Διερευνώντας την αλληλεπίδραση μεταξύ των δέντρων και βακτηρίων του εδάφους Understand article

Author(s): Manon Rumeau
Translator(s): Skodra Eleni

Δέντρα που μιλάνε: ανακαλύψτε πώς τα δέντρα χρησιμοποιούν χημικές ουσίες για να επικοινωνήσουν με τα βακτήρια στο έδαφος και πώς αυτό θα μπορούσε να επηρεάσει την ικανότητα τους να δρουν ως αποθήκες άνθρακα.

Κοντινό πλάνο κορμού δέντρου καλυμμένου με βρύα, όπου μπορεί κανείς να παρατηρήσει περίπλοκες υφές και φυσικά μοτίβα.
Εικόνα: StockSnap/Pixabay

Όπως οι άνθρωποι, έτσι και τα δέντρα έχουν ανάγκη από διάφορα συστατικά για να αναπτυχθούν. Αλλά με τόσα πολλά από αυτά τα συστατικά δεσμευμένα σε περίπλοκα μόρια του εδάφους, πώς αποκτούν πρόσβαση σε αυτά που χρειάζονται; Τα δέντρα έχουν αναπτύξει τη δική τους γλώσσα επικοινωνίας με τα βακτήρια του εδάφους προκειμένου να ανταλλάσσουν τον άνθρακα που δεσμεύεται με τη φωτοσύνθεση με θρεπτικά συστατικά, όπως το βιοδιαθέσιμο υδρογόνο. Αυτή η επικοινωνία όχι μόνο υποστηρίζει την ανάπτυξη των δέντρων, αλλά επίσης έχει σημαντικές προεκτάσεις για τον περιορισμό της κλιματικής αλλαγής. Τα δάση λειτουργούν ως αποθήκες άνθρακα και η ικανότητα τους να απορροφούν διοξείδιο του άνθρακα (CO2) βασίζεται στη διαθεσιμότητα θρεπτικών ουσιών, υπογραμμίζοντας έτσι τον μείζονος σημασίας ρόλο αυτής της μικροβιακής γλώσσας για το μέλλον του πλανήτη μας.

Τον περιοδικό πίνακα, παρακαλώ!

Τα δέντρα, όπως και οι άνθρωποι, πρέπει να λαμβάνουν μια ποικιλία από θρεπτικά συστατικά για να αναπτύσσονται. Αυτά τα θρεπτικά συστατικά περιέχουν χημικά στοιχεία που τα φυτά χρειάζονται για να αναπτυχθούν. Τα ίδια περίπου συστατικά απαιτούνται τόσο για τους ανθρώπους όσο και για τα φυτά για να αναπτύξουν και να διατηρήσουν τον γενετικό κώδικα, τις πρωτεΐνες, τα κυτταρικά τοιχώματα κτλ. Τα πιο σημαντικά στοιχεία είναι ο άνθρακας (C), το υδρογόνο (Ν), ο φώσφορος (Ρ) το οξυγόνο (Ο), το κάλιο (Κ), το μαγνήσιο (Mg),  και το ασβέστιο (Ca). Ωστόσο, αντίθετα με τους ανθρώπους που μπορούν μόνοι τους να αναζητήσουν αυτά τα θρεπτικά συστατικά στο περιβάλλον τους, τα δέντρα είναι καθηλωμένα σε ένα σημείο και βασίζονται στο εύρος των ριζών τους και στους συμβιωτικούς μυκορριζικούς μύκητες για την αναζήτηση θρεπτικών συστατικών. Αλλά βρίσκονται όλα αυτά τα συστατικά στο έδαφος; Ναι και όχι. Ναι, από την άποψη ότι βρίσκονται όλα (στο έδαφος) αλλά όχι σε μορφή κατάλληλη για πρόσληψη από τα φυτά (δηλαδή δεν είναι βρώσιμα). Όλα αυτά τα συστατικά συνήθως βρίσκονται σε οργανικά και ανόργανα μόρια (Σχήμα 1), αλλά αυτά τα μόρια είναι πολύ περίπλοκα και πολύ  μεγάλα ώστε να απορροφηθούν από τα κύτταρα των ριζών.  Και εδώ είναι που μπαίνουν τα βακτήρια του εδάφους! Τα βακτήρια του εδάφους και οι μύκητες διαθέτουν τη μοναδική ικανότητα να παράγουν ένζυμα ικανά να διασπούν αυτά τα περίπλοκα μόρια σε μικρότερες, πιο προσιτές μορφές, όπως σάκχαρα, αμινοξέα και ανόργανες ενώσεις αζώτου (N), όπως το αμμώνιο (NH4+)  και  τα νιτρικά (NO3–), τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα από τα δέντρα. Καθώς τα βακτήρια διασπούν αυτά τα μόρια, απορροφούν ένα ποσοστό των θρεπτικών συστατικών που εκλύονται προκειμένου να τα ενσωματώσουν στα κύτταρα τους και να αυξηθούν σε αριθμό και στη συνέχεια απελευθερώνουν τα εναπομείναντα μόρια στο έδαφος.  Αυτή η δυναμική είναι ιδιαίτερα κρίσιμη για το άζωτο, καθώς συχνά περιορίζει την ανάπτυξη των δέντρων στα δάση του βόρειου ημισφαιρίου.

