私たちが見ている緑の野菜の世界の下には、私たちが知らない暗い微生物の世界があります.私たちが食べる作物、私たちと他のほとんどの生命体を支えている森林、地球の気候の調節さえも、土壌の栄養素を動員し、それらを植物と交換して糖や脂肪と交換する菌類とバクテリアの影のネットワークから恩恵を受けています.それでも、この地下社会の仕組みは科学者にはほとんど知られていません。たとえば、研究者は、これらの微生物の 3 つの主要なグループの世界的な分布を初めてマッピングしました。 2019 年になっても、私たちの足元にあるものは真の科学的フロンティアのままです。
この認識論的な曖昧さにもかかわらず、アンダーグラウンド エコシステムに対する一般の関心は爆発的に高まっています。 TED の講演やベストセラーの書籍は、相互に情報を伝達し、栄養素を共有し、相互に支え合う、慈悲深く協力的な地下生物の「ウッド ワイド ウェブ」を称賛しています。
VU University Amsterdam の進化生物学者である Toby Kiers は、その薄っぺらな見方に疑問を呈する新世代の科学者の先頭に立っています。革新的で画期的な研究を通じて、Kiers と彼女の共同研究者は、植物とその菌類の共謀者が互いに協力しているだけでなく、誰もが最善を尽くそうとする需要と供給によって支配される、騒がしく、しばしば残忍な市場に関与しているという証拠を集めました。
この図の鍵は、目に見えない地下の世界が、私たちが住んでいる目に見える地上の世界と同じくらい複雑で、洗練され、目的があるという啓示です.微生物は、植物にとって単純で受動的な付属品ではなく、それ自体が動的で強力なアクターです。菌類は栄養分を蓄えることができ、炭素の埋蔵量に寛大な植物に報酬を与え、けちな植物を罰することができ、資源を巧みに動かして交換し、自分にとって最良の「取引」を得ることができます.
それらはおそらく彼らの才能の始まりに過ぎません。 6 月に発表された論文の中で、Kiers 氏と彼女の同僚は、真菌市場の活動を明らかにする方法、つまり目に見えないものを見えるようにする方法を開拓しました。食欲をそそる研究は、疑われているが証明されたことのない能力を示唆しています:菌類は単なる栄養素のトレーダーであるだけでなく、洗練された情報処理装置でもある可能性があります.
Kiers 氏は、科学者がネットワーク化された小さな生物の隠されたルールを解明するには、まだ長い道のりが必要であることを最初に認めました。 「変だと思いませんか？」彼女は言いました。 「私たちは他の種類のネットワークについて多くのことを知っています。これは間違いなく私たちのエコシステムにとって最も重要なネットワークですが、私たちはそれについて何も知りません. …根本的に研究不足です。」
古代のパートナー
約 5 億年前に植物が陸地に現れたとき、微生物が待っていました。菌類とバクテリアは、新しい隣人との関係を築き上げました。結局のところ、植物は、ほとんどの微生物ができないことを行うことができます。つまり、太陽エネルギーを利用して大気中の二酸化炭素を分解し、その破片からエネルギーが豊富な糖と脂肪を構築します。次に、微生物は、植物が土壌から必要とする栄養素、特にリンだけでなく窒素も解放する技術を習得しました。微生物が植物が水へのアクセスを得るのにも役立つという証拠があります.今日の陸上植物の約 80% 以上が菌類とパートナーシップを形成しています。さらに他の植物はバクテリアとパートナーを組んでいます。何らかの方法で土壌から微生物が一掃された場合、植物と動物の世界は大打撃を受けるでしょう。偉大な自然主義者 E.O. の見解ウィルソンにもかかわらず、世界を動かしているのは昆虫ではなく微生物です。
とはいえ、土壌マイクロバイオームはほとんど知られていないだけでなく、あまり評価されていません。これには理由があります。土壌は不透明で、微生物は微視的です。また、勉強するのも難しいです。多くは実験室では成長せず、土壌に浸透しているかすかな真菌ネットワークは、抽出されると簡単に壊れます.しかし、何よりも微生物は、地上の世界での経験によって形成された生命に対する私たちの理解を混乱させます。一部の菌類は適切な細胞を持っていません。たとえば、菌類の DNA を含む核は、数キロメートルにも及ぶ糸状の地下ネットワークを浮遊しています。菌類が性交することが何を意味するのか、あるいは個体を構成するものを定義することさえ難しいことがよくあります.
