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问题

菌丝系统是什么？菌丝系统真的像互联网一样在森林土壤下传递信息供养森林吗？

回答
你这个问题问得太棒了！很多人听到“菌丝系统”和“森林大脑”这些说法，觉得很神奇，但又不太明白究竟是怎么回事。咱们就来好好聊聊这个隐藏在土壤下的庞大网络。

菌丝系统：看不见的生命线

首先，我们要明白，菌丝系统是真菌的身体。我们平时看到的蘑菇，其实只是真菌繁殖的果实，就像苹果树上的苹果一样。真菌的“主体”大部分时候是生活在我们看不见的土壤里，它是由无数细小的、像线一样延伸的白色或半透明的丝状结构组成的，这些就是菌丝（hyphae）。

想象一下，一根头发丝如果变得非常非常细，然后又成千上万地纠缠在一起，铺展开来，几乎覆盖了你面前的整个地面，而且还会不断生长、延伸、连接，这就是菌丝系统的大致概念。

这些菌丝非常活跃，它们在土壤中不断探索，寻找食物和水源。它们通过分泌酶来分解复杂的有机物，比如落叶、枯木、动物尸体等等，然后吸收分解后的营养物质。这个过程对于森林的健康至关重要，因为它们是自然界中最重要的分解者之一，将死亡的生物体变成植物可以利用的养分。

菌丝系统真的像互联网一样传递信息和养分吗？

这个问题触及到了菌丝系统最令人着迷的层面，也是科学研究的一个热门领域。答案是：是的，在很大程度上是这样，但又不完全是。

我们用“互联网”来比喻菌丝系统，是因为它确实具备一些类似的功能，而且这个比喻非常形象地抓住了它的核心。

1. 信息传递：

化学信号的传递： 森林里的树木，特别是那些相互靠近的树木，它们根系周围通常会附着着一种特殊的真菌，叫做外生菌根真菌（ectomycorrhizal fungi）。这些真菌的菌丝会延伸到树木根系的细胞外，形成一个巨大的网络，将菌丝与树根紧密连接。这种连接被称为菌根（mycorrhizae）。
什么是“信息”？ 在这个网络中，信息传递的载体主要是化学信号。当一棵树受到病虫害的侵袭时，它可能会释放出一些化学物质，这些化学物质可以通过菌丝网络传递给附近的健康树木。接收到这些信号的树木可能会提前启动自身的防御机制，比如产生抵抗病虫害的化合物，从而提高生存几率。这就像互联网上的数据包，传递着“警报”和“防御指令”。
资源的共享： 有时候，一个区域的某些树木可能拥有更充足的阳光或水源，而另一些则相对贫乏。通过菌丝网络，富裕的树木可以将它们多余的糖分（通过光合作用产生的）输送给那些资源匮乏的树木，尤其是一些幼小的、还没长大的树苗，它们通常无法通过自己的根系获取足够的养分，就依靠这个地下网络获得生存下去所需的能量。这就像互联网上的带宽共享，让整个网络更有效率。

2. 养分传递：

作为“中介”： 菌丝系统在这方面扮演着至关重要的角色。如前所述，菌丝能将土壤中复杂的有机物分解成植物可吸收的简单养分，比如磷、氮等。然后，这些养分就被菌丝吸收，并通过它们庞大的网络，输送到与真菌共生关系的树木根系附近。
“以物易物”的交易： 实际上，这是一种互利共生的关系。真菌通过菌丝网络帮助植物获取养分和水分，而植物则通过根系向真菌提供光合作用产生的糖分。这是一个精密的“交易”系统，确保了双方的生存和繁荣。

为什么说“不完全是互联网”？

虽然“互联网”的比喻很贴切，但也要明白它的局限性：

并非主动的“社交网络”： 人类在互联网上可以主动搜索信息、发送邮件、与特定的人交流。菌丝系统的连接和信息传递更像是一种被动的、基于化学梯度和物理连接的扩散和响应。信号的传递不是主动的“聊天”，而是更类似于激素在生物体内的传递，或者某种物质在土壤中的扩散。
网络连接的“智能性”： 互联网是有高度组织和可编程的智能系统。菌丝系统虽然也能产生复杂的行为，但其“智能”更多体现在其集体行为和适应性上，而不是像电脑程序那样有明确的指令和判断。它是一种“集体智慧”的体现，但与我们理解的人类技术智慧是不同的。
传输的速度和带宽： 尽管菌丝系统可以快速传递信号，但其速度和信息量肯定无法与现代光纤互联网相比。它更像是一种低功耗、高效率的生物信号和物质传输系统。

