела революцию в науке. В феврале 2025 года команда экологов под руководством Кирса объединила усилия с биофизиками из Института AMOLF в Амстердаме, чтобы с помощью роботов отследить, как перемещаются питательные вещества внутри гиф, растущих в чашках Петри. Видео похоже на замедленную съемку городских пробок. Питательные вещества перемещались по гифальным туннелям в обоих направлениях. По мере того как грибы выпускали все больше гиф, разветвленная сеть пульсировала и постепенно разрасталась, превращаясь в кружево, поглощающее питательные вещества. Если бы гифы росли не так густо, сеть была бы неэффективной, а если бы росли еще гуще, то и вовсе бесполезной.
«Это исследование поражает своей точностью, — говорит Жюстин Карст — эколог из Университета Альберты, не принимавшая участия в работе над исследованием. — Один из моих коллег назвал его шедевром». Визуализация показала, как сотни тысяч отдельных грибных гиф образуют эффективную сеть. В бесконечном поиске питательных веществ гифы проникают в пустые пространства. Когда нити сталкиваются друг с другом, они сливаются. А если гифы получают слишком мало питательных веществ, грибы сокращают потери и направляют рост в другое место.
Nutrients flow through hyphae, each of them about one-tenth the width of a human hair. Rachael Cargill, Loreto Oyarte Gálvez, AMOLF, SPUN
Эти мицелиальные сети росли так далеко от дикой природы, как только можно себе представить: в чашках Петри в лаборатории в Амстердаме. Однако благодаря полученным изображениям их взаимодействие стало видимым. «Такое ощущение, что ты приматолог, прячущийся за деревом», — говорит Кирс, который недавно получил стипендию Макартура и премию Тайлера за достижения в области охраны окружающей среды.
В 2022 году она наняла Ван Нуланд, у которой был опыт работы с геопространственными данными, чтобы та помогла связать эти микроскопические процессы с глобальными циклами. «Майкл способна увидеть общую картину того, как все эти взаимодействия складываются в то, что мы видим на местности, — говорит Кирс. — Это невероятный навык».
Если бы гифы росли не так густо, сеть была бы неэффективной, а если бы росли еще гуще, то и вовсе бесполезной. Во время учебы в аспирантуре и постдокторантуре Ван Нуланд проводил полевые исследования и контролируемые лабораторные эксперименты, чтобы разобраться в сложных взаимодействиях между грибами и растениями. Он внес свой вклад в многолетние исследования, показавшие, что почвенные грибы являются важным фактором разнообразия растений. Когда соседние растения похожи друг на друга, как, например, два арктических кустарника, им приходится по-разному добывать скудные ресурсы экосистемы. Ван Нуланд показал, что грибы, с которыми взаимодействует каждое растение, позволяют ему стратегически дифференцироваться под землей. Растения «конкурируют за ресурсы, и большинство этих ресурсов на самом деле предоставляются микоризными грибами», — говорит Карст, которая изучает подобные взаимодействия.
Десятки тысяч видов микоризных грибов отличаются огромным разнообразием, которое исследователи обычно делят на два основных типа. Эктомикоризные грибы преобладают в высоких широтах, где они могут доставлять растениям труднодоступный почвенный азот, оплетая гифами корневые клетки. Арбускулярные грибы, распространенные в более тропических регионах, в основном в экваториальной зоне, проникают своими микроскопическими гифами в корневые клетки, чтобы поставлять растениям фосфор. Внутри каждой группы грибов существует гораздо больше различий. Кроме того, грибы могут снабжать растения витаминами и минералами, такими как кальций и цинк.
Накопленные данные об отдельных системах позволяют предположить, что растения и их симбионты — грибы — не могут существовать по отдельности. «Я начинал заниматься экологией, размышляя о том, как взаимодействуют надземные и подземные системы, но мне кажется, что они неразрывно связаны, — говорит Ван Нуланд. — В лесу, где преобладает один тип микоризы, экологический поток питательных веществ совершенно иной, чем в лесу с другим типом микоризы, и во многом это зависит от того, как работают разные симбиозы и какие грибы лучше справляются с теми или иными задачами». Другими словами, конкуренция между растениями на самом деле является конкуренцией между грибами. По его словам, в арктической почве эти конкурентные отношения могут «поддерживать одни из самых редких сообществ микоризных грибов на планете».
Углеродная бомба
36-летний Ван Нуланд любит сложные задачи. Будучи спортсменом с многолетним стажем, он строил трамплины для езды на кроссовом мотоцикле на заднем дворе своего дома в детстве и участвовал в забегах по пересеченной местности в Сиэтлском университете. В 2019 году он пробежал 50-мильный ультрамарафон в Британской Колумбии. К середине третьего дня на Аляске его соревновательный дух снова дал о себе знать. В 2023 году экспедиция SPUN в Казахстан собрала 57 образцов почвы. Ван Нуланд хотел собрать 60.