Σχήμα 1: Πάνω: Ο περιοδικός πίνακας δείχνει τα στοιχεία που απαιτούνται για την επιβίωση των φυτών (με έντονα γράμματα). Τα χρώματα επεξηγούν τα χρωματικά μοτίβα στα μοριακά μοντέλα στο κάτω μέρος.
Κάτω: Σχηματική απεικόνιση της διάσπασης των μορίων της οργανικής ύλης του εδάφους, όπως διάσπαση χουμικών οξέων από βακτήρια του εδάφους.[1]
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά του συγγραφέα. Η εικόνα του βακτηρίου είναι ευγενική προσφορά του Pacific Northwest National Laboratory. Η εικόνα του χουμικού οξέος είναι ευγενική προσφορά του Virtual Museum of Minerals and Molecules.

Άζωτο: ένα πολύτιμος, αλλά άνισα κατανεμημένος πόρος

Η πρωτοποριακή εφεύρεση της μεθόδου Haber–Bosch στις αρχές του 20ου αιώνα έφερε επανάσταση στη γεωργία με την αποτελεσματική δέσμευση του άφθονου αλλά αδρανούς ατμοσφαιρικού αζώτου σε συστατικά τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τα φυτά, όπως τα άλατα αμμωνίας με άζωτο με τη μορφή ιόντων αμμωνίου (NH4+). Αυτή η καινοτομία διευκόλυνε την ταχεία παραγωγή τροφίμων, λειτουργώντας ως καταλύτης για την αγροτική ανάπτυξη παγκοσμίως. Ωστόσο, η υπερβολική χρήση λιπασμάτων αζώτου για πολλές συνεχόμενες δεκαετίες τώρα πλέον θεωρείται ως σημαντικός παράγοντας που συνέβαλε στην κλιματική αλλαγή[2,3]  και έχει οδηγήσει σε μια ανομοιόμορφη κατανομή του δεσμευμένου αζώτου ανά την υφήλιο. Οι περιοχές κοντά σε βιομηχανικές και αγροτικές περιοχές βιώνουν τις επιβλαβείς επιπτώσεις από την υπερβολική χρήση αζωτούχων λιπασμάτων, όπως υψηλές εκπομπές υποξειδίου του αζώτου-ένα ισχυρό αέριο του θερμοκηπίου-και μόλυνση των υδάτινων πόρων από νιτρικά. Αντίθετα, τα οικοσυστήματα που βρίσκονται μακριά από βιομηχανικές και αγροτικές ζώνες, όπως κάποιες δασώδεις περιοχές, συνεχίζουν να έρχονται αντιμέτωπες με την ανεπάρκεια ενώσεων αζώτου, τις οποίες να μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα φυτά, γεγονός που περιορίζει την παραγωγικότητα και την ανθεκτικότητά τους.[4]

