Sekrety świata grzybów: mózg pająka jako analog człowieka

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

W 2000 roku profesor Toshiyuki Nakagaki, biolog i fizyk z Japońskiego Uniwersytetu Hokkaido, pobrał próbkę żółtej pleśni i umieścił ją przy wejściu do labiryntu, który służy do testowania inteligencji i pamięci myszy. Na drugim końcu labiryntu umieścił kostkę cukru. Grzyb nie tylko znalazł drogę do cukru, ale także użył do tego najkrótszej ścieżki.

Co myślą grzyby?

Physarum polycephalum pachniał cukrem i zaczął wysyłać swoje kiełki w poszukiwaniu go. Pajęczyny grzyba rozwidlały się na każdym skrzyżowaniu labiryntu, a te, które wpadły w ślepy zaułek, odwróciły się i zaczęły rozglądać się w innych kierunkach. Przez kilka godzin pajęczyny grzybów wypełniały korytarze labiryntu, a pod koniec dnia jeden z nich znalazł drogę do cukru.

Następnie Toshiyuki i jego zespół badaczy wzięli kawałek pajęczej sieci grzyba, który brał udział w pierwszym eksperymencie, i umieścili go przy wejściu kopii tego samego labiryntu, również z kostką cukru na drugim końcu. To, co się stało, zadziwiło wszystkich. W pierwszej chwili pajęczyna rozgałęziła się na dwoje: jedna kiełka bez dodatkowego skrętu przeszła do cukru, druga wspięła się po ścianie labiryntu i przeszła przez nią bezpośrednio, wzdłuż sufitu, prosto do celu. Sieć grzybów nie tylko zapamiętała drogę, ale także zmieniła zasady gry.

Ośmieliłem się oprzeć tendencji do traktowania tych stworzeń jak roślin. Kiedy prowadzisz badania nad grzybami przez kilka lat, zaczynasz zauważać dwie rzeczy. Po pierwsze, grzyby są bliżej królestwa zwierząt, niż się wydaje. Po drugie, ich działania czasami wydają się być wynikiem świadomej decyzji. Pomyślałem, że grzyby powinny mieć możliwość rozwiązania zagadek.

Dalsze badania przeprowadzone przez Toshiyukiego wykazały, że grzyby mogą planować trasy transportu równie dobrze i znacznie szybciej niż profesjonalni inżynierowie. Toshiyuki wziął mapę Japonii i umieścił kawałki jedzenia w miejscach odpowiadających głównym miastom w kraju. Włożył grzyby „w Tokio”. Po 23 godzinach zbudowali liniową sieć pajęczyn ze wszystkich kawałków jedzenia. Rezultatem jest prawie dokładna replika sieci kolejowej wokół Tokio.

Połączenie kilkudziesięciu punktów nie jest takie trudne; ale połączenie ich sprawnie i ekonomicznie wcale nie jest łatwe. Wierzę, że nasze badania nie tylko pomogą nam zrozumieć, jak ulepszać infrastrukturę, ale także budować wydajniejsze sieci informacyjne.

ZAGADKA O INNEJ ISTOCIE

Według ostrożnych szacunków na Ziemi jest około 160 tysięcy szczepów grzybów, z których większość ma imponujące zdolności.

Na przykład w Czarnobylu odkryto grzyba, który żywi się produktami radioaktywnymi, a jednocześnie oczyszcza otaczające go powietrze. Grzyb ten został znaleziony na ścianie zniszczonej elektrowni jądrowej, która przez wiele lat po katastrofie nadal wytwarzała promieniowanie niszczące wszelkie życie w promieniu kilku kilometrów.

Podczas eksploracji lasu amazońskiego dwóch studentów biologii z Uniwersytetu Yale odkryło mikrosporę grzyba Pestalotiopsis, który może rozkładać plastik. Zdolność tę odkryto, gdy grzyb zjadł szalkę Petriego, na której był uprawiany.