Один образец состоял из девяти кернов почвы, каждый из которых был взят на расстоянии 15 метров от центральной точки, расположенной примерно в километре от шоссе. Джинсу Элхэнс, специалист по геопространственным данным из SPUN, присел на корточки, чтобы вбить в землю металлический цилиндр длиной 18 сантиметров. Динь. Динь. Динь. Иногда почва была мягкой и влажной, иногда — комковатой или обледенелой. «Вот замёрзшая глыба», — сказал Элхэнс, разгребая неподатливую, покрытую коркой многолетнюю мерзлоту. В кернах были обнаружены корни растений, грибы и всё, что ещё обитает в почве, — моментальный снимок подземной жизни и оценка биоразнообразия в определённом месте в определённый момент времени.
Джинсу Элхэнс, специалист по геопространственным данным, вбивает в землю металлический цилиндр, чтобы взять образец почвы. На каждом участке он извлекает девять кернов. В лаборатории анализ ДНК позволит определить виды микоризных грибов, содержащихся в почве. Макс Леви
На каждом участке отбора проб Марио Маскарелла — сотрудник и микробиолог из Университета Аляски в Фэрбенксе, отмечал точные GPS-координаты, определял виды растений на поверхности и втыкал в землю зонд для измерения температуры и влажности. Позже в лаборатории анализировали содержание питательных веществ в почве на каждом участке и извлекали из образцов последовательности ДНК для поиска ранее неизвестных видов грибов.
За день мы проехали еще 50 миль на юг по Северному склону до хребта Брукс. Мы проезжали мимо овцебыков, ледяных прудов и благоухающих холмов, через которые проходит нефтепровод высокого давления. К концу третьего дня команда добралась до 39-го участка — луга на склоне с видом на реку Купарук. До цели оставалось 21 место и один день. Последний день начался с пронизывающего холода, какого и ожидаешь от тундры: под густым туманом было всего 30 градусов по Фаренгейту. Но на дворе был июнь, и лето уже вступило в свои права. Мы пробирались по талому снегу, по щиколотку в воде, к более сухому месту, чтобы команда могла взять пробы. Вокруг нас лежали высохшие заросли прошлогодней осоки. «Запаха нет, — сказал Маскарелла, — но я уверен, что сейчас мы вдыхаем тонны метана».
Конкуренция между растениями на самом деле является конкуренцией между грибами.
После холодной зимы давно умершие растения, животные и грибы начали оттаивать, и их углерод стал доступен микробным редуцентам, которые переваривают сложные органические соединения и выделяют более простые вещества: углекислый газ, метан и закись азота, которые являются парниковыми газами. По мере того как изменение климата все сильнее влияет на Арктику, все более глубокие слои вечной мерзлоты начинают оттаивать. Микробы больше не довольствуются прошлогодним урожаем: они могут высвобождать углерод, который тысячи лет находился в замороженном состоянии.
Микроскопические грибы играют ключевую роль в понимании того, куда уходит углерод. После десятилетий пренебрежительного отношения к грибам как к паразитам или пассивным организмам, ученые стали рассматривать микоризу как недостающее звено в исследованиях климата. В 2023 году Ван Нуланд и Кирс помогли оценить количество углерода, ежегодно поглощаемого грибами: 3,93 миллиарда тонн у арбускулярных грибов и 9,07 миллиарда тонн у эктомикоризных — в совокупности это 36% всего углекислого газа, ежегодно выбрасываемого на планете.
«Цикл жизни и смерти приводит к значительному увеличению содержания углерода в почве, — говорит Ван Нуланд. — Это живая и умирающая инфраструктура». Но такая продуктивность сопряжена с трудностями. Роль отдельных видов грибов в каждой группе очень разнообразна. Микологи обнаруживают, что некоторые виды грибов являются отличными редуцентами. Среди редуцентов есть те, которые эффективно накапливают мертвый углерод, а есть те, которые выбрасывают большую его часть в воздух. «Таксономическая принадлежность может иметь большое значение, — говорит Ребекка Хьюитт — эколог из Амхерстского колледжа, изучающая взаимодействие растений и микроорганизмов в Арктике. — От того, кто там находится, зависит функция». Вопрос о том, какие виды на Аляске будут процветать по мере потепления почвы — те, которые накапливают углерод, или те, которые его выделяют, — и как это повлияет на глобальный климат, остается открытым. Некоторые грибы будут процветать. Другие погибнут. От того, какие грибы «выиграют», зависит, станет ли Арктика источником углерода, способствующего глобальному потеплению.
На 54-м участке, по пути к внедорожнику, Ван Нуланд размышлял о более масштабных последствиях этой работы. Он подозревает, что тундровые грибы «обладают особыми свойствами», которые позволяют им эффективнее поглощать углерод. «Как только мы определим уникальные виды микоризных грибов, мы сможем связать их с поглощением углерода, которое, по нашим оценкам, происходит в этой местности», — сказал он.
