Мудрость леса. В поисках материнского древа и таинственной связи всего живого: читать начало книги онлайн

Тенты должны простоять месяц. Этого достаточно, чтобы снизить скорость фотосинтеза и производства сахара в пихтах. Толстые зеленые тенты отсекали девяносто пять процентов света, а тонкие черные – вдвое меньше. После ссоры в баре прошло два месяца, а Келли все еще не отозвался; Барб уверяла, что он появится в свое время.

Мы поволокли тенты к тестовому насаждению деревьев через бревна вырубки и сквозь заросли пахистимы и вейника. По карманам мы распихали рулетки, штангенциркули и блокноты, которые были нужны для проверки состояния саженцев во время установки тентов. Из бумажного пакета, в котором лежало шестьдесят бумажек с числами «0,50» или «95», я вытащила одну, как кролика из шляпы, чтобы распределить затенение случайным образом. Это исключит вероятность того, что изменение реакции пихты было вызвано не затенением, а другим фактором, например подземным источником. На бумажке оказалось число «95». Я водрузила над пихтой покрытый плотной зеленой тканью конус. Ножки опоры были внутри металлической полосы глубиной в тридцать сантиметров, которой я в прошлом году окружила переплетающиеся корни каждой выделенной тройки – пихта, кедр и береза, высаженная рядом с ними. Я потрогала обод – листовой металл прочно сидел в земле – и надавила на вершину конуса, чтобы ножки закрепились в грунте. Пихта оказалась в тени. Я достала смятую карту из кармана испачканных ржавчиной джинсов. Я любила карты: они обещали приключения, вели к открытиям. Карта показывала места, где мы разместили шестьдесят троек, разбросав их по территории размером с олимпийский плавательный бассейн.

Мой план состоял в том, чтобы накрыть треть пихт Дугласа тяжелыми зелеными тентами, вторую треть – легкими черными тентами, а оставшуюся треть оставить на солнце. В результате создавался перепад освещенности – от очень слабой в глубокой тени до максимально возможной на открытом солнце. Я моделировала разнообразие тенистых и солнечных условий, в которых живут молодые пихты – следствие изменчивой тени естественно растущих над ними березовых саженцев.

Но в отличие от естественно появившихся берез, обычно прорастающих из семян или из пней спиленных деревьев сразу после вырубки и потому имеющих преимущество в высоте перед посаженными хвойными деревьями, мои березы имели ту же высоту, что и молодые ели. Поэтому в моем эксперименте они не давали тени, и мне пришлось создавать ее искусственно, с помощью тентов. Стоит отметить, что тенты создавали только тень, они не влияли на доступность воды и питательных веществ из почвы. Они помогут мне оценить эффект затенения изолированно, устранив влияние остальных невидимых взаимоотношений.

Поперхнувшись комаром, Барб достала головной убор, защищающий от насекомых, – широкополую фетровую шляпу с вуалью из мелкой сетки – и заметила, что мне повезло, когда Лесная служба разрешила изучать, сотрудничает ли береза с пихтой.

– Я спрятала этот эксперимент среди других, – улыбнулась я.

У меня хорошо получалось скрывать спорные исследования среди основных, когда я подавала заявки на гранты.

Возможность берез и елей обмениваться сахаром через микоризные грибы интересовала меня с начала 80-х, когда я прочитала, что сэр Дэвид Рид, профессор Шеффилдского университета, со студентами обнаружил, как саженец сосны передает углерод под землей другой сосне. В лаборатории он посадил сосны в прозрачные ящики рядом друг с другом, подселил к корням саженцев микоризные грибы, чтобы создать подземную грибную сеть, а затем пометил радиоактивным углеродом фотосинтетические сахара, производимые одной из сосен-доноров. Для этого профессор запечатал побеги сосен в прозрачных ящиках и заменил естественный углекислый газ в воздухе одного из саженцев углекислым газом, содержащим радиоактивный углерод. Он позволил сосне в течение нескольких дней поглощать его и преобразовывать посредством фотосинтеза в радиоактивные сахара. Затем сэр Дэвид прикрепил фотопленку к боковой стенке ящика в надежде зафиксировать какие-либо радиоактивные частицы, которые могли передаваться по сети от сосны-донора к сосне-реципиенту. Проявив пленку, он увидел путь, пройденный частицами от сосны к сосне. Они путешествовали по подземной грибной сети.