Δάση: σύμμαχοι κατά της κλιματικής αλλαγής όταν το άζωτο δεν δρα περιοριστικά

Καθώς ο πλανήτης μας θερμαίνεται λόγω των ανθρωπίνων δραστηριοτήτων που εκλύουν CO2 στην ατμόσφαιρα, τα δέντρα ίσως παίζουν καταλυτικό ρόλο στην απορρόφηση αυτού του πλεονάζοντος CO2 μέσω της φωτοσύνθεσης.[5]  Η ικανότητα τους να δρουν ως αποθήκες άνθρακα τα καθιστά ισχυρούς συμμάχους στην επιβράδυνση της κλιματικής αλλαγής, αλλά ωστόσο τα δέντρα μπορούν να απορροφήσουν το πλεόνασμα CO2 εάν λαμβάνουν αρκετό άζωτο. Στα δάση όπου το άζωτο στο έδαφος είναι περιορισμένο, η μελέτη διαθεσιμότητας αζώτου στο χώμα είναι περίπλοκη. είναι σαν να πρέπει να επιλύσει κανείς πολλαπλές εξισώσεις με πολλούς αγνώστους, οι οποίοι εξαρτώνται όλοι από τα βακτήρια του εδάφους. Η διαθεσιμότητα αζώτου στο έδαφος ρυθμίζεται από τον κύκλο του αζώτου, ο οποίος ορίζεται ως οι επαναλαμβανόμενες διαδικασίες κατά  τις οποίες το άζωτο εναλλάσσεται κυκλικά μεταξύ ανόργανων και οργανικών μορφών και κινείται μεταξύ βιοτικών (ζωντανών) και αβιοτικών (μη ζωντανών) συστημάτων, συμπεριλαμβανομένων της ατμόσφαιρας, του εδάφους, του νερού, των φυτών, των ζώων και των βακτηρίων (Σχήμα 2). Στην πραγματικότητα, η ανάπτυξη των φυτών συχνά περιορίζεται από την ανοργανοποίηση του αζώτου (διάσπαση των περίπλοκων οργανικών ενώσεων σε ανόργανα θρεπτικά συστατικά), οι εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου είναι συνάρτηση της απονίτρωσης (παραγωγή αερίου αζώτου από νιτρικά) και η μόλυνση των υπόγειων υδάτων είναι το αποτέλεσμα της έκπλυσης νιτρικών  (απώλεια νιτρικών από το ανώτερο στρώμα του εδάφους). Η ταχύτητα αυτών των διαδικασιών εξαρτάται από κλιματικές παραμέτρους, όπως η υγρασία του εδάφους, η θερμοκρασία και η διαθεσιμότητα άλλων θρεπτικών συστατικών. Συνεπώς, αυτές οι διαδικασίες, και κατ’ επέκταση η διαθεσιμότητα αζώτου, είναι πιθανόν να επηρεαστούν από την κλιματική αλλαγή. Σκεφτείτε το ως μια τραμπάλα- αν η ισορροπία χαθεί, το επιπλέον άζωτο μπορεί να μετατραπεί σε αέρια του θερμοκηπίου ή να εκπλυθεί στα υπόγεια ύδατα, αφήνοντας πίσω στο έδαφος ανεπαρκές άζωτο για την ανάπτυξη των δέντρων.

FΣχήμα 2: σχηματική αναπαράσταση της επίδρασης των ριζικών εκκρίσεων στον κύκλο του αζώτου στο έδαφος. Όλες οι ροές αζώτου αναπαρίστανται με σκούρο μπλε, οι ροές άνθρακα με κόκκινο και οι εκκρίσεις με ανοιχτό μπλε. Το σύμβολο + αναπαριστά τη διέγερση και το σύμβολο – την αναστολή.
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά του συγγραφέα.