科学者が微生物と植物のパートナーシップの重要性を認識し始めたとき、少なくとも大まかに言えば、多くの人が自然界を協力的で共同体的な場所とさえ見なすようになりました. 1970 年代、微生物学者のリン マルグリスと化学者のジェームズ ラブロックは、地球の生物圏はある意味で統一された自己調節生物であると仮定するガイア仮説を立てました。相互に有益な種間、さらには王国間の関係の存在は、まさにこの図式に当てはまります。
1990 年代半ば、現在ブリティッシュ コロンビア大学に在籍する若い生物学者 Suzanne Simard は、森でこの概念をテストすることにしました。 2016 年の TED の講演で、シマール氏 (何度もインタビューに応じなかった) は、「私が頭がおかしいと思った人もいました。オレゴン州立大学での博士課程のプロジェクトで、彼女は放射性炭素同位体を含む二酸化炭素を取り、ダグラスファーの苗木の近くに生えているパイント サイズの白樺の木の周りに設置されたバッグに注入しました。しばらくして、彼女はダグラスモミの木に沿ってガイガーカウンターを走らせました。さらに、彼女は、モミの近くに袋を植えると、放射性炭素がダグラスモミから白樺にも流れる可能性があることを発見しました。彼女は、樹木が地下ネットワークを介して炭素を共有していることを発見しました。 Nature に掲載された彼女の調査結果 1997 年、科学者と一般市民の間で火をつけました。
彼女が発見したことを説明する際に、シマールは彼女が自然に内在していると考える協力を強調しています。 「森林は協力的なシステムです。もしすべてが競争であるなら、もっと単純な場所になるでしょう」と彼女は Yale Environment 360 に語った 2016 年。どうしてこんなにダイナミックなの？」シマール氏は TED の講演で、森林を「超協力者」と呼び、樹木は単に協力するだけでなく、コミュニケーションをとっていると大胆に主張しました。彼女は、白樺とダグラスモミが地下の協力者によって仲介された「活発な双方向の会話」に従事していると説明しました. 「私は、この大規模な地下通信ネットワークの確かな証拠を発見しました」と彼女は語り、講演の後半で、「会話を行ったり来たりすることで、コミュニティ全体の回復力を高めています」と付け加えました。
シマードが霧深い太平洋岸北西部で苗木を袋詰めしてから間もなく、キアーズは極寒のメイン州にあるボウディン大学を離れ、パナマの暖かく湿気の多いバロコロラド島に移りました。彼女は地下世界に魅了され、学部生のメンターの提案で、パナマ運河の主要水路にあるスミソニアンの有名な熱帯フィールド ステーションで 1 年間過ごし、土壌菌類が熱帯の樹木の成長をどのように助けるかを研究しました。その後、彼女は学士号を取得し、カリフォルニア大学デービス校に向かいました。そこで彼女は、世界で最も有名な相利共生の研究を始めました。これは、マメ科の植物 (大豆やアルファルファなどの重要な作物、イナゴなどの樹木を含む) と根粒菌の間の相利共生です。これらの特殊な微生物は、植物の根の球状の白い結節に寄り添い、栄養工場となり、空気中の無機窒素を生物学的に有用な形に変換します。次に、窒素を植物に交換して、炭素が豊富な糖を求めます。
友好的なパートナー間のバランスのとれた、有益な交換のようです。しかし、キアーズにとって、マルグリスやシマールのような思想家によって促進された、慈悲深く協力に焦点を当てた見解は疑わしいものでした。 Kiers は代わりに、潜在的な詐欺師がいたるところに潜んでいて、種が取引相手を一致させるために複雑な戦略を必要とする、個々の利益によって秩序づけられた世界を見ました.
