Труженики биосферы

Грибы участвуют в глобальном круговороте углерода и экономят кислород

Подписав Киотское соглашение, Россия взяла на себя определенные обязательства по ограничению выбросов в атмосферу углекислого газа, метана и других соединений, дающих парниковый эффект. Теперь встает вопрос о создании национальной системы контроля потоков парниковых газов на территории страны. Как связаны с поиском решения этих проблем исследования экологии и физиологии грибов, ведущиеся в Институте экологии растений и животных УрО РАН? На этот вопрос подробно ответил известный специалист в области микологии — науки о грибах, заведующий лабораторией фитомониторинга и охраны растительного мира ИЭРиЖ профессор В.А. МУХИН.


 

   — Разумеется, мы не можем контролировать выбросы парниковых газов промышленностью и транспортом. Дело ученых — изучить естественные составляющие углеродного цикла: сколько CO₂ поглощают растения, где и как он депонируется, каким образом происходит его возврат в атмосферу. Во всем мире, в том числе и в России, сейчас выходит много публикаций с оценками объемов поглощения и депонирования CO₂ растительным покровом. Благодаря этим работам мы достаточно хорошо представляем, сколько углерода ежегодно поглощается растениями и каковы основные пулы, или хранилища, его длительного депонирования. А вот «расходная» часть — сколько CO₂ выделяется в атмосферу в результате естественных процессов — крайне слабо изучена. Это в полной мере относится и к «расходной части» лесного пула биогенного углерода, в котором ежегодно аккумулируется более 30 миллиардов тонн этого вещества.

   В лесах углерод накапливается главным образом в древесине. Его возвращение в атмосферу происходит в результате биологического разложения одревесневших тканей. Это один из важнейших и специфических экологических процессов углеродного цикла лесных экосистем. Однако именно эта часть углеродного цикла остается наименее известной, что, конечно же, затрудняет оценку движения углерода — углекислого газа между атмосферой и лесным покровом, а значит и разработку научно обоснованной технологии контроля за потоками парниковых газов на лесных территориях.
 

Процессы биологического разложения древесины протекают при участии разнообразных растительных и животных организмов, образующих так называемые ксилофильные сообщества. Но главная роль здесь принадлежит дереворазрушающим грибам. На сегодняшний день это единственная группа организмов, способных к биохимической конверсии всех соединений древесины. В России их насчитывается всего около 800 видов.
 

Институт экологии растений и животных УрО РАН — одно из немногих академических учреждений России, где планомерно изучают дереворазрушающие грибы. Тематика исследований достаточно широкая: биологическое разнообразие, экологическая и историческая микогеография, современные тренды в эволюции микобиоты и, конечно, экология грибов. В последние два года совместно с Институтом физиологии растений РАН мы активно исследуем экологическую физиологию дереворазрушающих грибов и процессы микогенной эмиссии углекислого газа. В частности, этим летом совместно с коллегами из Москвы и Краснодара проведена серия экспериментов по изучению дыхания грибов, в ходе которого и происходит сжигание органических соединений до углекислого газа. И здесь нас ожидал приятный сюрприз! Оказалось, что у ксилотрофных грибов, по крайней мере у отдельных исследованных нами видов, существует специальные органы дыхания. Эту функцию выполняют плодовые тела грибов, которые мы видим на деревьях. Традиционно считается, что они существуют только для целей размножения как место образования спор. А мы считаем, что плодовые тела — не только грибные «легкие», но и энергетические станции, где образуются так называемые восстановительные эквиваленты, например, АТФ, необходимые для обеспечения жизнедеятельности субстратного мицелия грибов — части их тел, находящейся в древесине. Мицелий работает — разлагает устойчивые биополимеры — в толще древесины, а там, в силу ее низкой газопроницаемости, кислород либо отсутствует, либо складываются условия глубокой гипоксии, т.е. его нехватки. Грибы очень оригинально решают эту проблему: они снабжают субстратный мицелий восстановительными эквивалентами, благодаря чему он столь же активно разлагает древесину, как если бы находился в среде с нормальным содержанием кислорода. В свою очередь из субстратного мицелия в плодовые тела поступают органические вещества, которые «сжигаются» там при аэробном дыхании. Такой тип дыхания, когда в одной части организма образуются энергетические субстраты, а в другой они сжигаются с образованием энергетических эквивалентов, мы назвали аэробным дыханием кооперативного типа. На наш взгляд, это основа физиологической адаптации дереворазрушающих грибов. Ранее этот феномен был неизвестен, и по рекомендации академика П.Л. Горчаковского мы направили статью с изложением результатов наших исследований в журнал «Доклады Академии наук».
 

