Мережі міцелію — Інтернет природи під землею

1. Що таке міцелій — структура грибної мережі

Гриб відноситься до міцелію так само, як яблуко до дерева — це видиме плодове тіло величезного прихованого організму. Міцелій — це вегетативне тіло гриба, що складається з розгалуженої мережі ниткоподібних утворень, які називаються гіфами. Кожна гіфа типово має діаметр 2–10 мікрометрів (тонша за людську волосину) з жорсткими клітинними стінками з хітину.

Гіфи ростуть виключно на своїх кінчиках (апікальний ріст) зі швидкістю від 1 мм/добу у повільно зростаючих видів до кількох сантиметрів на добу у швидких колонізаторів. Масштаб міцеліальних мереж вражає: одна чайна ложка здорового лісового ґрунту містить до кількох кілометрів гіф. Найбільший відомий організм на Землі — Armillaria ostoyae в Малер-Нешнл-Форест в Орегоні, чий міцелій займає 965 гектарів і, за оцінками, має вік 8 650 років.

2. Wood Wide Web — мікоризні зв'язки

Понад 90% видів наземних рослин утворюють симбіотичні відносини з грибами — мікоризні асоціації. Гриб колонізує коріння рослин і поширює свої гіфи далеко в навколишній ґрунт — іноді у сотні разів далі, ніж власне коріння рослини. Рослина фотосинтезує і постачає гриб цукрами — до 30% фотосинтату може надходити до грибних партнерів. Натомість гриб розширює доступ рослини до води і мінералів, особливо фосфору.

Еколог Сюзанна Сімар довела у 1997 році, що вуглець, зафіксований одним деревом, може переміщатися через мікоризну мережу до сусіднього дерева — перший експериментальний доказ концепції «Wood Wide Web». Вона використовувала радіоактивний вуглець-14: берези фіксували ¹⁴C, який згодом виявлявся в тінистих деревах Дуглас фір, з'єднаних тією ж мікоризною мережею.

3. Анастомоз — самовідновлення і ріст мережі

Ключовий процес, що перетворює просте деревовидне розгалуження на справжню мережу з петлями та надмірністю, — це анастомоз: злиття двох гіф в єдину безперервну трубку. Анастомоз відбувається, коли дві гіфи сумісних штамів ростуть назустріч одна одній (хемотропізм), стикаються, розчиняють стінки в точці контакту і зливають цитоплазму. Це утворює нове з'єднання — петлю, що забезпечує надмірність.

Дослідження Ліна Боді та колег у Кардіфському університеті показали, що грибні мережі досягають майже оптимального балансу між ефективністю транспорту, стійкістю до пошкоджень і мінімізацією витраченого матеріалу:

Зрілі грибні мережі досягають показників ефективності, порівнянних з токійською залізничною мережею і мережами слизової плісняви, описаними нижче, — усе це без центрального управління і без плану.

4. Транспорт поживних речовин — цитоплазматичний струм

Поживні речовини, вода і сигнальні молекули розподіляються у міцеліальній мережі через цитоплазматичний струм (масовий потік): цитоплазма разом з органелами і розчиненими молекулами тече крізь трубки гіф. Рушійна сила — перепади осмотичного тиску у поєднанні з дією моторних білків (міозину) вздовж актинового цитоскелету.

У аскоміцетів поперечні стінки — септи — ділять гіфи на відсіки з центральною порою. При пошкодженні кристалічні тільця Воронена швидко затикають ці пори, ізолюючи пошкоджений відсік — біологічний автоматичний вимикач.

5. Physarum polycephalum — слизова пліснява-інженер

Physarum polycephalum — не справжній гриб, а слизова пліснява, але вона утворює вражаюче схожі грибоподібні мережі, що стали еталонною моделлю для вивчення біологічного мережевого інтелекту. У вегетативній фазі Physarum — єдина багатоядерна клітина (плазмодій), що може покривати десятки сантиметрів.

У знаковій статті в Science 2010 року Накагакі та колеги розмістили джерела їжі, що представляли великі станції токійської залізничної мережі, на агаровій пластині і засіяли Physarum у позиції центру Токіо. За 26 годин слизова пліснява утворила мережу зв'язків між усіма джерелами їжі, що тісно нагадувала реальну токійську залізничну карту — включно з надмірними петлями навколо найнавантаженіших з'єднань.

6. Електрична сигналізація у грибів

У 1992 році Адамацький та колеги виявили, що грибні гіфи генерують і поширюють електричні потенціали дії — швидкі стрибки мембранної напруги, аналогічні нервовим імпульсам тваринних нейронів. У 2022 році Адамацький опублікував записи електродів у міцелії устричних грибів (Pleurotus djamor), що показали ритмічні серії електричних спайків з частотами 0,5–2 Гц і амплітудами 0,5–2 мВ.

Чи є ці електричні спайки справжньою обробкою інформації, чи лише метаболічними осциляціями — активно дебатується. Встановлено, що вони існують, поширюються і реагують на стимули навколишнього середовища.

7. Грибні обчислення — чи може міцелій мислити?

Дослідники продемонстрували, що плазмодії Physarum можуть реалізовувати логічні вентилі. Проєктуючи геометрію джерел їжі та бар'єрів, експериментатори змусили плазмодій виробляти виходи (товщина трубки або напрямок росту), що кодують функції логіки AND, OR і NOT — повний набір логічних примітивів, достатній теоретично для універсальних обчислень.

У 2021 році дослідники з Інституту Макса Планка показали, що Physarum демонструє форму розподіленої пам'яті: навчившись на регулярних імпульсах несприятливих умов, плазмодій передбачав наступний імпульс, заздалегідь уповільнюючи ріст — навіть коли імпульс запізнювався або був пропущений.

8. Застосування у біоінженерії

Компанії на зразок Ecovative Design вирощують композитні матеріали на основі міцелію, поєднуючи сільськогосподарські відходи з грибним інокулятом. Отриманий матеріал — повністю біорозкладний, вогнестійкий, з відмінними акустичними й теплоізоляційними властивостями.

Багато грибів, особливо Trametes versicolor, виділяють потужні окисні ферменти (лакази, пероксидази), що здатні розкладати забруднювачі навколишнього середовища: поліциклічні ароматичні вуглеводні, пестициди і деякі важкі метали. Міцелій-ремедіація (мікоремедіація) використовує грибний міцелій для знезараження забруднених ґрунтів і вод за витратами, значно нижчими за традиційне хімічне очищення.