Грибы изменили баланс сил в мире растений

Сотрудничество с грибами не только помогло древнейшим растениям распространиться по бесплодному каменистому ландшафту, но и сыграло решающую роль в возвышении более сложных растений с корнями и листьями, которые составляют основу современной флоры.

К такому выводу пришло недавнее исследование, в котором эксперименты на современных родственных растениях показали, как крупные экологические изменения около 400 миллионов лет назад дали преимущество новым сложным «сосудистым» растениям над более древними и простыми «несосудистыми», такими как печёночники.

Резкое падение концентрации CO₂ в атмосфере сделало грибные сети, сотрудничающие с простыми растениями, гораздо менее способными снабжать их питательными веществами для роста. В то же время эффективность аналогичных сетей у их сосудистых конкурентов, напротив, улучшилась. Усугубляло проблему то, что новички начали выигрывать у них конкуренцию за свет.

Сосудистые растения, также известные как «высшие растения», анатомически гораздо сложнее несосудистых. Их появление ознаменовало рождение таких инноваций, как листья, стебли и корни. Новые условия не просто вознаграждали эти новшества — они толкали эволюционные линии дальше по пути к сложности, помогая сформировать богатую растительную жизнь, которую мы видим сегодня.

«Печёночники и другие несосудистые растения оказались в тени растений с корнями, листьями и стеблями, и столкнулись с огромным падением уровня CO₂, которое сделало их грибные сети гораздо менее эффективными, — говорит доктор Кэти Филд, ведущий автор статьи в Nature Communications. — Им действительно было тяжело». Они быстро утратили лидирующие позиции и больше никогда их не возвращали, хотя их родственники существуют до сих пор.

Большинство растений вступают во взаимовыгодные отношения со специализированными грибами. Сети тонких грибных нитей прикрепляются к корням растений и помогают высвобождать из почвы дефицитные питательные вещества, такие как фосфор. Они передают их растению, а взамен получают богатые углеродом сахара, которые растение производит в процессе фотосинтеза.

Это кооперативное отношение, известное как «симбиоз», значительно улучшает способность растений к росту и процветанию. Учёные полагают, что оно, возможно, было необходимым условием для первоначального распространения растений по поверхности суши около 450 миллионов лет назад.

Тогда, в девонскую эпоху, не было почвы в современном понимании; большая часть территории представляла собой голую скалу. Особенно для бескорневых несосудистых растений получение питательных веществ из такой бесперспективной среды могло быть невозможным без помощи грибов.

«Это древнее партнёрство, и одна из гипотез заключается в том, что без него печёночники никогда не смогли бы получить из земли необходимые им минералы», — объясняет Филд.

Ископаемые остатки показывают, что ранние сосудистые растения, такие как плауны, появились около 385–400 миллионов лет назад. Примерно в то же время произошло резкое — на 90% — падение концентрации CO₂ в воздухе, возможно, отчасти вызванное быстрым распространением растительной жизни, которая поглощает этот газ для фотосинтеза.

Учёные давно понимали, что такие внезапные изменения атмосферных условий серьёзно повлияли бы на наземную флору, но до сих пор у них не было экспериментальных данных о влиянии на разные типы растений.

Команда выращивала растения в контролируемых условиях: печёночники, очень похожие на древнейшие ископаемые несосудистые растения; папоротники, близкие к ранним сосудистым растениям; и относительно недавно эволюционировавшее сосудистое растение — подорожник ланцетолистный.

Растения росли в специальных контейнерах с мелкой сеткой, которая не позволяла корням выходить за пределы центральной зоны, но пропускала грибные нити. Таким образом, если растения получали доступ к питательным веществам снаружи, они должны были делать это через грибное партнёрство.

Часть растений каждого типа содержалась в условиях с высоким содержанием CO₂, сходных с раннедевонскими, а другая часть — в среде с низким содержанием CO₂, подобной современной. По окончании периода роста учёные измельчали каждое растение и анализировали его химический состав. Это позволило определить, сколько углерода оно поглотило, сколько фосфора смогло получить из почвы и, следовательно, сколько фосфора оно получило от грибов на единицу вложенного углерода — то есть эффективность его грибной сети.

Они обнаружили, что в ранних условиях с высоким содержанием CO₂ печёночники держались наравне, но когда уровень газа упал, их грибная эффективность резко снизилась — вероятно, потому, что изначально их грибные сети были меньше. Сосудистые растения, напротив, продемонстрировали небольшое увеличение эффективности симбиоза. В сочетании со способностью расти над землёй на стеблях, чтобы быть ближе к солнцу, это дало им решающее эволюционное преимущество.

В наши дни несосудистые растения, как правило, ограничены влажными, тенистыми или иными сложными местообитаниями. Они часто играют роль первых колонизаторов нарушенных или оголённых участков, подобно своим далёким предкам, которые сотни миллионов лет назад впервые вышли на сушу. Но в большинстве районов доминирование перешло к сосудистым растениям, таким как травы и деревья.