Какво не знаем за гъбите – тези подземни супергерои, и как те спомагат за дългосрочната регулация на климата?

Точно под краката ни се намира невидима вселена от гъби, която прави живота на Земята възможен

Радина Калдамукова е автор в Климатека. Тя е магистър по геоекология от университета в град Тюбинген, Германия. Участник в програмата за експерти в областта на климатичните промени “Pioneers into practice”, организирана от най-голямото публично-частно партньорство в Европа в сферата на климата – Climate-KIC. Има интереси в областта на агроекологията и иновациите в земеделието, аквапониката, устойчивото използване на природните ресурси, почвознанието, палеоклиматологията и запазването на видовото разнообразие. Ентусиаст-градинар и привърженик на биоземеделието.

Огромни гъбични мрежи под земята играят решаваща роля в подпомагането на горите да абсорбират въглерод и да ограничат изменението на климата, твърдят учените. Същевременно гъбите са едни от най-малко изучените и документирани организми, които обаче имат съществено значение за човешкия, растителния и животинския свят. Наблюдения от скорошни проучвания показват, че когато подземните гъбични мрежи деградират, надземните екосистеми също се влошават и биоразнообразието намалява. В ход е проект за картографиране на тези микоризни мрежи и общества на Земята, тъй като в момента информацията за тях е оскъдна и е предимно от лабораторни изследвания. В последните години се разработват и тестват препарати на гъбична основа, които могат да се използват като форма на добавка в селското стопанство, за да се намалят въглеродните емисии, да се подобрят важни почвени характеристики и да се гарантират високи добиви. Други иновативни продукти от мицел също се разработват като екологична алтернатива на съществуващи такива. 

Гъбите са навсякъде, но е лесно да останат незабелязани. Те имат способността да произвеждат почва, да храносмилат замърсявания, да хранят растения, да оцеляват в Космоса, да произвеждат халюцинации, да бъдат лекарство или храна, да манипулират животинското поведение и много други. Те са ключът към разбирането на света в който живеем, но в много голяма степен живеят скрити от човешкото око и повече от 90% от видовото им разнообразие остава недокументирано. Те не са растения и по своята същност се доближават повече до животните, защото не могат да фотосинтезират, а това е една от основните характеристики на растенията. Гъбите имат свое собствено таксономично царство, както животните и растенията. Микроскопичните спори на маята са гъби, както и големите простиращи се на километри мрежи на Armillaria, които са едни от най-големите известни организми на планетата. Най-големият открит екземпляр в щата Орегон, САЩ, тежи стотици тонове, простира се на над 10 км² и е на възраст между 2000 и 8000 години.

Гъбите имат разнообразни екологични роли

Растенията успяват да излязат за първи път от водата (океани и морета) преди около 500 милиона години заради взаимовръзката си с гъби, които са им служили като коренова система за повече от 10 милиона години, преди растенията да могат да изградят своя собствена. Днес, над 90% от растенията зависят от такива взаимовръзки.

Голяма част от популярните гъби като манатарки, масловки, пачи крак, булка и трюфели растат в горите, заобиколени от различни видове растения и дървета. Между гъбите и растенията се осъществява така наречената микориза, която е вид мутуалистична симбиоза. От гръцката дума mykes – гъби и rhiza – корен. Всяка от тези гъби образува мрежа от хифи (нишковидни клетки) под повърхността на земята, някои от които обгръщат най-малките растителни коренчета (ектомикориза). При други гъби хифите проникват в клетките на коренчетата на растенията (ендомикориза). 

Микоризните мрежи са съставени от бели нишковидни влакна, за които много учени смятат, че имат разнообразни екологични роли, те могат да: 

• обменят основни хранителни вещества с дърветата през корените;
• помагат при усвояването и задържането на вода; 
• предпазват растенията от патогени и да задържат почвата, като действат като гигантска подземна мрежа. 

Подобната на мрежа система е толкова многопластова и взаимосвързана, че понякога е известна с наименованието „Wood Wide Web” (подобно на www – World Wide Web/интернет). 

Гъбите, тези „майстори“ на рециклирането произвеждат хранителни вещества, които поддържат целия растителен свят, хранейки се от корените на растенията със захари и мазнини, а в замяна ги снабдяват с фосфор и азот.

В ден днешен, нови екосистеми на сушата, както и почва се образуват благодарение на гъбите.