「私はこの認識を持っていました…私は協力にはあまり興味がなく、実際には緊張にもっと興味があるということです」とキアーズは言いました. 「緊張がイノベーションをどのように推進するかについて、過小評価されていると思います。私への協力は停滞を示唆しています。」
彼女がすぐに学んだように、マメ科植物と細菌の相互作用はそれほど単純ではありません。 1 つのマメ科植物は、10 株以上の細菌株を宿主とすることができます。 Kiers にとって、これは生態学者 Garrett Hardin の概念を思い起こさせました。Hardin は 1968 年に Science で有名なエッセイを発表しました。 、「コモンズの悲劇」は、個人が自分の利益を追求すると、共通の環境やリソースを破壊する可能性があると主張しました.マメ科植物自体はコモンズと見なすことができ、特定の細菌株は、植物の糖を食べ続けながら窒素を蓄えることができます. 「なぜ彼らは窒素を固定しなければならないのですか？彼らにとって何の意味があるのですか？」 Kiers の顧問で、現在はミネソタ大学で生態学と進化の研究室を運営する非常勤教授である Ford Denison は尋ねました。
Kiers がパナマで出会ったオックスフォード大学の進化論者である Stuart West と共に、彼女と Denison はマメ科植物と根粒菌の相互作用を数学的にモデル化し、バクテリアが植物の宿主を「だます」ことができれば、その関係は崩壊することを示した。そしてより多くの株が亡命しました。 Kiers、Denison、および彼らの同僚である Robert Rousseau は、バクテリアの一部を本質的に騙す実験を考案しました。
Kiers は、ほとんど窒素を含まない空気供給でダイズ植物のいくつかの根粒を取り囲み、これらの根粒のバクテリアを植物にとって役に立たなくしました.彼女は、植物がこれらのバクテリアへの酸素の供給を遮断することによって反応し、バクテリアの繁殖を劇的に減少させることを発見しました.バクテリアとダイズとの関係は、幸せな友情とはほど遠いものであり、不安な緊張緩和のように見えました。 Nature に掲載された論文 Kiers が博士号を取得する前に、大きな注目を集めました。 「これは私のキャリアの中で最も引用された論文です」とデニソンは言いました。
その後、Kiers はバクテリアから菌類に切り替えました。細菌は植物の特定のグループの根に寄り添うかもしれませんが、菌類は間違いなく地下ドメインのマスターです.特定の菌類は広大な地域に広がり、遭遇するほぼすべての植物と混ざり合い、菌糸として知られる糸状の巻きひげを植物の根に直接送り込みます. (これらの菌類の名前「菌根菌」は、文字通りラテン語の myco- を融合させたものです。 、「菌類の」を意味し、ギリシャ語の rhiza とともに 、または「根」) 実際、菌根の世界は、植物の世界の一種の反転を形成し、枝分かれした菌類のネットワークが下方に伸びており、植物の枝分かれした茎と手足が空に向かって伸びていることを反映しています。
しかし、真菌の世界を本当に際立たせているのは、その多様性と複雑さです。スプーン一杯の土には、地球上の人間よりも多くの微生物が含まれています。ルンド大学（スウェーデン）の土壌生態学者であるエディス・ハマーは、「これは私たちが持っている種の密度が最も高い生息地です」と述べています。 1 つの植物が数十の菌類と分子を交換している可能性があり、それぞれの菌類が同数の植物と交尾している可能性があります。あそこは乱交パーティーです。
このような圧倒的な複雑さに直面した科学者は、単純化しすぎないようにしなければなりません (アインシュタインが言ったと言われているように)。 Kiers と彼女の同僚は、メルセデスのシンボルのように、3 つの同じサイズのコンパートメントに分割されたペトリ皿でこれを行いました。 1つは、葉を取り除いたニンジンの根を、ニンジンに関連することが知られている真菌種とともに成長させました.植物の根ではなく真菌の菌糸が、栄養分を探すために他の 2 つのコンパートメントに成長することができました。研究者たちは、特別な「重い」形態の炭素 (同位体炭素-14) をニンジンに与えました。彼らはまた、他の2つのコンパートメントの1つに到達した真菌がリンを利用できるようにしました.このようにして、科学者は単純化されたエコシステムを通じて糖と栄養素の動きを追跡することができました.しばらくして、彼らは菌類の成長を測定し、リンを交換する菌類が植物からはるかに多くの炭素を受け取ったことを発見しました.