Do tej pory ani nasza nauka, ani nasza technologia nie są do tego zdolne. Zanieczyszczenie tworzywami sztucznymi to jeden z największych problemów technologicznych. Dziś wiążemy duże nadzieje z tym grzybem. - Profesor Scott A. Strobl.

Genetykom z American Institute of Bioenergy udało się sprawić, że szczep grzyba szybciej trawi naturalną ksylozę cukru. Potencjalne znaczenie tego odkrycia polega na stworzeniu nowego, taniego i szybkiego sposobu wytwarzania czystych biopaliw.

Wydawałoby się, w jaki sposób „prymitywny” organizm, pozbawiony mózgu i ograniczony w ruchu, dokonuje cudów poza kontrolą nauki?

Aby spróbować zrozumieć świat grzybów, musisz najpierw coś wyjaśnić. Shiitake, portobello i pieczarka to nie tylko nazwy grzybów jadalnych. Każdy z nich to żywy organizm, reprezentujący sieć milionów najcieńszych pod ziemią pajęczyn. Grzyby wystające z ziemi to tylko „czubki palców” tych pajęczyn, „narzędzia”, za pomocą których organizm rozsiewa nasiona. Każdy taki „palec” zawiera tysiące zarodników. Są niesione przez wiatr i zwierzęta. Kiedy zarodniki wpadają do ziemi, tworzą nowe sieci i kiełkują nowymi grzybami.

To stworzenie oddycha tlenem. Jest tak niezwykły z biologicznego punktu widzenia, że należy do własnego królestwa, oddzielonego zarówno od zwierząt, jak i roślin.

Ale co tak naprawdę wiemy o tej formie życia?

Nie wiemy, co skłania podziemny system pajęczyn w pewnym momencie do wypuszczania grzybów na powierzchnię ziemi; dlaczego jeden grzyb rośnie w kierunku jednego drzewa, a drugi w kierunku drugiego; i dlaczego niektóre z nich produkują śmiertelne trucizny, a inne są smaczne, zdrowe i pachnące. W niektórych przypadkach nie możemy nawet przewidzieć harmonogramu ich rozwoju. Grzyby mogą pojawić się w ciągu trzech, a nawet 30 lat po tym, jak ich zarodnik znajdzie odpowiednie drzewo. Innymi słowy, o grzybach nie wiemy nawet najbardziej podstawowych rzeczy. - Michael Pollan, badacz.

KRÓLOWA ZMARŁYCH

Trudno nam zrozumieć grzyby ze względu na ich budowę anatomiczną. Kiedy bierzesz pomidora do ręki, trzymasz cały pomidor w dłoni tak, jak jest. Ale nie możesz zerwać grzyba i zbadać jego struktury. Grzyb to po prostu owoc dużego i złożonego organizmu. Sieć pajęczyn jest zbyt cienka, aby można ją było oczyścić z ziemi bez jej uszkodzenia. - Sgula Motspi, mikrobiolog.

Innym problemem jest to, że większości grzybów leśnych nie da się udomowić i są one bardzo trudne w uprawie, zarówno do celów badawczych, jak i przemysłowych.

Wybierają tylko określony miot, sami decydują kiedy wykiełkować. Często ich wybór pada na stare drzewa, których nie można przenieść w inne miejsce. I nawet jeśli posadzimy w lesie setki odpowiednich drzew i rozpylimy miliardy zarodników na ziemi, nie ma gwarancji, że grzyby zdobędziemy w rozsądnym czasie. - Michael Pollan, badacz.

Systemy odżywiania, wzrostu, rozmnażania i wytwarzania energii u grzybów są zupełnie inne niż u zwierząt. Nie zawierają chlorofilu i dlatego w przeciwieństwie do roślin nie wykorzystują bezpośrednio energii słonecznej. Na przykład pieczarki, shiitake i portobello rosną na ściółce po zwiędłych roślinach.

