「潘多拉」星球上植物之間相互感應的景象原來就在我們生活的地球

科學家們發現森林的樹木通過根部的真菌相互聯繫成網，「潘多拉」星球上植物之間相互感應的景象原來就在我們生活的地球？

每棵樹都不是獨立的。坐落於銀瀑布州立公園（Silver Falls State Park ）的花旗松樹。圖片來源：Gary Halvorson, Oregon State Archives.

樹立於林，不為孤木。在森林的泥土下，隱藏著一個由樹根和真菌組成的迷宮，科學家們稱之為菌根網路。也有人把這個迷宮叫做「木維網」（wood-wide web）。

迷宮的連接是由生長在植物根部內以及其周圍的真菌菌絲構成的，這些真菌同時也孕育著人們熟悉和喜愛的蘑菇。真菌與樹木的聯繫如此緊密，以至於你對這個網路了解的越多，你就越難將每棵樹視為一個單獨的個體。森林中的樹木和它們的根須真菌幾乎組成了一個公社，他們共享資源，毫不掩飾其社會主義關係，這種關係如此親密，以至於我擔心倘若對保守派人士詳細描述這種奇妙的現象，他們會立馬燒毀身邊的灌木叢。

我們故事的主角是兩種樹。它們是美國花旗松和美國黃松——廣泛分布在美國西部的兩種健碩而多產的樹。美國黃松是我最喜歡的針葉樹，甚至算得上是我最喜歡的樹。黃松林里通常空氣清新，光源充沛；黃松的樹皮在溫暖的陽光里會發出奶油糖果或者香草一樣的芬芳。

在我最喜歡的地方之一——科羅拉多落基山國家公園（Rocky Mountain National Park, Colorado）里的一片開放的黃松林。圖片版權：Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

而配角是一種低調，謙遜的真菌：根須腹菌。它在國家展覽會的「馬鈴薯級」（Potato Class）農產品選美大賽里，絕對能佔一席之地。這就是根須腹菌：

「紅根須腹菌」。版權所有：Licensed under CC BY-SA 2.5 via Wikimedia Commons.

和許多菌根菌不同，根須腹菌不會在地表長出鮮艷而美麗的肋片狀或者多孔的蘑菇，取而代之的，是稱為「假塊菌」的結構——一種地下的孢子生成體。不過，正如你在上圖中看到的那樣，在它們幾近成熟時，這些地下體也會長出地面。

和其它所有種類的塊菌一樣，這些根須腹菌用一種不可抗拒的氣味吸引哺乳動物把它們刨出來並吃掉。依靠這些動物的消化系統，好動的個性（在美國西部，人們所說的哺乳動物通常是指松鼠）和命里終有的三急，根須腹菌的後代得以傳播。眾多在分類上關係疏遠的真菌隨著進化在這一傳播方式上產生了些許不同；這似乎是真菌對乾燥環境的一種適應，因為在濕度較低的環境里，傳統的依靠濕潤氣流的孢子傳播方式並不是那麼有效。根須腹菌可能從是一種叫牛肝菌的地上塊菌進化而來的。

孢子是在「子實體」眾多的褶皺里生成的，你可以在下圖中看到：

版權所有： Andreas Kunze – Own work. Licensed underCC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

菌根菌，比如根須腹菌，會和植物根須結伴，因為雙方都能從中獲得好處。真菌會侵入植物的根部。但是這並不是在傷害植物——恰恰相反。植物負責為真菌合成並輸送食物，作為回報，真菌用自己寬廣的菌絲網路大大提高了植物吸收水和礦物質的能力。真菌的菌絲提供的吸收表面積遠遠超過了樹根根須本身。然而最近才為人所知的是，真菌的菌根網路遠比預期的複雜，還有，真菌網路是樹木之間的交流通道。我要向你描述的工作多數屬於英屬哥倫比亞大學Suzanne Simad教授實驗室的研究成果。

舉例來說，這是一幅描繪英屬哥倫比亞大學內一塊30米*30米的花旗松林下菌根網路的模擬圖。圖中只展示了花旗松（綠色的鋸齒狀圓斑，圓斑大小與樹的直徑成正比），以及兩種菌根菌。實際上，這塊土地內有幾種別的樹以及上百種別的菌根菌。真的是上百種。名副其實的「木維網」。

圖片來源：Beiler et al. 2010. Click image for source

圖中的黑點代表科學家們為測定樹根周圍的根須腹菌，而在土裡鑽孔取樣的位置。圖中的直線標出了在菌根樣本中找到了哪棵樹的根須。黑點周圍的輪廓線表示檢測到的每株真菌個體的分布範圍，填充了粉色的代表R. vinivolor，填充藍色的代表R. vesiculosus。黑色的箭頭指出了圖中聯繫最廣的樹；它通過一種根須腹菌的8株個體和另一種根須腹菌的3株個體與總共47棵樹相聯繫。相對的，同一株根須腹菌最多聯繫了19棵樹，有老有少。如果在一塊有限土地中，僅僅兩種真菌和一種樹形成的聯繫就如此錯綜，可以想像把所有真菌和樹木都考慮在內會有多複雜。

已經有證據顯示水和糖分會從較年長的樹里轉移入菌絲網路（畢竟，它們在供養這些真菌），所以菌絲網路也有可能會為那些較為年輕，還未能自力更生的樹木提供養料；事實上，這種假設已經被實驗證實了。若果真如此，你是否想到了砍伐樹林里成熟的大樹意味著什麼——那將嚴重破壞這個網路中的聯繫，從而削弱整個網路的穩定性。