Kiers のチームが次に行ったのは、本当のクーデターでした。彼らは設定を逆にしました。ニンジンの根は、2 つのコンパートメントに菌類があり、1 つのコンパートメントには菌類だけが到達できます。彼らは、一方のニンジン区画に他方よりも多くの砂糖を与えました.彼らは待ってから測定しました。取引する糖分が多い植物は、はるかに多くの菌類のリンを受け取っていました（この実験では、「重い」同位体であるリン 32 として認識できました）。
2011 年、Kiers のチームは Science で報告しました 植物はパフォーマンスの高い菌類のパートナーに報酬を与え、パフォーマンスの低い菌類を罰するだけでなく、菌類も明らかに同じことをします.
同じ頃、Hammer は実験から、菌類には 2 つ目のトリックがあることを示す証拠を報告しました。菌類は、植物が十分な利益を上げていないときに養分を蓄え、より良いオファーが得られるまで養分を差し控えることができます。
これらの結果は、植物と菌類の関係に関する科学者の理解を根本的に変えました。菌根菌はもはや、植物の主人のしもべや受動的な付属品と見なすことはできませんでした.むしろ、水面下の生命体は、水面下の生命体と同じように、自らの運命をコントロールしています。これはダイナミックな対等な結婚です。
「私たちがこの分野を啓蒙したと言うべきかどうかはわかりませんが、[菌類] はもっと単純だと多くの人が考えていたと思います」とハマーは言いました。
この調査結果はまた、Kiers 自身が重要な思想家であることを証明しました。 「マメ科植物と根茎菌のシステムと菌根菌という 2 つの最も重要な共生関係に、制裁や差別があることを示す最初の確固たる証拠をこの 1 人の人物が提供したことは、非常に驚くべきことです」と Denison 氏は述べています。
彼女は実験室での実験を人工的ではない実験で続けました。彼女は日陰で完全な日光の下で菌根に接続された植物を育てました。彼女は、光合成が少なく、したがって共有する糖が少ない日陰の植物が、地下の真菌の対応物から受け取るリンが少ないことを発見しました.
彼女はまた、植物と菌類の関係を考えるための経済的枠組みを開発し始めました。自由市場システムの観察に基づいて、Kiers は、少なくとも 4 億 7000 万年にわたって植物と菌類の相利共生を安定させてきたのは、個々の生物が共同体の利益のために尽力しているということではなく、ほとんどの場合、両方の植物がと菌類は、リソースを自分自身に保持するよりも、相互に取引することでより多くの利益を得ます.
経済学は、「実際に数学的で予測可能な、私たちが借りることができるこの膨大な文献を提供します」とキアーズは言いました。 「これらのアイデアのいくつかをテストするためのツールとして使用できます。」たとえば、キアーズと彼女の同僚は、植物が必要な栄養素を得る別の方法を見つけると、相利共生が崩壊することがあることを発見しました。たとえば、肉食性に変わって昆虫を捕まえることです。彼らは昨年、全米科学アカデミー紀要で調査結果を発表しました。 .
市場とトレーダーの熾烈な経済世界が植物と微生物をうまく説明していると誰もが確信しているわけではありません.トロント大学の生態学と進化生物学の教授であるミーガン・フレデリクソンは、「パートナーのフィットネスの関心がたまたま一致している可能性があると思います」と述べています. Kiersが信じているよりも自然。 「どのようなやり取りにおいても、2 人のパートナーが完全に利害を一致させることはおそらく不可能だという見方をする人もいると思います。」
その見解はまた、大衆文学を支配するようになりました. 2016 年、ドイツの森林学者ピーター ウォーレベンは、シマールと他の数人の科学者を大いに参考にして、The Hidden Life of Trees を出版しました。 .この本は国際的なベストセラーになりました。共産主義的な自然観の強力な支持者である Wohlleben は、菌類の想定される有益性と協調的な性質を心から推進し、次のように書いています。
Kiers の特徴は、インスピレーションを得るためにさまざまな情報源に目を向けてきたことです。数年前、彼女は経済学者トマ・ピケティの21世紀の資本を読みました。 、人間社会の形成における資源の不平等の役割を強調しています。 Kiers 氏は、菌類と植物の生態系に不平等を導入することで、新たな洞察が得られるのではないかと考えていました。しかし、彼女は多くの科学者を悩ませてきたのと同じ課題に直面していることに気付きました。菌類が何をしているかを直接見る方法がありませんでした。入ってくる栄養素を測定し、それらがどこに行き着くかを確認することで、彼女は多くの成果を得ましたが、菌類自体の内部で起こったことはブラックボックスのままでした.