Podobnie jak zwierzęta, grzyby trawią pokarm, ale w przeciwieństwie do nich trawią pokarm na zewnątrz ciała: grzyby wydzielają enzymy, które rozkładają materię organiczną na jej składniki, a następnie wchłaniają te cząsteczki.

Jeśli gleba jest żołądkiem kuli ziemskiej, to grzyby są jej sokami trawiennymi. Bez ich zdolności do rozkładania i przetwarzania materii organicznej ziemia by się udusiła dawno temu. Martwa materia gromadziłaby się w nieskończoność, obieg węgla zostałby przerwany, a wszystkie żywe istoty pozostałyby bez pożywienia.

W naszych badaniach skupiamy się na życiu i rozwoju, ale w naturze śmierć i rozkład są równie ważne. Grzyby to niekwestionowani władcy królestwa śmierci. Dlatego nawiasem mówiąc, jest ich tak wiele na cmentarzach. Ale największym sekretem jest ogromna energia grzybów. Są grzyby, które potrafią pękać asfalt, świecić w ciemności, przerabiać przez noc całą masę petrochemicznych odpadów i zamieniać je w jadalny i pożywny produkt. Grzyb Coprinopsis atramentaria jest w stanie wyhodować owocnik w ciągu kilku godzin, a następnie, w ciągu jednego dnia, zamienić się w kałużę czarnego atramentu.

Grzyby halucynogenne zmieniają umysły ludzi. Istnieją trujące grzyby, które mogą zabić słonia. Paradoks polega na tym, że wszystkie zawierają niewielkie ilości kalorii, których naukowcy zwykle używają do pomiaru energii. Nasz sposób mierzenia energii wydaje się tu nie pasować. Kalorie charakteryzują energię słoneczną zmagazynowaną w roślinach. Ale grzyby słabo kojarzą się ze słońcem. Kiełkują w nocy i więdną w ciągu dnia. Ich energia to coś zupełnie innego.

- Michael Pollan, badacz.

INTERNET POD ZIEMIĄ

Grzybnia to złożona infrastruktura, na której znajdują się wszystkie rośliny na świecie. W dziesięciu centymetrach sześciennych gleby można znaleźć osiem kilometrów pajęczyn. Ludzka stopa pokrywa około pół miliona kilometrów gęsto rozmieszczonych pajęczyn. - Paul Stemets, mikolog.

Co się dzieje w tych sieciach?

Na początku lat 90. pojawił się pomysł, że sieć tych pajęczyn nie tylko przenosiła żywność i chemikalia, ale była także inteligentną i samouczącą się siecią komunikacyjną. Patrząc na nawet małe fragmenty tej sieci, łatwo rozpoznać znajomą strukturę. Graficzne obrazy internetu wyglądają dokładnie tak samo. Rozgałęzienia sieci, a jeśli jedna z gałęzi ulegnie awarii, zostanie szybko zastąpiona obejściami. Jej węzły, zlokalizowane w strategicznych obszarach, są lepiej zaopatrywane w energię ze względu na mniej aktywne miejsca i są powiększane. Te sieci mają wrażliwość. Każda sieć może przekazywać informacje do całej sieci.

I nie ma „serwera centralnego”. Każda sieć jest niezależna, a gromadzone przez nią informacje mogą być przesyłane do sieci we wszystkich kierunkach. Tak więc podstawowy model Internetu istniał cały czas, tylko chował się pod ziemią. - Paul Stemec, mikolog

Sama sieć wydaje się być w stanie rozwijać się w nieskończoność. Na przykład w stanie Michigan znaleziono grzybnię, która wyrosła pod ziemią na obszarze dziewięciu kilometrów kwadratowych. Szacuje się, że ma około 2000 lat.

Kiedy sieć decyduje się na uprawę grzybów?