总结一下，菌丝系统就像一个庞大的、相互连接的地下网络，它通过真菌的菌丝将森林中的许多植物连接起来。它确实能够传递化学信号，帮助植物预警危险，并促进养分在植物之间（尤其是与幼苗之间）的转移。从这个意义上说，它确实在很大程度上扮演着信息和养分传递者的角色，维系着森林的健康与活力。

这个地下网络的存在，让我们对森林的理解不再是孤立的个体集合，而是一个高度互联、互相依赖的生命共同体。这就像是森林的“生命之网”或“地下心脏”，悄无声息地跳动着，支撑着整个生态系统的运转。

下次你走进森林，可以想象一下脚下这片看不见的、充满活力的菌丝网络，它们正默默地工作着，让这片土地生机勃勃。是不是觉得，大自然的设计，比我们想象的还要精妙得多？

网友意见

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真菌菌丝是真菌的线状结构，细长、可分支，是多数真菌的结构单位、营养生长的主要模式[1]。

菌根是土壤真菌和植物根系形成的共生体（通常是互利共生），于1885年首次发现，现在知道约有34万种陆生植物与真菌以菌根形式共生——你平时看到的树、灌木、野草、水稻、小麦、玉米、土豆等都包括在内。根据化石记录[2]和分子钟，菌根这种构造的历史至少可追溯到4.07亿年前（泥盆纪）至4.6亿年前（奥陶纪）。

菌丝系统，或曰菌根网络，是土壤中的真菌形成的连接多株植物的大规模丝网状构造（后详）。

  • 真菌可扩大植物根系的吸收面积并分泌有机酸、酶来分解土壤中的营养物质，将氮、磷、水高效率地带到植物根部，植物则将光合作用产生的碳水化合物等输送到真菌菌丝内，为真菌提供稳定的碳供应。
  • 真菌合成的代谢产物可以发挥激素类作用，提高植物对病虫害、干旱、盐碱、重金属等的耐受力。
  • 至于传递信息，这方面的研究是有的，但真菌的传递效果完全无法和互联网相比——这只是不严谨的类比。

植物间传递信息主要靠气味，也就是挥发性有机化合物。可以释放到空气里或分泌到根系周围。

  • 植物通过气味进行通讯的现象已经在很多植物身上得到了反复验证[3]，包括大麦、绢蒿、桤木、柳树等各式各样的物种。
  • 从1983年[4]开始，就有科学家声称树木可以彼此警告食叶昆虫即将到来。
  • 金合欢树会产生丹宁酸以阻止动物啃食自己，被啃过的金合欢树叶会释放一种气味，周围其他金合欢树会识别出这种气味，在捕食者到来前释放出丹宁酸。直接用剪子切掉叶片则不会导致这种气味释放。
  • 已经有实验证明植物用挥发性有机化合物呼叫食肉昆虫。

植物间传递信息的次要手段是电信号，主要在土壤里传递。土壤真菌的菌丝网络可以改善植物在地下传递化学物质和电信号的效率，但对信息传递来说并非必不可少[5]。植物在空气中传递的电波[6]目前研究得还很少。

  • 实验证明在番茄根系之间[7]、卷心菜根系和芦荟根系之间[8]可以发射类似的电信号，这种交流是可以跨物种的。

根据宏观形态和解剖学特征，现存的菌根可分为外生菌根、丛枝菌根、内外生菌根、兰科菌根、浆果鹃类菌根、水晶兰类菌根[9]、欧石楠类菌根这7个类型。全球每年约有50亿吨光合作用产物通过菌根真菌固定到土壤中，对地表生态系统的碳氮平衡有重大作用。菌根和菌丝网络也起到了储水、固定土壤、分解生物遗体的作用。

丛枝菌根（AM）生物量占已知菌根的72%，常见于热带森林、温带森林、草原，与大多数陆地植物共生。其菌丝在土壤中延伸、在植物根系细胞间隙中生长，有些还会插入植物根细胞。“丛枝”指真菌菌丝在植物根系的皮层细胞间隙生长并穿透皮层细胞形成的分枝状菌丝，该结构便于真菌吸收植物合成的养分。