讓我驚訝的是，當我為寫這篇文章查閱資料的時候，我發現人們早已知道不同種類的樹木之間可以通過菌根相互交流和扶持。不同種類的植物之間可以通過空氣相互交流的事實已經廣為人知；被食草動物啃食的植物會向周圍釋放揮發性的化學物質，其它植物感受到之後會為了以防萬一而進入戒備狀態。但是通過根須交流——甚至分享資源——卻讓我感覺耳目一新的。

在草本或者其它非木本植物中，菌根被證實可以在植物受到昆蟲或病原攻擊的時候向其它植物發出警告，也可以向周圍的同種或者異種植物輸送必需的養料。同種植物之間，菌根能夠把磷酸鹽和氮質從瀕死的植物轉移到健康的植物里。修剪植物的原理也證明養料可以從受傷的植物流向健康的植物。菌根甚至可以向周圍與植物競爭資源的其它植物傳送意為「滾開」的有毒物質。然而，在這些研究中的草本植物叢枝菌根，與木本植物的外生菌根卻有很大的不同。

Simard教授和研究生Brendan Twieg及Leanne Philip發現美國花旗松幼苗和紙樺木通過菌根，季節性地交換碳元素。夏季的時候紙樺木給花旗松幼苗，尤其是背陰幼苗提供碳元素，提高它們的存活率。而在春季和秋季，花旗松在紙樺木沒有葉子的時候還以恩情。

冰河國家公園（Glacier National Park）的紙樺木。圖片來源：「Three Betula papyrifera by McDonald Lake」 byWing-Chi Poon – Own work. Licensed under CC BY-SA 2.5 via Wikimedia Commons.

Simard和同事們還非常好奇是否菌根可以幫助不同的樹木應對氣候的變化。氣候變化可能導致松樹和雲杉遭受甲蟲、枯萎和鏽病的侵害，而其中溫度更高，降水更少的夏季則會導致乾旱以及雲杉蚜蟲災，毀滅大片美國花旗松林。失去大量的針葉毫無疑問會導致樹的死亡，但這也為由於氣候變化而北遷的其它樹木騰出了空間。

這種情形就正如花旗松林的大片凋亡，這樣的情況發生之後，在同一塊棲息地內，花旗松的死亡和腐爛（還有人類的除害伐木行為）都使得後來出現的美國黃松能做好更充足的準備，應對溫度升高的氣候改變。兩種樹都是數百種真菌的宿主，這其中還是有一些是它們共有的。所以科學家們想知道：在這個過程中，菌根可以通過直接從瀕死的美國花旗松向年輕的美國黃松中轉移養料的方式來促進這種更替嗎？

這正是他們利用盆栽的幼苗進行實驗所發現的，結果刊登在了2月的《科學報告》（journal Scientific Reports）雜誌上。他們用網絲隔離了植物的根，讓它們不能直接交聯（相互接觸的根須會引發「競爭」從而降低分享資源的能力），但是並不阻礙菌根菌將植物聯繫起來。當科學家把花旗松幼苗的針葉全拔掉的時候，這些傷痕纍纍的樹和它們根部的真菌不僅向它們周圍的黃松輸送養料，還傳輸了某種逆境信號，強烈刺激了黃松合成防禦相關的酶。這些舉動可以幫助黃松應對類似的傷害。

根須外包繞的外生菌根真菌。這些真菌來自一個叫Amanita的屬，這個屬的真菌因盛產劇毒的蘑菇而臭名昭著。圖片版權：Licensed under CC BY 2.5 via Wikimedia Commons.

傳輸的養料量並不是可有可無的。用放射性碳原子標記檢測傳輸的養料，其量幾乎相當於用於繁殖的能量——無論怎麼說都是一份慷慨的捐贈。他們還用雲杉蚜蟲檢測了被去了葉的花旗松，然而蚜蟲們看起來像是沒有了胃口，吃掉的葉子不是很多。科學家們認為嚴重的蟲災下，植物的防禦反應會與他們人為去掉樹葉的反應相似。

這個現象讓我很震驚。儘管它們不是一個物種，但是看起來事實像是花旗松無怨無悔（不求回報）地在用自己的性命幫助它周圍的黃松。即便不是無怨無悔，花旗鬆通過真菌把自己的資源傳遞給不同種的黃松，這種跨界的行為本身，已經足夠讓我吃驚了。

花旗松到底是「有意」並且無私地把養料和防禦信號傳遞給黃松的，還是因為真菌而不得已為之？這可能只是源—匯策略（source-sink scenario）的被動效果，在受到嚴重傷害時，花旗松為了安全地保存營養物質，會把它們送入菌根中，而這些過量的資源自然而然地會順著梯度從高濃度區送到低濃度區（正在生長的，資源短缺的黃松）。另外花旗松可能也僅僅是比較利他或者說比較實用主義，因為把碳元素輸送到根部很可能造福了它周圍的近親（甚至是後代？），就算養料最後流到了不同種的植物那裡，它的那些親戚也可以通過整個森林系統的穩定健康而受益。

還有可能，這一切只是精打細算的真菌為了自身利益而耍的詭計，作者們寫道，「通過把碳元素和信號分配並發送到更健康更可靠的黃松里，真菌能夠保護其自身的碳元素網路。」這樣，菌根菌可以幫助森林更好地應對一般的侵害，尤其針對氣候的改變——不論是乾旱還是蟲害。如此一來，真菌們得以從因為氣候改變而瀕死的植物里轉移已有的珍貴養料以及關於蟲害的警告信號，並把它們輸送給北遷的新植物物種，幫助它們在新的開墾地上生存和立足。（翻譯：祝錦傑； 審校：海帶絲）

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