Когато се сформират нови вулканични острови или топенето на ледовете отстъпва място на голата скала, лишеите (съюз между гъби и водорасли или бактерии) са първите организми, които ги колонизират. Те създават и почвата, в която впоследствие растенията пускат корени. В една екосистема почвата бързо щеше бъде измита от дъждовете, ако не беше гъстата мрежа от гъбна материя, която да я задържи на място.

Най-горният почвен слой съдържа три пъти повече въглерод от цялата атмосфера, което прави почвите основен уловител на въглерод, заедно с горите и океаните.

Гъбите имат съществена роля за изменението на климата в миналото и днес

Понастоящем горите поглъщат приблизително 1/3 от всички антропогенни емисии на въглероден диоксид (CO₂). Това се случва, когато дърветата „се хранят“ с CO₂ по време на процеса на фотосинтеза. Когато това се случи, въглеродът в CO₂ се трансформира в растителна биомаса и в крайна сметка се съхранява стабилно в стволовете на дърветата и горските почви.

Какво общо имат микоризните гъби с поглъщането на въглероден диоксид от дърветата?

Въпреки че дърветата в гората абсорбират молекулите CO₂, те не правят това сами. Горите се характеризират с микробиом, състоящ се от всички видове микроорганизми, които растат в синхрон с дърветата. Докато всяка гора може да абсорбира CO₂ и на свой ред да компенсира изменението на климата, някои гори са много по-добри в това от други.

Учените са установили, че идентифицирането на гори, които са най-добри в абсорбирането на CO₂ изисква разбиране на това кои микоризни гъби присъстват в микробиома на тази гора. Дърветата създават партньорства с много различни коренови гъби, но ектомикоризните гъби помагат на дърветата да абсорбират CO₂ още по-бързо. Освен това, ектомикоризните гъби могат да забавят разлагането, естествен процес, който връща въглерода от горските почви обратно в атмосферата. По този начин ектомикоризните гъби подобряват способността на горите и почвите да задържат въглерода стабилно, извън атмосферата.

За съжаление, замърсяването с азот допринася за това горите да губят тези ценни гъбични общества. Изгарянето на изкопаеми горива не само отделя CO₂, но също така и азотен оксид, който замърсява горите. Азотните торове, използвани във фермите, също допринасят за това, когато се разпространят в съседните екосистеми. Оказва се, че дърветата в партньорство с ектомикоризни гъби са изключително чувствителни към замърсяване с азот. Чрез наслагване на карти на замърсяване с азот върху разпределението на горите в Съединените щати, изследователски екип открива, че горите, изложени на високи нива на замърсяване с азот, имат много по-малко дървета, които съдържат ектомикоризни гъби.

Как гъбите са променили палеоклимата?

През Девонския период, преди около 300 – 400 милиона години количеството на CO₂ в атмосферата се е понижило с около 90%, причинявайки период на глобално застудяване. Една от хипотезите за това е симбиотичната връзка между висшите растения и гъбите.

Един от факторите, които ограничават растежа на растенията е липсата на фосфор, а една важна способност на гъбите е да усвояват фосфор от почвата и да го транспортират към партньорските си растения. Когато тези растения се наторяват с фосфор, те растат интензивно и извличат все повече CO₂ от атмосферата. Когато умират, повече въглерод бива заровен стабилно в почвата и по-малко е наличен в атмосферата.

Другата част от картинката е способността на гъбите да отделят киселина и силно налягане, за да се вкопават в солидните скали и минерали. С тяхна помощ, растенията от Девонския период са имали достъп до калций и силиций. Когато са „освободени“ от скалата, тези минерали взаимодействат с въглеродния диоксид, като намаляват концентрацията му в атмосферата. В резултат на това се формират силикати и карбонати, които попадайки в океаните се използват от морските организми за направата на черупките им. Когато загинат, тези организми падат на морското дъно, където се натрупват под формата на въглерод в стабилно състояние. Когато всички тези фактори бъдат сумирани, климатът на планетата ни започва да се променя. Компютърните модели и симулации на палеоклимата също потвърждават, че този сценарий е доста вероятен и че микоризните връзки са играли важна роля за еволюцията на живота на земята.

Какво е значението на гъбите за човека?