Я задалась вопросом, можно ли это обнаружить вне лаборатории, в реальном лесу. Сахар может перемещаться от корня одного дерева к другому. Вероятно, добавленный радиоактивный углерод-14 транспортируется только между деревьями одного вида, как обнаружил сэр Дэвид, но, что если он двигается между разными видами деревьев, растущих вместе, как это часто встречается в природе?

Если бы углерод передавался между разными видами деревьев, это стало бы эволюционным парадоксом, поскольку известно, что деревья развиваются, конкурируя, а не сотрудничая. Моя теория казалась мне вполне правдоподобной, поскольку логично, что поддержание процветания сообщества в целом соответствует эгоистичным интересам деревьев, поскольку в этом случае они могут удовлетворять и свои потребности. Я беспокоилась, что подумают работники Лесной службы, но не могла упустить такую возможность. Сосна-донор в эксперименте сэра Дэвида посылала углерод саженцу-приемнику – и даже активнее, когда приемник находился в тени; однако экспериментатор не знал, посылает ли приемник углерод обратно. Если донор получал от своего соседа столько же, сколько отдавал, то это означало равноценный обмен, при котором ни один из участников не получал прибыли. Эксперимент сэра Дэвида не мог показать этого, потому что он помечал радиоактивным углеродом только один из саженцев и не добавлял меченое соединение, чтобы увидеть, возвращает ли реципиент столько же в обратном направлении. Но если один из них действительно получил больше, достаточно ли этого, чтобы помочь ему расти? Если да, то это может опровергнуть господствующую в эволюции и экологии теорию, что сотрудничество не так важно, как конкуренция.

Я стала представлять, как березы и пихты на берегах озера Мейбл соединяются под землей микоризными грибами, подобно лабораторным соснам в эксперименте Рида, и посылают сообщения туда и обратно через гифы. Словно разговор по Всемирной паутине, созданной в 1989 году, всего несколькими годами ранее. Но у деревьев сообщения состоят не из слов, а из углерода. Я вспоминала уроки физиологии растений и представляла, как в листе березы происходит процесс фотосинтеза – световая энергия преобразуется в химическую (сахар), соединяя углекислый газ из воздуха с водой из почвы. Благодаря способности к фотосинтезу, листья – источник химической энергии, двигатель жизни.

Из листьев сахар попадает в проводящие клетки флоэмы – ткани, которая опоясывает ствол березы под корой и образует путь от листьев до кончиков корней. Как только сладкий сок оказывается в самых верхних ситовидных клетках флоэмы, между ними и соседними клетками флоэмы возникает осмотический градиент. Осмос приводит к тому, что вода, поглощаемая корнями из почвы, поднимается по ксилеме – внутренней проводящей ткани, связывающей корни с листвой – и поступает в верхние ситовидные клетки флоэмы; концентрация раствора между взаимосвязанными ситовидными клетками уравновешивается. Увеличение давления в клетках – тургорное давление – заставляет продукты фотосинтеза двигаться вниз по гладкой цепи ситовидных клеток до самых корней. Корни, как и надземные части дерева, например почки и семена, нуждаются в энергии и поглощают этот сахар. Листья – источник продуктов фотосинтеза, а корни – поглотитель. Клетки корней быстро метаболизируют сахар и частично перемещают его в соседние клетки корней вместе с водой, ослабляя тур-горное давление. Это передвижение воды с сахаром из одной клетки корня в другую играет определенную роль в градиенте «источник – поглотитель», поскольку раствор продолжает течь от корней к листьям, а затем от верхушки дерева к низу. Такой процесс ученые называют напорным потоком. Это похоже на перекачку крови из костного мозга (источник) в сосуды, а затем в клетки (поглотители) для удовлетворения нашей потребности в кислороде. Пока листья синтезируют сахар в процессе фотосинтеза, увеличивая силу источника, а корни продолжают метаболизировать перенесенные сахара для наращивания корневых тканей, увеличивая силу поглотителя, раствор сахара продолжает двигаться по градиенту «источник – поглотитель» от листьев к корням.