Οι επιστήμονες σε όλον τον κόσμο μελετούν τη διαθεσιμότητα αζώτου στα δάση με πειράματα που είναι σχεδιασμένα να αναπαριστούν αναμενόμενες συνθήκες, προκειμένου να γίνει κατανοητό πώς τα δάση μπορούν να βοηθήσουν στο περιορισμό της κλιματικής αλλαγής. Για να γίνει αυτό, οι ερευνητές κάνουν πειράματα εμπλουτισμού διοξειδίου του άνθρακα στον ελεύθερο αέρα (FACE), τα οποία αντιγράφουν  τις προβλεπόμενες συγκεντρώσεις CO2 στην ατμόσφαιρα το 2050, χρησιμοποιώντας ψηλούς κάθετους σωλήνες που διοχετεύουν CO2  σε περιοχές με ώριμα δάση (Σχήμα 3). Σε αυτά τα πειράματα, οι ερευνητές μελετούν την ανάπτυξη των δέντρων, αναλύουν τη σύνθεση των ριζικών εκκρίσεων, αξιολογούν την βακτηριακή δραστηριότητα και χρησιμοποιούν τεχνικές εντοπισμού με ισότοπα προκειμένου να μετρήσουν τη διαθεσιμότητα αζώτου στο έδαφος.

Σχήμα 3: Αριστερά: Το Ινστιτούτο Δασικών Ερευνών στο Μπέρμιγχαμ ((BIFoR-FACE),  εγκαταστάσεις στο Ηνωμένο Βασίλειο. Δεξιά: Ερευνητής στο πεδίο, κατηγοριοποιώντας το έδαφος με τη βοήθεια ισότοπου αζώτου (15N)  για να μετρηθούν οι ροές αζώτου.
Εικόνες: εγκαταστάσεις του The BIFoR-FACE facility: © University of Birmingham. Ερευνητής στο πεδίο, η εικόνα είναι ευγενική παραχώρηση του συγγραφέα.

Ριζικές εκκρίσεις: μηχανισμός-κλειδί για τον μετριασμό των επιπτώσεων από τον περιορισμού του αζώτου

Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ, Ηνωμένο Βασίλειο, βρίσκουν ότι, όταν το διαθέσιμο άζωτο στο έδαφος είναι περιορισμένο, τα δέντρα μπορούν να ανταλλάξουν το μοναδικό στοιχείο στο οποίο έχουν πιο εύκολη πρόσβαση από τα βακτήρια-τον άνθρακα-για άζωτο. Τα δέντρα δεσμεύουν άνθρακα μέσω της φωτοσύνθεσης στα φύλλα τους και τον μετατρέπουν σε γλυκόζη, έτσι ώστε να μπορούν εύκολα να αναδιανείμουν μέρος αυτού στα βακτήρια του εδάφους μέσω των ριζικών εκκρίσεων, οι οποίες είναι υγρά που απελευθερώνονται μέσω των ριζών των φυτών και είναι συνήθως πλούσιες σε άνθρακα. Αυτή η δυναμική ενισχύεται κάτω από υψηλές συγκεντρώσεις CO2 στην ατμόσφαιρα, καθώς τα δέντρα χρησιμοποιούν το πλεονάζον CO2 για να δεσμεύσουν περισσότερο άνθρακα. Ο επιπλέον άνθρακας που απελευθερώνεται στο έδαφος μέσω των ριζικών εκκρίσεων διεγείρει τη βακτηριακή δραστηριότητα, η οποία επιταχύνει τη διάσπαση της οργανικής ύλης στο έδαφος και οδηγεί στην απελευθέρωση αζώτου σε μια μορφή την οποία τα δέντρα μπορούν να χρησιμοποιήσουν (Σχήμα 2).[6] Αλλά αυτή η συνεργασία μεταξύ βακτηρίων και φυτών είναι κάτι περισσότερο από απλή ανταλλαγή τροφής. Πραγματικά, τα δέντρα όχι μόνο απελευθερώνουν απλή γλυκόζη, αλλά και  μπορούν επιλεκτικά να προσαρμόζουν τη σύνθεση και τη συγκέντρωση των ενώσεων που απελευθερώνονται στο έδαφος για να βελτιώσουν ή να εμποδίσουν συγκεκριμένες βακτηριακές λειτουργίες. Για παράδειγμα, σε συνθήκες αυξημένου CO2 στην ατμόσφαιρα, τα δέντρα μπορεί να απελευθερώσουν ενώσεις  που εμποδίζουν τη νιτροποίηση, όπως φερουλικό οξύ[7], για να αποτρέψουν την απώλεια αζώτου από το έδαφος. Με αυτόν τον τρόπο, τα δέντρα διατηρούν το άζωτο στη μορφή που το επιθυμούν, αμμώνιο, και μειώνουν τις πιθανές απώλειες στην ατμόσφαιρα και στα υπόγεια ύδατα. Έτσι, η σύνθεση και η συγκέντρωση αυτών των εκκρίσεων λειτουργούν ως κωδικοποιημένο μήνυμα, το οποίο λέει στους μικροοργανισμούς τι είναι εκείνο που χρειάζεται για τη βέλτιστη ανάπτυξη των φυτών. Ωστόσο, η κατανόηση αυτής της πολύπλοκης επικοινωνίας παραμένει μία πρόκληση. Οι προσπάθειες για τη μετάφραση αυτής γλώσσας που χρησιμοποιείται μεταξύ φυτών και βακτηρίων συνεχίζονται, καθώς μπορεί να είναι το κλειδί για την κατανόηση του πώς τα δάση μπορούν να μας βοηθήσουν να μετριάσουμε την κλιματική αλλαγή. 

References

[1] Schulten HR, Schnitzer M (1997) Chemical Model Structures for Soil Organic Matter and Soils. Soil Science 162: 115–130.

[2] Steffen W et al. (2015) Planetary boundaries: Guiding human development on a changing planet. Science 347: 1259855–1259855. doi: 10.1126/science.1259855

[3] Galloway JN, Cowling EB (2021) Reflections on 200 years of Nitrogen, 20 years later. Ambio 50: 745–749 doi: 10.1007/s13280-020-01464-z

[4] Townsend AR, Howarth RW (2010) Fixing the global nitrogen problem. Scientific American 302: 64–71. doi: 10.1038/scientificamerican0210-64

[5] Gardner A et al. (2021) Is photosynthetic enhancement sustained through three years of elevated CO2 exposure in 175-year-old Quercus robur? Tree Physiology 42: 130–144. doi: 10.1093/treephys/tpab090

[6] Dijkstra FA et al. (2013) Rhizosphere priming: a nutrient perspective. Frontiers in Microbiology 4. doi: 10.3389/fmicb.2013.00216

[7] Nardi P et al. (2020) Biological nitrification inhibition in the rhizosphere: determining interactions and impact on microbially mediated processes and potential applications. FEMS Microbiology Reviews 44: 874–908. doi: 10.1093/femsre/fuaa037