Czasami powodem jest zagrożenie dla przyszłości sieci. Jeśli las zasilający sieć wypali się, grzybnia przestaje otrzymywać cukry z korzeni drzew. Następnie kiełkuje grzyby na ich najdalszych końcach, aby rozprzestrzeniły zarodniki grzybów, „uwolniły” jej geny i dały im możliwość znalezienia nowego miejsca. Tak pojawiło się wyrażenie „grzyby po deszczu”. Deszcz zmywa z ziemi organiczną zgniliznę iw istocie pozbawia sieć jej źródła zasilania – wtedy sieć wysyła „zespoły ratunkowe” ze sporami w poszukiwaniu nowego schronienia.

KOSZMAR DLA OWADÓW

„Znalezienie nowego domu” to kolejna rzecz, która odróżnia grzyby od królestwa zwierząt i roślin. Są grzyby, które rozsiewają zarodniki, tak jak owoce rozsiewają nasiona. Inne produkują feromony, które sprawiają, że żywe istoty kompulsywnie ich pragną. Zbieracze białych trufli używają go do poszukiwania świń, ponieważ zapach tych grzybów jest podobny do zapachu knura alfa.

Istnieją jednak bardziej złożone i okrutne sposoby rozprzestrzeniania się grzybów. Obserwacja zachodnioafrykańskich mrówek z gatunku Megaloponera foetens wykazała, że co roku wspinają się na wysokie drzewa iz taką siłą wbijają szczęki w pień, że po tym nie mogą się uwolnić i umrzeć. Wcześniej nie było przypadków masowego samobójstwa mrówek.

Okazało się, że owady działają wbrew ich woli, a ktoś inny posyła je na śmierć. Powodem są najmniejsze zarodniki grzyba הטומנטלה, którym czasami udaje się dostać do pysków mrówek. W głowie owada zarodnik wysyła chemikalia do jego mózgu. Następnie mrówka zaczyna wspinać się na najbliższe drzewo i zanurza paszczę w jego korze. Tutaj, jak po przebudzeniu z koszmaru, zaczyna próbować się uwolnić i na koniec, wyczerpany, umiera. Po około dwóch tygodniach z jego głowy wyrastają grzyby הטומנטלה.

Na drzewach w Kamerunie można zobaczyć setki grzybów wyrastających z ciał mrówek. W przypadku grzybów ta władza nad mózgiem jest środkiem rozmnażania się: używają nóg mrówki do wspinania się na drzewo, a wysokość pomaga rozprzestrzeniać się zarodnikom przez wiatr; więc znajdują sobie nowe domy i…. nowe mrówki.

Tajski „grzyb zombie” Ophiocordyceps unilateralis zachęca żywiące się nim mrówki do wspinania się po liściach niektórych roślin. Odległość, jaką w tym celu pokonują zarażone mrówki, jest znacznie większa niż odległości w ich normalnym życiu, dlatego po dotarciu do liści owady umierają ze zmęczenia i głodu, a po dwóch tygodniach z ich ciał wyrastają grzyby.

Te stworzenia są chyba najbardziej niesamowite ze wszystkich, jakie widziałem. Uważamy, że produkują one substancje chemiczne podobne do LSD, ale nie natknęliśmy się jeszcze na leki, które indukują zachowania w czyimś interesie. - Profesor David Hughes.

Hughes odkrył grzyby, które kontrolują mózgi pająków, wszy i much.

To nie przypadek, dobór naturalny ani produkty uboczne innego procesu. Te owady są wysyłane wbrew swojej woli tam, gdzie nie powinny, ale grzyby lubią. Kiedy przenieśliśmy zarażone mrówki na inne liście, grzyby po prostu nie wykiełkowały. - Profesor David Hughes

JAK POWSTAŁY ANTYBIOTYKI

Istnieje również pozytywna strona faktu, że grzyby mogą wytwarzać silne trucizny. Niektóre z tych trucizn są skuteczną bronią przeciwko naszym wspólnym wrogom. Na przykład drobnoustroje.

Spośród 160 tysięcy gatunków grzybów, których ciała zawierają złożone związki chemiczne, nauka była w stanie rozszyfrować i odtworzyć tylko 20, a wśród nich znaleziono kilka najważniejszych leków.