Мы перенесли тенты дальше по склону к оставшимся тройкам. Я рисковала, проводя этот эксперимент, поскольку еще не было установлено, что в лесах образуются подземные сети, тем более между деревьями разных пород. Еще более невероятной казалась идея, что эти сети могут служить путями для сотрудничества и торговыми маршрутами для сахара. Но я впитала достоинства синергии, когда росла в лесу, бродя по заросшим деревьями склонам горы Симард, лазая по деревьям и строя убежища вместе с Келли.

Сахарный поезд в моем воображении не останавливался у корней. Я наблюдала, как продукты фотосинтеза перегружаются из кончиков корней к микоризным грибным партнерам, словно товар, перекладываемый из вагонов в грузовики. Сахар поступает в клетки гриба, захватившие клетки корней и уходящие от них в виде нитей в почву. Вода из почвы устремляется в эти грибные клетки-приемники, чтобы уравновесить концентрацию сахара в соседних грибных клетках точно так же, как это происходит в листьях и флоэме. Возрастающее давление от притока воды распространяет сахарный раствор по нитям грибных клеток, окутывающих корни, а затем по гифам, уходящим в почву, подобно воде, текущей из крана по множеству подсоединенных шлангов. Часть сахаров расходится, способствуя росту новых гиф в почве, которые помогут собрать больше воды и питательных веществ и вернут их к корням.

Я планировала пометить березу бумажную радиоактивным изотопом (углерод-14), чтобы проследить, как продукты фотосинтеза березы перемещаются к пихте Дугласа, а пихту – стабильным изотопом (углерод-13), чтобы увидеть, как продукты фотосинтеза пихты переходят к березе бумажной. Таким образом я могла не только выяснить, транспортируется ли углерод от березы к пихте, но и узнать, движется ли он в обратном направлении – от пихты к березе, словно грузовики по двухполосному шоссе. Измерив количество обоих изотопов, попавших в каждый саженец, я могла также определить, не отдала ли береза пихте больше, чем получила взамен. В этом случае стало бы ясно: деревья находятся в более сложном танце, нежели просто в борьбе за свет; я узнала бы, верна ли моя интуитивная догадка, что деревья тесно связаны друг с другом, меняя поведение в зависимости от функционирования всего сообщества.

Всю неделю ожидание проверки саженцев отвлекало меня от постоянного беспокойства за Келли. Молодые деревца поднялись энергично, от щиколотки до колена. Когда мы с Барб переходили от тройки к тройке, саженцы приветствовали нас ароматным букетом и мягкой пестротой. Деревца были жизнеспособными.

– Похоже, ты расскажешь мне кое-какие секреты, – пробормотала я, потянувшись к пихте с крепким стеблем.

Ее хвоя уже касалась мягких зубчатых листьев соседней березы. Кедры сияли там, где береза отбрасывала прохладную тень, защищая их нежные хлоропласты от высоко стоящего солнца. Там, где тени от листьев березы не хватало, кедры имели цвет загара, предотвращая повреждение хлорофилла. Саженцы в этой тройке стояли так близко друг к другу, что казались связанными общей историей, имеющей начало, середину и конец.

Барб поинтересовалась, почему я посадила кедр рядом с березой и пихтой.

Кедр не может образовать микоризное грибное партнерство с березой и пихтой из-за того, что формирует арбускулярную микоризу, а не эктомикоризу, как два других вида. Поэтому, если корням кедра достаются сахара, созданные пихтой или березой, то они забирают их уже через почву. Я посадила кедр в качестве контрольного экземпляра, чтобы определить, сколько углерода попадает в почву, а сколько передается через эктомикоризную сеть, связывающую березу и пихту.

С помощью портативного инфракрасного газоанализатора – устройства размером с автомобильный аккумулятор с прозрачной бочкообразной камерой – мы проверили, как тенты выполняют свою задачу по снижению интенсивности фотосинтеза у саженцев пихты. Используя зажимы, я прикрепила камеру поверх иголок пихты без тента.

Оказавшись внутри камеры, иголки пихты продолжали фотосинтез, но теперь газы не просто выделялись в воздух, а проходили через маленький аппарат. Иными словами, газоанализатор измерял скорость фотосинтеза.