Resources

  • Παρακολουθήστε μια σύντομη διάλεξη για τον κύκλο του αζώτου σε συνθήκες αυξημένου ατμοσφαιρικού CO2 στο έδαφος των δασών.
  • Μάθετε περισσότερα για το πείραμα BIFoR FACE.
  • Παρακολουθήστε ένα βίντεο που δείχνει μια εβδομάδα από τη ζωή των ερευνητών στο κέντρο at BIFoR-FACE.
  • Παρακολουθήστε ένα σύντομο βίντεο του National Geographic για το πώς τα δέντρα μιλάνε μυστικά μεταξύ τους στο δάσος (How Trees Secretly Talk to Each Other in the Forest).
  • Υπολογίστε πόσο CO2 απορροφά ένα δέντρο στην αυλή του σχολείου: Schwarz A et al. (2024) How much carbon is locked in that tree? Science in School 67.
  • Αναπτύξτε βακτήρια από τα πόδια μυρμηγκιών και μάθετε πώς θα μπορούσαν να μας βοηθήσουν να μειώσουμε τη χρήση χημικών φυτοφαρμάκων: Jensen IC (2024) Footprints in the agar: growing bacteria from ants’ feet to combat plant diseases. Science in School 67.
  • Ξεκινήστε ένα ταξίδι στα μικροσκοπικά βρύα για να εξερευνήσετε τον συναρπαστικό κόσμο των ποικίλων και ανθεκτικών οργανισμών που ευδοκιμούν σε αυτόν τον γεμάτο προκλήσεις βιότοπο: Chandler-Grevatt A (2023) Moss Safari: what lives in moss? Science in School 63.
  • Ανακαλύψτε πώς τα μοναδικά χαρακτηριστικά της θαλάσσιας βλάστησης είναι ζωτικής σημασίας για την υγεία του πλανήτη μας: Crouch F (2024) Seagrass the wonder plant! Science in School 67.
  • Ανακαλύψτε τις ανανεώσιμες πηγές και πώς τα ενεργειακά μοντέλα μπορούν να μας βοηθήσουν να διερευνήσουμε το μέλλον της ενέργειας: Süsser D (2023) Clean energy for all: can sun and wind power our lives? Science in School 61.
  • Μάθετε για το πώς τα δέντρα επηρεάζουν το κλίμα: Harrison TG, Khan MAH, Shallcross DE (2022) How trees affect the climate: is it just through photosynthesis? Science in School 58.
  • Διαβάστε σχετικά με τα οφέλη από τους θόλους των δέντρων: Guerrieri R (2019) The secret life of forests. Science in School 46: 20–24.

Author(s)

Η Manon Rumeau είναι διδακτορική φοιτήτρια στο Πανεπιστήμιο του Birmingham, Ηνωμένο Βασίλειο, και μελετάει τις επιπτώσεις των υψηλών συγκεντρώσεων ατμοσφαιρικού CO2 στον κύκλο του αζώτου στο έδαφος, στις εγκαταστάσεις BIFoR-FACE.

Review

Το άρθρο αναφέρεται σε μια σημαντική διάσταση της ικανότητας της βιόσφαιρας να αντιμετωπίζει τις προκλήσεις που προκύπτουν από την αύξηση των αερίων του θερμοκηπίου: (εξετάζει) τις ευέλικτες τροφικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ ειδών από διαφορετικά βασίλεια, πιο συγκεκριμένα, δέντρων και μικροοργανισμών, σε μια δυναμική γύρω από ένα ζωτικό θρεπτικό συστατικό, το άζωτο. Οι καθηγητές φυσικής μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτό το κείμενο για να προωθήσουν την καλύτερη κατανόηση του κύκλου του αζώτου στη φύση, αλλά και για να διεγείρουν το ενδιαφέρον πάνω στο θέμα της κλιματικής αλλαγής μέσω ερωτημάτων, όπως:

  1. Θα μπορέσουν τα δέντρα να προσαρμόσουν τον κύκλο του αζώτου στις ανάγκες τους, ανεξάρτητα από την αύξηση του CO2 στην ατμόσφαιρα; Γιατί;
  2. Στα διαχειριζόμενα δάση, μπορούν οι άνθρωποι να βοηθήσουν τα δέντρα να αντιμετωπίσουν πιο αποτελεσματικά ένα πιο θερμό περιβάλλον; Με ποιον τρόπο;

Luis M. Aires, καθηγητής φυσικής, σχολικό συγκρότημα Antonio Gedeao, Almada, Πορτογαλία

License

CC-BY

Download

Download this article as a PDF