Древняя сила эволюции корней лесных садов

Эволюция корней изменила жизнь на Земле, и их понимание может оказать помощь в выращивании более устойчивых растений. Более 400 миллионов лет назад на участке тонкой почвы крошечное растение сделало нечто революционное: оно отрастило одну из своих ветвей и спустило её к земле. Эта предприимчивая ветвь и последующие стали первыми в мире корнями — и они навсегда изменили жизнь на Земле.

Растения получили совершенно новый набор сверхспособностей, что позволило им добывать воду и питательные вещества под землёй и использовать эти ресурсы, чтобы вырасти до размера дерева, сформировать подземные союзы, направить бесформенное болото в извилистые ручьи и реки, переработать почву и даже изменить природу атмосферы. Эти действия всё ещё происходят прямо у человека под носом, в лесах и парках, на огородах и в цветочных горшках, но учёные и садоводы только начинают раскрывать весь их потенциал и использовать для выращивания более устойчивых растений.

«Корни — это своего рода скрытая половина растений, о которой во многих случаях мало что известно, если только не пропалывать сорняки», — говорит Сэнди Хетерингтон, палеобиолог из Эдинбургского университета и специалист по эволюции корней. И всё же, «мы можем многому научиться, понимая растения на более фундаментальном уровне. И многие вещи, которые мы можем увидеть в ходе эволюции, — это то, что люди действительно могут испытать в своих садах».

Хетерингтон и её коллеги сделали несколько прорывных открытий о корнях благодаря своим исследованиям кремней Райни, исключительно хорошо сохранившихся отложений окаменелостей возрастом 407 миллионов лет, обнаруженных недалеко от деревни Райни, Абердиншир, Шотландия. Кремень, или скала, отражает часть экосистемы на пороге значительной трансформации, давая «застывшее во времени представление о том, каким был бы этот ландшафт», — говорит Хетерингтон. В этой окаменелой экосистеме нет полностью развитых корней. Но одно растение в кремне, Asteroxylon mackiei, имеет своего рода незавершённый корень, что-то среднее между ветвью и корнем. Он растёт вниз, но ещё не имеет корневого чехлика, который защищает кончики современных корней.

По мере того, как этот ранний корень развивается и растёт, он начинает завоёвывать довольно бесплодный, малопочвенный мир вокруг себя. «Существует концепция критической зоны, тонкой оболочки на поверхности Земли, где в основном находится вся жизнь», — говорит Хетерингтон. «Корни есть, и они проектируют и полностью преображают его».

В последующие миллионы лет всё более мощные корни месят поверхность Земли, придавая ей форму, разбивая камни и скрепляя углубляющуюся почву. Критическая зона вырастает всего с пары миллиметров до пары метров и начинает кишеть микроорганизмами. Хетерингтон описывает формирующийся ландшафт гигантских ликофитов, древней группы растений, которые стали относительно необычными и возвышаются над папоротниковидными предками наших современных садовых растений. И всё это произошло в мгновение ока, с точки зрения эволюции.

Со времён кремня Райни, около 407 миллионов лет назад, «мы продвигаемся вперёд, может быть, на 20 миллионов лет или около того, примерно к 380, 390 миллионам лет назад, и внезапно у нас появляются леса и деревья. Таким образом, летопись окаменелостей, по-видимому, указывает на то, что это действительно было время серьёзного развития растительных форм», — говорит Хетерингтон.

Lycophytes - группа, в которую входят A. mackiei из райнских кремней, а также современные воскрешающиеся растения, которые могут выжить при высыхании, - постепенно пустили корни. Семенные растения, группа, в которую входит большинство садовых растений, позже также развили их. Сегодня стратегии и альянсы микробов, разработанные в далёком прошлом, по-прежнему формируют мир, и садоводы используют их для выращивания более продуктивных, питательных и устойчивых растений.

В укромном уголке Королевского ботанического сада в Кью в Лондоне главный огородник Хелена Дав переворачивает небольшой пластиковый горшок с французской фасолью и обнаруживает сплетение белых корней. Между ними усеяны крошечные серовато-розоватые шарики. Их легко спутать с яйцами насекомых или шариками удобрений. Но на самом деле они являются домом для дружественных бактерий, возникших в результате очень старой дружбы.

Бобовые – фасоль, горох, арахис, нут и клевер, например, – образуют симбиотические отношения с бактериями, которые могут фиксировать азот из воздуха и превращать его в аммиак, который растение затем превращает в белки и использует для роста, сохраняя любой избыток в его листья и семена. Солодка, корень, традиционно используемый для изготовления сладостей и сиропов, также является бобовым и обладает такой же способностью связывать азот. В свою очередь, растение содержит бактерии в корневых клубеньках — таинственных крошечных шариках — и обеспечивает их сахарами и кислородом. (Узелки имеют розоватый цвет, потому что молекула, которая связывается с кислородом, называемая леггемоглобином, имеет красный цвет, подобный гемоглобину, который переносит кислород в нашей собственной крови.)

Этим взаимовыгодным отношениям около 60 миллионов лет, по словам Хетерингтон, которая рекомендует искать узелки на корнях клевера при прополке, если вы хотите увидеть их сами. Дав отмечает, что эта дружба играет решающую роль в глобальном питании. «Это действительно важная культура для того, чтобы накормить мир», — говорит она. «Горох, фасоль, нут, они получают больше белка, потому что у них есть это соотношение, поэтому они действительно хороши, если вы придерживаетесь растительной диеты. Вот почему это соотношение действительно важно». Это также означает, что бобовые не нуждаются в азотных удобрениях.