Солнце светило сквозь прозрачный пластик камеры, иголки раскачивались. Хвоя пихты жадно поглощала углекислый газ в камере; прибор демонстрировал, что фотосинтез идет с максимально возможной скоростью. Барб записала показания, и мы перешли к следующей тройке, где пихта находилась под плотным тентом и получала только пять процентов света. Просунув камеру под тент и закрепив над хвоей, я вздохнула с облегчением. Мои тенты работали. Скорость фотосинтеза у сильно затененного саженца пихты оказалась в четыре раза ниже, нежели у саженца на открытом солнце. Радовало также, что тенты не влияли на температуру воздуха (что могло изменить скорость фотосинтеза) – они были достаточно пористыми, и воздух свободно проходил через них. Мы побежали к следующему дереву, скрытому под черным тентом. Скорость фотосинтеза у этого частично затененного саженца оказалась промежуточной.

Переходя от пихты к пихте, мы подтвердили эту закономерность. Затем проверили березу.

В восемь раз активнее, чем пихты в плотной тени зеленых тентов, что подтверждало наличие между ними резкого градиента «источник – поглотитель». Если эти два дерева связаны микоризной сетью и углерод действительно течет через соединительные гифы по градиенту «источник – поглотитель», как считал сэр Дэвид, то избыток фотосинтетических сахаров в листьях березы должен переходить в корни пихты. От источника (листьев березы) к поглотителю (корням пихты). Я раскраснелась от волнения, просматривая колонки данных. Чем больше тени давали тенты, тем выше был перепад «источник – поглотитель» от березы к пихте.

В конце дня мы погрузили газоанализатор в пикап. Сидя на заднем сиденье, я проверяла, не забыли ли мы что-нибудь. Барб записывала концентрацию углекислого газа, воды и кислорода, количество света, падающего на хвою, и температуру воздуха в камере. Вспомнив о лабораторном исследовании Кристины Арнебрант, молодой исследовательницы из Швеции, которая продемонстрировала, что ольха поставляет азот сосне через микоризные связи, я вернулась на следующий день и взяла образцы листьев березы и хвои пихты, чтобы определить концентрацию азота в них.

Через пару недель лаборатория прислала результаты. Концентрация азота в листьях березы оказалась вдвое выше, чем в иголках пихты. Это не только помогало объяснить более высокую скорость фотосинтеза у березы по сравнению с пихтой (азот – ключевой компонент хлорофилла), но и означало, что между этими двумя видами существует градиент «источник – поглотитель» азота. Как между ольхой, связывающей азот, и сосной, не умеющей это делать, которые фигурировали в исследовании Кристины.

Мне стало интересно, может ли этот градиент «источник – поглотитель» азота оказаться таким же важным, как и градиент углерода, перемещающегося от березы к пихте. Может быть, градиенты перемещения этих двух элементов работают сообща. Возможно, углерод течет по грибному трубопроводу не в виде молекул сахаров: эти сахара распадаются на более простые компоненты (углерод, водород и воду), а свободный углерод соединяется с азотом из почвы и образует аминокислоты (простые органические соединения, используемые для производства белков), например, в листьях и семенах. Вновь образованные аминокислоты и оставшиеся сахара затем распространяются по сети. Благодаря градиентам перемещения углерода и азота – углерода в сахарах и азота с углеродом в аминокислотах – береза обладала бы прекрасными возможностями передавать пихте больше пищи, чем получала взамен.

Месяц ожидания, пока пихта замедлит рост под тентами, казалось, пролетел незаметно. Мы с Джин устроили пеший поход вдоль Стейна – навестили скалу Аскинг и окунули пальцы ног в ледяную воду. Я проводила дни со своей группой, собирая данные в других экспериментах. Проверяла, не звонил ли Келли. Отец сказал, что у брата с Тиффани все в порядке, но мне все равно хотелось услышать его голос. Текли дни, и я представляла, как перепад скорости фотосинтеза между березой и пихтой становится все круче. Неделя, две, три. Я думала, что физиологические процессы у пихт, находящихся в глубокой тени, должны уже так же замедлиться, как у мух на холоде. Когда в середине июля мой четырехнедельный простой закончился, пришло время выяснить, общаются ли между собой береза бумажная и пихта Дугласа.