Способността на гъбите да просперират в редица хабитати се дължи на разнообразния им метаболизъм. Те използват коктейли от ензими и киселини, които могат да разграждат някои от най-стабилните субстанции на планетата, като например лигнин – най-здравия компонент на дървесината, скали, петрол, полиуретанни пластмаси, и експлозива ТНТ. Един от видовете, намерен в минни отпадъци и депа, е един от най-издръжливите на радиация организми и може да бъде използван за почистване на депа за радиоактивни отпадъци. Така например след експлозията в Чернобил, районът на бившата атомна централа е дом на множество гъби, които толерират радиацията и дори могат да я използват като източник на енергия, подобно на растенията, които използват светлината.

На молекулярно ниво гъбите и хората са достатъчно сходни, за да се възползват от едни и същи биохимични иновации. 

Пеницилинът – вещество, което гъбите произвеждат и може да ги защити от бактериална инфекция, се оказва благоприятно и за хората. В днешно време, ние разчитаме на гъбите за производството на множество лекарства като антибиотици, статини за сваляне на кръвното (статините действат директно върху черния дроб и блокират използваните от него субстанции за производството на холестерол), циклоспорин (имуносупресиращ агент, който прави възможна трансплантациите на органи) и други.

Трюфелите – едни от най-скъпоструващите храни на света са подземното плодно тяло на няколко вида микоризни гъби, които трябва да се разпространят чрез спори (подобно на семената на растенията). Под земята обаче те не могат да бъдат разпръснати от въздушни течения и няма как да бъдат открити или видени от животни, а това е първопричината да развият силна привлекателна миризма, която ще им помогне да бъдат забелязани и изядени. Фиг. 1 а) показва чертежи на корени на кестен от Giuseppe Gibelli (1883), колонизирани от неизвестна гъбичка, водеща до типичния закръглен микоризен връх. Фиг. 1 (b) илюстрира картина от неизвестен художник по повод международна изложба, проведена в Торино през 1911 г. Картината показва как прасе и куче търсят трюфели под дъб. Кореновите системи се отличават с типичните ектомикоризни корени.

Фигура 1 (а) и (б) Източник: Възпроизведено с разрешението на Департамента по системна биология – Библиотека на Ботаническата градина, Университет на Торино, Италия.

Гъбите „намират“ нова почва навсякъде. Гъбичният мицел се появява на пазара като вегански заместител на естествената кожа (Фиг. 2). Компаниите го използват и като свързващ агент за задържане на дървесни частици за облицовка, както и за издръжлива, огнеупорна и лека опаковка.

Фигура 2 Модни аксесоари от материя, направена от гъби (Muskin). Източник.

Селското стопанство също може да отбележи намалени емисии с помощта на гъбите

През 2023 г. се очаква по-масово навлизане и използване на продукти на основата на гъби в селското стопанство. Фермерите в Австралия вече третират семената с такъв продукт, преди да засадят културите. Растението извлича въглероден диоксид от въздуха и произвежда прости захари чрез фотосинтеза, а гъбичките ги превръщат в сложни и по-дълготрайни въглеродни съединения. Някои от тях се свързват с минералите в почвата и остават там в продължение на стотици или, в някои случаи, хиляди години.

Австралийска биотехнологична компания Loam Bio, базирана в Нов Южен Уелс и с изследователски сътрудничества в Австралия и Северна Америка, е разработила покритие за семена, което подобрява естествената способност на растението да съхранява въглерод в почвата. Заедно с това се наблюдават и значителни съпътстващи ползи за околната среда, като подобрено почвено здраве, богати на хранителни вещества култури и по-високи добиви.

Ако тази технология се приложи към всички соеви култури в Америка например, тя ще компенсира еквивалентните емисии на цялата авиационна индустрия на САЩ на годишна база.

Невъзможността на растенията да сформират полезни връзки с гъби се засилва с времето заради неустойчиви земеделски практики. Повсеместната употреба на фунгициди и други химикали допринасят за появата на супер вредители – насекоми, които застрашават растителното и човешко здраве.

Защо е важно да се идентифицират зоните на високо биоразнообразие под земята?

Законодателите често приемат, че настоящите цели за опазване на биоразнообразието вече са покрили най-важните местообитания на Земята. Това може да се дължи на общоприетото погрешно схващане, че горещите точки на биоразнообразието над и под земята обхващат едни и същи места. Това обаче е опровергано.

Скорошна оценка, публикувана от Nature, установява, че повече от 70% от известните горещи точки на почвено биоразнообразие на Земята са незащитени от настоящите планове за опазване. Те включват тундра, бореални гори и засушени територии, които покриват приблизително 45% от земната повърхност.