Скорее всего, плодовые тела грибов выполняют и другие функции, например, через них отводится избыточная тепловая энергия, образующаяся при ферментном расщеплении биополимеров. Иначе в силу низкой теплопроводности древесины субстратный мицелий просто бы «сварился» в ее толще. Сейчас мы пытаемся оценить температурные режимы, складывающиеся внутри древесины, разлагаемой грибами, ведем работы по зимней экологии грибов.
 

На 2006 год запланированы специальные эколого-физиологические исследования по инструментальной оценке объемов потребления кислорода, выделения углекислого газа, а также метана при разложении древесины грибами. Кстати, метан — гораздо более активный парниковый газ, чем CO₂ , и даже небольшие его концентрации в атмосфере приводят к существенному повышению ее температуры. Мы полагаем, что метан может образовываться при разложении древесины, и, если удастся это доказать, это будет крупное открытие в области экологии и биогеохимии.
 

Наряду с изучением эколого-физиологических механизмов грибной эмиссии углекислого газа, в 2005 году мы впервые дали оценку ее объемов в лесах Западной Сибири. Цифры впечатляют! Ежегодно в результате разложения древесины грибами образуется более 110 миллионов тонн CO₂, что эквивалентно примерно 30 миллионам тонн углерода. Основные эмитенты углекислого газа — южно-таежные, среднетаежные и подтаежные леса, на долю которых приходится свыше 80% эмиссии углекислого газа в регионе. Конечно, в дальнейшем эти цифры будут скорректированы, но принципиальные выводы останутся: микогенная эмиссия — это крупномасштабный процесс, наибольший вклад в который вносят высокопродуктивные лесные сообщества. И хотя объемы поглощения углекислого газа растениями значительно превышают объемы его высвобождения в результате жизнедеятельности грибов, микогенную эмиссию CO₂ нельзя исключать из числа нетто-источников его поступления в атмосферу. Это происходит не только летом, но также осенью и весной, когда нет листвы — поглощающего углекислый газ хлорофилльного экрана. И даже зимой, при отрицательных температурах, как мы предполагаем, дереворазрушающие грибы могут быть активными за счет эндогенной тепловой энергии. В конце ноября мы заложили полевые опыты с использованием термологеров — современных датчиков для мониторинга температурного режима внутри разлагаемой грибами древесины. Надеемся получить доказательства справедливости наших предположений
 

Как известно, круговорот углерода тесно связан с круговоротом кислорода: при фотосинтезе углекислый газ поглощается, а кислород выделяется, тогда как при разложении органических веществ, включая древесину, кислород наоборот потребляется, а CO₂ выделяется. Эти два альтернативных процесса теоретически должны уравновешивать друг друга, однако, как уже говорилось, грибной мицелий внутри древесины работает практически в бескислородной среде. Поэтому можно предположить, что на биологическое разложение древесины расходуется не весь кислород, выделяющийся древесными растениями. Если это так, то становится ясно, почему леса — это легкие планеты, ведь они выделяют больше кислорода, чем его требуется при грибном разложении древесины. И это еще одно из перспективных направлений наших исследований в наступающем году.
 

Разумеется, у нас есть и другие интересные направления, например, изучение симбиотических ассоциаций грибов с растениями. Это самая распространенная и важная форма симбиозов в растительном мире, но пока мы еще мало о ней знаем. Впрочем, это тема отдельного разговора. Думаю, он будет интересен читателям «НУ», ведь немногие еще осознают, что грибы — это не просто особая форма жизни на Земле, но и экологически чрезвычайно важная группа организмов, которые контролируют целый ряд уникальных биосферных процессов и тем самым обеспечивают качество и стабильность нашей среды обитания.
 

Записала Е. ПОНИЗОВКИНА