丛枝菌根的样子举例：

不同种类的AM真菌有些擅长为植物提供营养，有些擅长保护植物免受疾病和食草动物的侵害。一些实验证明，将AM真菌引入森林退化或受干扰的地带，植物多样性可增加约70％，促进原生植物的恢复，并抑制外来杂草入侵。

外生菌根（EM）生物量占已知菌根的2%，与松科、山毛榉科、龙脑香科等重要的造林植物共生，其菌丝在植物根系外生长形成包裹根尖的菌鞘，还可包裹植物根部皮层内部细胞、形成哈氏网，并会在潮湿的地表附近形成子实体（蘑菇）、伸到地上。已知超过2万种真菌可形成外生菌根，人类能吃的蘑菇绝大多数包括在内[10]——当然，毒蘑菇也可以产生外生菌根。

外生菌根的表生菌丝会在土壤和植物碎屑间形成巨大的网络，题目谈到的菌丝系统大抵是指这个。

外生菌根的样子举例：

中科院成都生物研究所森林过程与调控项目组张子良博士在刘庆研究员和尹华军研究员的指导下，以外生菌根高度共生的西南亚高山针叶林（人工云杉林和天然针叶林）为研究对象，采用不同孔径的内生长管原位区分根系和外延菌丝并结合稳定同位素技术，定量辨识根系碳/菌丝碳输入通量，量化根系碳/菌丝碳这两种碳输入途径对土壤碳、氮转化过程的作用与相对贡献大小。

  • 研究发现，森林根系/菌丝碳输入对土壤碳、氮过程影响效应差异明显。具体而言，外延菌丝碳输入途径对土壤中新碳的贡献可达65%，远高于根系碳输入途径。
  • 进一步分析发现，虽然来源于菌丝/根系的新碳输入诱导了相似的激发效应方向，但外延菌丝碳输入诱导了更大的激发效应强度，约为根系碳输入激发效应强度的2倍。亚高山针叶林菌丝碳输入对土壤氮矿化的促进作用贡献约80%。同位素标记试验进一步发现，森林外延菌丝/根系途径对土壤氮源吸收的影响有明显的差异。

总体而言，该区植物主要通过根系途径吸收氮，但外延菌丝对有机氮源的吸收贡献明显，且非生长季菌丝途径对有机氮源吸收贡献进一步增加[11][12][13]。


好话说完了。一部分菌根是弱致病性的，真菌从植物身上抽取了比共生品种更多的营养物质。另一些真菌的根状菌丝束并不打算为植物提供营养，它们只是在分解死掉的植物并寄生于还没死透的植物罢了，例如蜜环菌可以接连不断地杀死植物并蔓延。一些腐生植物可以分解接触到的真菌菌丝来获得营养，例如天麻在环境适宜时可以分解蜜环菌的菌丝（环境不利则天麻会被蜜环菌拆掉）。

参考

  1. ^ “大多数”意味着还有一些例外。酵母菌没有菌丝。一些原核生物（例如放线菌）也有线状的身体结构，也被称作菌丝。
  2. ^ https://dx.doi.org/10.1073%2Fpnas.91.25.11841
  3. ^ https://doi.org/10.1111/ele.12205
  4. ^ Rhoades, D.F. (1983). Responses of alder and willow to attack by tent caterpillars and webworms: evidence for phenomonal sensitivity of willows. In: Plant Resistance to Insects, Symposium Series 208. (ed Hedin, P.A.). American Chemical Society, Washington D. C., pp. 55–68.
  5. ^ https://www.sciencealert.com/do-trees-talk-to-each-other
  6. ^ https://www.uah.edu/news/items/detection-of-electrical-signaling-between-tomato-plants-raises-interesting-questions
  7. ^ https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1567539418300501
  8. ^ https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/19420889.2020.1757207
  9. ^ 水晶兰的菌根为它提供了碳（水晶兰不进行光合作用）。
  10. ^ 外生菌根大多分布于北温带，其中包括人们爱吃的松露、松茸、蒙古口蘑等，这些真菌都生长在松树、桦树等树种形成的树林中。
  11. ^ https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0038071718301718
  12. ^ https://besjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/1365-2435.13236
  13. ^ https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071719301725

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