После того как мы остановились на 55-м участке, команда сделала перерыв на обед. Ван Нуланд с водительского сиденья предложил дерзкую взятку: «Если мы доедем до 60-го [участка], то сможем сходить в магазин» — в универсальный магазин Прудхо-Бей, где исследователи могли купить открытки с белыми медведями и наклейки «ВЫЖИВШИЙ НА ДАЛТОНСКОМ ШОССЕ». У них открылось второе дыхание. Мы приближались к предгорьям, поднимаясь к стене из 2400-метровых пиков, протянувшихся с востока на запад, словно континентальный «воротник». Болотистая местность сменилась более густым мхом и зарослями кустарников. С каждой милей и с каждым новым местом сомнения Ван Нуланда в том, что здесь можно найти редкие грибы, рассеивались. Хребет Брукс и ледяное побережье залива Прудхо-Бей фактически изолировали тундру с ее растительно-грибными сообществами от остальной части Аляски.
«Мы знаем, что большие горные хребты создают географические барьеры и, следовательно, приводят к изоляции и эволюции уникальных видов, а значит, и уникальных симбиотических сообществ в этих местах, — сказал он. — Это наводит меня на мысль: какова будет их история?»
Кость в земле
Мы добрались до места 60 в 16:00. Ван Нуланд припарковался на широкой стоянке, и мы прошли несколько минут пешком до холма, обращенного на запад и покрытого пушицей. Каждый занялся привычными делами: кто-то сверялся с GPS, кто-то осматривал растения и почву, а потом мы по очереди раскачивали стальную трубу, чтобы достать последний керн. Шестьдесят участков, по девять кернов на каждом: 540 образцов за четыре дня. «Я горжусь тем, как мы сработали, — сказал Ван Нуланд после того, как последний комок тундровой почвы попал в последний мешок для образцов. — Эта экспедиция даст потрясающие результаты».
Слева: на заднем сиденье внедорожника Келси Уолтер раскладывает образцы почвы по промаркированным пробиркам. Справа: Майкл Ван Нуланд на своем телефоне увеличивает масштаб маршрута исследователей и мест отбора проб, которые расположены вдоль дороги, ведущей на юг, в сторону гор хребта Брукс. Макс Леви
Четыре месяца спустя, в ноябре 2025 года, Ван Нуланд прислал мне по электронной почте предварительные результаты. В каждом из мест отбора проб в среднем было обнаружено около 75 различных видов эктомикоризных грибов. Состав видов сильно менялся с севера на юг. Из 354 различных видов, обнаруженных исследователями, 253 были ранее неизвестны. Судя по всему, этот регион является очагом распространения редких эндемичных грибов. Примерно три из четырех обнаруженных ими видов не встречаются больше нигде. Хотя некоторые из них теоретически могут существовать в нетронутой тундре — например, в Сибири, — Ван Нуланд подозревает, что многие виды являются эндемиками этого региона. Эти растения и грибы миллионы лет эволюционировали бок о бок, в изоляции, словно на отдаленном острове, зажатые между горами и морем. «Одно дело — видеть это на карте. Но когда ты сам оказываешься там, понимаешь, насколько уникальны эти экосистемы, — сказал он. — Мы обнаружили множество безымянных видов».
Похожие:
- Микроорганизмы — хозяева климата Земли
- Большая часть жизни на Земле находится в спячке после «экстренного торможения»
- Смешивание — это основа жизни глубоких озер. В Кратерном озере этот процесс замедляется.
- Революция в почвоведении меняет планы по борьбе с изменением климата
Исчезновение редких видов грибов может привести к утрате их уникальной роли в экосистеме и еще большей ее дестабилизации. «Люди представляют себе защиту тропических лесов Амазонии, — говорит Ван Нуланд. — Но с почвой все сложнее. Где амазонские джунгли почвы?»
Они могут быть повсюду. Северная часть Аляски — лишь одно из десятков возможных мест произрастания грибов, которые планируют посетить исследователи SPUN. Организация сотрудничает с учеными из 79 стран. Кирс участвует в четырех из пяти экспедиций в год, часто вместе с детьми. В Казахстане SPUN хочет выяснить, как грибы помогают луговым растениям переносить засуху. На атолле Пальмира в центральной части Тихого океана деревья и их грибковые симбионты проникают в коралловые обломки и конкурируют с инвазивными кокосовыми пальмами. В Лесото, на юге Африки, грибы, по всей видимости, помогают предотвращать эрозию сельскохозяйственных земель. «В каждом месте, где мы побывали, своя история», — говорит Ван Нуланд. Данные о биоразнообразии с каждого участка можно использовать в модели SPUN для улучшения прогнозов по «горячим точкам». Некоторые места стоит посетить еще раз. Летом 2026 года Ван Нуланд и его команда вернутся в Дедхорс, чтобы измерить поступление и выведение углерода из почвы тундры. Экологи не знают, как таяние вечной мерзлоты повлияет на углеродный баланс Земли. Но с каждым годом, когда возвращается неумолимый солнечный свет, самые смелые гифы почвенных грибов получают доступ к новым запасам углерода. Ученым не терпится узнать, что с ними сделают микоризы. Грибы дадут ответы тем, кто проявит достаточно терпения, чтобы выслушать их