Nie bez powodu grzyby wytwarzają leki. Zawsze rosną w najgorszych miejscach, wilgotnych, gorących, w miejscach, które są „fabrykami drobnoustrojów i wirusów”. Większość roślin nie ma ochrony przed tymi czynnikami, ale grzyby są odporne. Znany lek Lipitor, który jest jednym z nielicznych znanych rozwiązań problemów cholesterolu i cukrzycy, został znaleziony w czerwonym chińskim grzybie. A grzyby enoki i shiitake znajdują się w koszyku leków otrzymywanych przez pacjentów chorych na raka w Japonii. - Elinor Shavit, mikrolog.

Niestety, różnorodność leków grzybowych stale się zmniejsza. Powodem jest niszczenie lasów leśnych, zwłaszcza w dorzeczu Amazonki.

Wraz z innymi formami życia niszczymy również grzyby. Liczba ich odmian stale się zmniejsza i niepokoi mnie to z czysto egoistycznych powodów. Świat przedstawił oszałamiający prezent - ogromne naturalne laboratorium do produkcji leków. Od penicyliny po leki na raka, AIDS, grypę i choroby starcze. Starożytni Egipcjanie nie bez powodu nazywali grzyby „bogiem śmierci”. Dziś konsekwentnie niszczymy to laboratorium… - Paul Stemets, mikolog.

Stemets opowiada o grzybie fomitopsis. Odkryty w 1965 roku grzyb ten okazał się skutecznym lekarstwem na gruźlicę, a dziś rośnie tylko w pięciu miejscach w Stanach Zjednoczonych. W Europie ten grzyb już całkowicie zniknął.

Z grupą fachowców kilkadziesiąt razy jeździliśmy do lasów, próbując znaleźć jeszcze kilka podobnych grzybów. Po wielu wysiłkach w końcu znaleźliśmy jedną próbkę, którą udało nam się wyhodować w laboratorium. Kto wie, ile osób uratuje ten grzyb w przyszłości. - Paul Stemets, mikolog.

W zeszłym roku Stemets dołączył do programu obrony biologicznej Departamentu Obrony USA i pomógł w poszukiwaniu i ochronie 300 rzadkich gatunków grzybów.

Przeprowadziliśmy eksperyment: zebraliśmy cztery sterty śmieci. Jeden był używany przez nas jako kontrola; w pozostałych dwóch dodaliśmy substancje chemiczne i biologiczne rozkładające odpady; nad tym ostatnim spryskano zarodniki grzybów. Wracając dwa miesiące później, znaleźliśmy trzy ciemne, cuchnące hałdy i jedną jasną, porośniętą setkami kilogramów grzybów… Część toksycznych substancji zamieniła się w organiczne. Grzyby zwabiły owady, złożyły jaja, z których wykluły się gąsienice, a potem pojawiły się ptaki - i cała ta kupa zamieniła się w zielone wzgórze pełne życia. Kiedy próbowaliśmy zrobić to samo w zanieczyszczonych rzekach, zauważyliśmy proces oczyszczania się z trucizn. Oto, co warto odkryć! Być może wszystkie nasze problemy związane z zanieczyszczeniem można rozwiązać za pomocą odpowiednich grzybów. - Paul Stemets, mikolog.

GDZIE JEST MÓZG?

„Według szacunków działa podobnie u grzybów” – mówi Toshiyuki – „Z czysto biologicznego punktu widzenia, każda pajęczyna indywidualnie otrzymuje chemiczne sygnały o tym, gdzie iść i czego unikać. Suma tych sygnałów tworzy rodzaj systemu decyzyjnego. Innymi słowy, inteligencja grzyba tkwi w jego sieci. Dodaj do tego miliony lat ewolucji w najtrudniejszych warunkach, pomnożone przez setki tysięcy różnych gatunków, a otrzymasz coś, co i tak powinno być wystarczająco inteligentne.”

- A to jest twoje wyjaśnienie tego, co się dzieje?

- To jest początek.