你們這兩棵樹什麼關係？竟然私下進行如此「陰暗」的交易！

科技 04-19

看似平和而安詳的森林，實際上無時無刻不在進行著殘酷的競賽。在地面之上，植物需要不斷地長高和擴大葉面積，以爭取到更多的陽光和吸收更多二氧化碳，而在地面之下，植物則伸展著根系，來獲得更多的水分和礦質元素。而這一切，都是為了更好地進行光合作用，從而生產植物生長所必需的有機物。

在這片寧靜的綠色之下，森林中的樹木都在為生存而努力。圖片來源：culter.colorado.edu

生存不易，辛辛苦苦進行光合作用產出的東西，沒道理不自己留著對不對？科學們從前也曾這樣以為。由於不同植株之間極少存在「吃與被吃」的關係，因此一個傳統而顯而易見的觀點是，光合作用的產物（或者叫「同化產物」）一旦在植物體內被合成，就不會輕易在不同植株間「易手」——除非脫落或死亡。

然而，瑞士巴塞爾大學和瑞士保羅謝爾研究所的一項研究，卻向這一看似「天經地義」的觀點發出了挑戰。研究者們發現，植物通過枝葉合成的同化產物，會通過根系在不同植株間發生著巨量的轉移。換句話說，植物也會通過根系進行「地下交易」，彼此相互交換自身合成的有機物。這一結果發表在了最新一期的《科學》雜誌上。

根系埋藏於地下，並不輕易顯露真身；而層層的分支，更使得植物的根從數十厘米粗的主根，一路分為直徑不足一毫米的細根（fine root）。要探究有機物在如此纖細而複雜的根系網路中如何轉移，看起來幾乎是一個不可能完成的任務。

植物的細根系統。圖片來源：treedictionary.com

不過，科學家們另闢蹊徑，利用一種被稱為「開放大氣二氧化碳富集」（free air CO2 enrichment, FACE）的技術，使用人工提供的二氧化碳對植物體內的有機物進行標記，進而追蹤了這些有機物的移動途徑。

科學家們在瑞士巴塞爾地區的一片混交林中開展的這項實驗本身就是一個大工程——他們選取了5株高度近40米的挪威冷杉（Picea abies）為實驗對象，通過起重機在每棵樹的樹冠上布滿了能釋放二氧化碳的管道。通過精密的電子閥控制和感測器監測，整套FACE系統能將樹冠籠罩在一定濃度的「標記用二氧化碳」氛圍之中，時間長達五年之久。

實驗場地遠景。

實驗場地近景。圖片來源：University of Basel, research group C. K?rner

這些標記用的二氧化碳跟大氣中的二氧化碳有什麼區別？嚴格來說，標記用的二氧化碳氣體相當「純凈」——純凈到幾乎只由含有碳12原子的二氧化碳分子組成，而含有碳13原子的二氧化碳分子含量則遠低於大氣中的二氧化碳水平。換句話說，科學家們是用低碳13丰度的二氧化碳來標記樹木。

這樣一來，那些被標記的挪威冷杉體內的碳中，碳13的丰度要低於周圍沒有被標記的樹木——包括另外五棵作為對照的挪威冷杉。在吸收自然大氣二氧化碳的樹木中，碳13丰度的偏差千分率（δ13C）一般在-27‰左右；而在那些被標記的樹木中，這一數值可降至-30‰左右。

別看這倆數值好像沒差多少，這種碳同位素丰度的差異足以被科學家們檢測出來，從而測量樹木不同組分以及不同樹木間碳同位素丰度的變化，最後重構出有機物在植物體內和植物間的傳遞和轉移過程。

研究者們在分析與被標記的挪威冷杉相鄰的樹木，如歐洲赤松（Pinus sylvestris）、歐山毛櫸（Fagus sylvatica）以及歐洲落葉松（Larix decidua）的碳13丰度時發現，這些樹木的根部，尤其是細根的碳13丰度也發生了顯著的下降，而它們樹冠部位的碳13丰度則沒有顯著變化。

跟未經標記對照組（Control，左）樹木相比，用人工二氧化碳標記（左，5-yr CO2 labeling）的挪威冷杉（紅）的同化產物被轉移到了相鄰三種不同的樹木之中，這些樹細根（Fine roots）的碳13丰度變化尤為明顯。

這一結果表明，被標記的挪威冷杉的根系和周圍樹木間發生了有機物的交換，低碳13丰度的有機物被周圍樹木吸收，而其本身也獲得了其他樹木所產生的高碳13丰度的有機物。通過對植物細根碳13丰度的精細測量可以推算，一棵樹木的細根中，有近40%的有機物被轉移給了其他植株。如果換算到每公頃土地上，那麼植物細根間交換的有機物高達每年280千克。

那麼，如此大量的有機物交換是如何發生的呢？科學家將目光投向了一大類植物的共生者：菌根真菌上。人們很早之前就知道，幾乎所有的樹木根系表面都會有真菌附著，形成所謂菌根（Mycorrhiza）的複雜網路結構。菌根的存在，不但有助於水分、礦物質的吸收，更為重要的是介導了複雜的有機物合成和轉運過程。

附著在根繫上的菌根。圖片來源：bigblogofgardening.com

研究者對土壤中與植物根系共生的菌根菌，以及普通的腐生真菌體內碳13丰度進行了測量，發現在未被標記的樹木根際土壤中，菌根菌和腐生菌具有類似的高碳13丰度。而在被標記的樹木及其鄰近樹木根際土壤中，菌根菌體內的碳13丰度則顯著下降，而腐生菌則沒有顯著變化。這一現象表明，樹木根系間有機物的轉移，並非是由植物組織脫落、死亡、分解造成，而是通過共生菌根菌主動進行的。

儘管植物不能派遣「商隊」，但根際土壤中的大量菌根真菌形成了龐雜的交換網路，不同種類的樹木都能通過它們進行同化產物的轉移。圖片來源：10.1126/science.aaf4694

這一實驗結果提示，植物之間的相互關係，遠比人們之前所想像的頻繁和複雜：植物根系間不但存在化學信息交流（如化感作用等）、物質資源競爭外，還存在著同化產物的交換。

那麼，這種「地下交易」為什麼會產生呢？目前我們還不知道確切原因。一個可能的解釋是，植物向共生真菌提供了大量的有機物來支持自身菌根的生長，而不同植株的不同菌根之間則會爭奪和再次分配這些有機物，從而形成了有機物的多向轉移。不過，這一猜想還有待於進一步的研究。但無論如何，這一發現為我們打開一扇了解森林生態系統運作規律的新窗口。

一個AI

嗯，AI在幫人類進行數據運算的時候，表面上看起來也是自己算自己的嘛。

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