「それが私たちが毎週ラボミーティングを開始する方法です。『彼らと話すことができない場合、どうすればその質問に答えられるでしょうか?』」Kiers 氏は言います。
突破口は思いがけずやってきた。 Kiers はオランダ政府の助成金を得て、あるアーティストと協力して、リンやその他の栄養素が菌類のネットワークを移動するストップモーション ビデオを制作し、LED を使用して栄養素を表現していました。彼女は 2014 年の科学会議でアニメーションを示しました。 「それができたらいいと思いませんか？」彼女は聴衆に尋ねました。
当時ブリティッシュコロンビア大学で働いていた化学者であるマシュー・ホワイトサイドは、その後キアーズに連絡を取りました。 「私たちは本当にそれを行うことができます」と彼は言いました.
偶然にも、マルグリスを家族の友人として知っていて、科学を追求することについて彼女と話していたホワイトサイドは、生体分子に量子ドット、特定の短波長の光 (通常は紫外線) を吸収するナノメートル スケールの半導体のビットでタグを付ける方法を開発しました。より長い波長で光を再放出、または「蛍光」します。キアーズは彼を雇った。 2 人は数年かけて技術を開発し、ドットの発光を植物細胞の自然な蛍光と区別できるようにしました。また、ドットが菌類や植物に害を及ぼさないようにする必要もありました。
その後、Kiers と Whiteside は、3 つのコンパートメントを持つペトリ皿で別の実験を行いました。彼らはニンジンの根の 1 つのコンパートメントに菌類を入れて成長させ、菌類が他の 2 つのコンパートメントに拡大できるようにしました。次に、リンを含む鉱物であるアパタイトを菌類だけのコンパートメントに導入しました。 1つは、赤色蛍光を発する量子ドットでアパタイトを標識したものです。もう1つは青い点を使用しました。彼らは特殊な顕微鏡を使用して、放出された光を定量化しました。
最初に、彼らは各真菌コンパートメントに等量のアパタイトを与えました。予想通り、菌類はネットワークを介してリンを含む化合物を取り込みましたが、あまり成長せず、代わりに栄養素の多くを交換するのではなく貯蔵することを選択しました.
次に、ピケティの経済学の研究に触発された部分が来ました。 Kiers と Whiteside は、1 つのコンパートメントに他のコンパートメントよりも多くのリンを追加し、リソースの不平等を設定し、1 つの真菌グループが要素の最大 90% を制御しました。菌類は、リンが環境に均等に分布していたときよりもはるかに多くの植物と取引することで反応しました.
最も印象的なのは、菌類が栄養素を「豊富な」地域から「貧しい」地域に移動させ、貧しい地域でより速く成長したことです. Kiers のチームは、リンが不足している場所で菌類が植物からより高い「価格」を抽出できるため、炭素が豊富な糖の形で抽出できると考えていますが、Kiers は、炭素を直接追跡することはできなかったと述べています。
「これは私たちが予想していたものとはまったく逆です」と彼女は言いました。彼女は、栄養素がすでに豊富にある場所での取引が最も高くなると考えました.