Учените установяват, че когато подземните гъбични мрежи деградират, надземните екосистеми също се влошават и биоразнообразието намалява. 

Ето защо организации с нестопанска цел като SPUN, GlobalFungi и Фондация Fungi започват глобални усилия за вземане на проби за създаване на карти на микоризни мрежи и общества на Земята. Една от задачите е да се идентифицират най-подходящите гъби, от приблизително трилион различни микробни видове, които могат да съхраняват големи количества въглерод под земята. Изследователите са събрали над 10 000 проби от цял свят и използват алгоритми (machine learning), за да открият области с високо биоразнообразие, които биха могли да защитят най-добре естествените екосистеми и да съхранят дълготрайно въглерода, както и да идентифицират рискови зони.

В днешно време, за да се справим с изменението на климата не е достатъчно да намалим емисиите на въглероден диоксид занапред, а трябва да намалим и този, който вече е произведен и е налице. 

Фигура 3: Световна карта на подземните микоризни мрежи и тяхното биоразнообразие.Източник:

Картографиране на микоризни гъбични мрежи в Европа

Изследователи от SPUN, заедно с местната научна общност от университета в Торино, Италия правят експедиция в Апенините и вземат проби от микоризните гъбични общности там. Тези планински вериги са дом на някои от най-дивите, непокътнати планински екосистеми в Европа, приютяващи голям брой ендемични растителни и животински видове с високи приоритети за опазване. На по-ниска надморска височина планинската екосистема е важен източник на манатарки (Boletales) – икономически високо ценена ектомикоризна гъба, която образува симбиотични връзки с букове, дъбове, кестени, борови дървета и др. Ново изследване предполага, че около 67% от видовете Boletales от Централна Италия в момента са застрашени според критериите за оценка на Международния съюз за защита на природата (IUCN). Разпокъсването на местообитанията — включително изсичане на гори, разширяване на градовете и промяна на селскостопанските практики — е основната причина за промяната и спада в популацията им.

През лятото на 2022 г. Италия също така преживява най-тежката си суша от 70 години насам. Някои региони обмислят обявяване на извънредно положение, тъй като нивата на водата са екстремно ниски поради високите температури през зимния сезон и малкото наличен лед, от който зависи речното захранване. Ефектът на засушаване върху подземните екосистеми все още не е добре разбран, но без вода оцеляването на много микоризни гъби е подложено на риск. Речните корита на реките в Северна Италия са започнали да пресъхват за много дълги периоди. Повече за сушите и недостига на вода може да прочетете тук.

Тъй като високите температури и екстремното време са по-често срещани, е важно да се определи кои гъби могат да понасят суша. Екипът на SPUN взема проби от почви под дъбове, букове, борове и кестени – ландшафти, някои от които са били засегнати и от скорошни горски пожари. Тези данни ще им помогнат да разберат как подземните екосистеми реагират на изменението на климата.

В Антарктика гъбата Cryomyces antarcticus съхранява големи количества меланин в клетъчната си стена. Меланинът – пигмент, който прави човешката кожа повече или по-малко тъмна и предпазва от ултравиолетова радиация, може да предпази гъбите от засушаване и при пожари.

У нас също съществуват общности от почитатели на гъбите, които събират, идентифицират и предоставят информация за видовете и техните местообитания. 

В интернет страницата Manatarka могат да се намерят множество снимки на българските гъби, предоставени доброволно от любители гъбари, както и ключ за определянето им и допълнителни линкове към още ресурси по темата. В България се срещат над 1700 вида базидиални и аскомицетни гъби, като техният брой постоянно расте с откриването на нови за страната видове.

Фигура 4: Група гъби от рода Otidea в Копривщенския Балкан, снимка личен архив.

Микоризните мрежи са толкова дълбоко свързани с дърветата, растенията, микробите и други организми, че изучаването им в изолация, в лабораторна и стерилна среда означава, че нашето разбиране е ограничено. Учените ще трябва да потвърдят или отхвърлят своите досегашни открития в естествени полеви условия. 

По-нататъшни изследвания с помощта на доброволци и гражданската наука биха могли да ни дадат повече информация и прогнози как гъбичните общности могат да се адаптират към изменението на климата в региони, податливи на суша и пожари. 

Ако успеем да впрегнем неизползвания потенциал на гъбите и да го приложим в световен мащаб, върху земеделската земя, която се равнява на 1,8 милиарда хектара, можем да допринесем за най-значителното намаляване на въглерода в човешката история.