デモンストレーションは他の人に感銘を与えました。スタンフォード大学の生物学者であるカビール・ピー氏は、「菌類やその他の微生物はあまり賢くないと考えがちです。 「この研究は、これらのネットワーク全体で成功できる理由の 1 つは、得られる利益を最適化するためにリソースをどこに割り当てるかについて、かなり洗練された決定を下すことができることにあることを示しています。」
しかし、科学者は市場の概念を生物学的な言葉に適用する際には注意が必要であると、フランスのストラスブール大学の生物学者であり名誉教授であり、霊長類の研究における生物学的市場理論の先駆者であり、Kiers のチームの経済分析を支援したロナルド・ノエは指摘します。分析。 「彼らが説明しているのは、市場でトレーダーになるためのメカニズムです。彼らがそれをどのように行うことができるかを見ることができます。しかし、彼らは実際にそれをしたことを証明しませんでした」とノエは言いました. 「もし市場があれば、菌はある植物から別の植物へ養分を運ぶでしょう。しかし、実験では、植物は 1 つしかありません。真菌は選択していません。」
この実験では、2 つ目の驚きが明らかになりました。リンは豊かな地域から貧しい地域へと流れただけではありません。 Kiers と Whiteside は、一定のリズムで 5 分ごとにネットワークを行き来する輝く栄養素の一部を捉えました.
科学者たちは、これらの振動が何を意味するのかを知りません。しかし、彼らは振動が情報をエンコードする一般的な方法であることを知っています。たとえば、ラジオは、低周波の電磁波である電波の振動に情報をエンコードすることによって機能します。真菌の振動は、ネットワークを介した情報伝達の一種である可能性がありますか?
実際、情報が真菌ネットワークを介して流れるという強力な証拠があります。 2013年、当時スコットランドのアバディーン大学の生物学者であったデビッド・ジョンソンは、アブラムシに襲われたマメ科植物が真菌ネットワークを介して化学物質を地下に送り込み、近くの植物に害虫の存在を警告することを発見しました. Simard は、彼女が研究している森林で同様の化学物質の放出を発見しました.
しかし、それらの研究では、科学者は樹木の化学物質の測定値から地下で何が起こっているかを推測しました。真菌ネットワークが単に植物から植物への信号の導管であるかどうか、またはそれらが受信した情報を処理できるかどうかは未回答のままでした. Kiers で博士号を取得した、ベルギーのアントワープ大学の生物学者である Erik Verbruggen は、誰かが後者を証明できた場合、「それは非常に驚くべきことです」と述べています。
Kiers は初めて真菌ネットワークを明らかにしました。彼女の次の目標は、実験装置と自然の複雑さの間の隔たりを狭めることです。たとえば、Kiers のペトリ皿は植物菌類の世界を 2 次元に平らにしますが、実際の土壌では菌類ネットワークは 3D です。さまざまな種のネットワークが重なり合って織り交ぜられているため、木材の広いウェブは、何十もの独立した配線スキームを持つ木材の広いもつれのようになっています.
「これが信じられないほど人為的であることを認めるのは私が初めてです」と、Kiers 氏は自分の研究室のセットアップについて語った。 「しかし、それは実際にはそれの美しさです。 [真菌ネットワーク] を少しずつ分解し始めています。」
Kiers は現在、プリンストン大学の流体力学研究者 Howard Stone、AMOLF および VU アムステルダムの生物物理学者 Tom Shimizu、京都大学のネットワーク生態学者 Toju Hirokazu とチームを組んでいます。 (彼らの研究は、ヒューマン フロンティア サイエンス プログラムからの助成金によって資金提供されており、リスクの高いプロジェクトでの国際的な協力を促進しています。) 彼らは、マイクロ流体ツールを使用して、現実世界の真菌ネットワークによりよく似た複雑な 3D 環境を作成することを計画しています。ストーンは、植物が取引する炭素などのリソースを追跡するための他の技術で、Kiers の量子ドット タグを強化したいと考えています。一部のコメンテーターは、Kiers の不平等研究がその炭素を説明できなかったとして批判しました。
「イメージングと理解、そしておそらくモデリングを含め、誰も完了していないシステム全体をセットアップする必要があります」と Stone 氏は述べています。
Kiers にとって、このコラボレーションは、微生物の対応物をどれだけ誤って判断したかについてのさらなる発見を約束します.
「私でさえ、今日に至るまで菌類を過小評価しています」と彼女は言いました。
2019 年 9 月 9 日に追加された修正:セグメント化されたペトリ皿の写真のキャプションが、示されている実験をより正確に説明するように修正されました。 Tom Shimizu の所属も AMOLF での彼の仕事を含むように拡大されました.