Другие связи ещё старше, такие как микоризный симбиоз, длительная и взаимовыгодная ассоциация между растениями и грибами, образуемая более чем 85% видов растений. Как и корни, грибы только начинают понимать и ценить более полно. «Поскольку грибы живут в основном под землёй, обычно они вне поля зрения, и мы очень мало о них знаем», — говорит Лаура Суз, миколог из Королевских ботанических садов в Кью и Уэйкхерсте, которая изучала их взаимоотношения с растениями в разные экосистемы. «Почва была большим чёрным ящиком на протяжении многих, многих лет».

Исследования Суз и её коллег в Альпах показали, что растения могут образовывать связи с сотнями видов грибов. «Эти грибы, по сравнению с корнями, тоньше и длиннее, поэтому они могут продвигаться дальше от корней, они могут сливаться, проникать в очень маленькие поры и достигать питательных веществ, недоступных для растений. Это особенно важно в суровых условиях с низким содержанием питательных веществ, например, высоко в горах Альп. Они также покрывают очень тонкие кончики корней, поэтому они действуют как физический барьер для вредителей. Так что они действительно помогают им». Взамен растения отдают им сахара в результате фотосинтеза.

Даже в обычном саду, где собраны растения из совершенно разных местообитаний, они образуют сообщества с грибами, а также друг с другом через грибы, связанные своими корнями. Бобовые растения используют микоризные сети для ведения войны, предупреждая друг друга об атаках тли, чтобы ещё не поражённые растения могли подготовить оборону. Растения даже используют такие паутины, чтобы отравить землю конкурентов. Суз говорит, что ключевой фактор не обязательно в том, эволюционировали ли растения вместе, а в том, могут ли они соединяться с одним и тем же типом грибов, подключаясь к одной и той же сети для доступа к питательным веществам. По её словам, такие разные растения, как розы и трава, могут соединяться таким образом.

Так в чём же секрет выращивания сада на основе корней и грибов?

Одно из решений — вернуться во времени — не на миллионы лет, а всего на несколько столетий — к традиционным сообществам, которые изобрели удивительно устойчивый и безопасный для корней способ садоводства.

Некоторые из самых крепких и долговечных садов в мире берут уроки здоровья корней у леса, имитируя его состав из деревьев, кустарников и теневыносливых наземных растений. Указывая на свои грядки и огромные ботанические сады за ними, Хелена Дав объясняет: «Если бы мы все исчезли и не удобряли растения, большие многолетние растения с корнями глубже смогли бы найти пищу». Остатки так называемых лесных садов тысячелетней давности были обнаружены в древних городах майя, где садовники лакомились яблоками и отжимали масло из пальмы кохун.

Спустя столетия после того, как они были заброшены, лесные сады майя всё ещё сохраняли живое присутствие, произрастая из смеси культурных растений, которые отличались от окружающего леса. Другие до сих пор выращиваются лесными садовниками майя. Исследование археологических памятников деревень показало, что в Канаде лесные сады, посаженные коренными общинами, пережили своих смотрителей более чем на 150 лет. Несмотря на то, что они были окружены густыми хвойными лесами, на этих участках по-прежнему росли деревья и кустарники, типичные для местных садов, такие как фундук, яблоня, бузина и клюква.

Одна из основных причин устойчивости лесных садов заключается в том, что они поддерживаются большой сетью живых корней, которые могут добывать воду и питательные вещества глубоко под землёй, а не выдёргиваются и засеиваются заново каждый год. Это означает, что сложная структура почвы не нарушается.

В последние годы среди современных домашних садоводов набирают популярность лесные сады. В мягком климате они могут включать до семи ярусов, с каштанами, грушами или яблонями наверху, а в самом низу съедобные корни, например лакрицы. В промежутке кусты чёрной смородины или крыжовника, почвопокровная клубника, шалфей, мелисса или черемша, вьющийся виноград или настурция тянутся корнями к питательным веществам на разной глубине. Аналогичный подход, называемый агролесомелиорацией, всё чаще используется в сельском хозяйстве путём посадки деревьев между посевами или на пастбищах. Другой безопасный для корней и защищающий почву метод садоводства, который работает для любого типа сада, — это так называемый подход «без копания», которому Дав следует в огороде в Кью. Он включает в себя распространение слоёв мульчи или компоста на поверхности без закапывания.

Удивительно, но не все корни любят свободно перемещаться. По словам Дав, те, которые эволюционировали, чтобы приспособиться к каменистым ландшафтам с небольшим количеством почвы, на самом деле преуспевают в ограниченных условиях, имитирующих эту среду обитания, например, в цветочном горшке. Когда вокруг них слишком много почвы, они не могут впитать всю влагу, почва переувлажняется, и корни загнивают. Только когда корни горшечного растения начинают вращаться вокруг или выпускать маленькие корешки над поверхностью, Дав рекомендует переместить в больший горшок или подрезать корни. Обрезка ограничивает их верхний рост и помогает растению оставаться такого размера, который подходит для горшка и доступной почвы. Такие растения с ограниченным корнем всё ещё могут давать крупные плоды.

Дав рассказывает, как в огороде Кью и соседней коллекции бонсай однажды устроили дружеское соревнование по выращиванию граната. Это было гораздо меньшее дерево бонсай с сильно обрезанными корнями, из которого вырос самый большой гранат. Ключом к созданию этой идеальной среды обитания является изучение истории эволюции растения, которая может сильно отличаться от того, каким мы видим растение сейчас.

Некоторые из теплоустойчивых свойств некоторых видов дикой моркови могут даже помочь нам вывести сорта для меняющегося климата. Если оставить место её полному корню, который намного длиннее мясистой центральной части и сужается до тонкой нити. Внизу находится корневой чехол, который защищает корень и помогает ему исследовать почву. Это было бы выгодно для достижения глубоких запасов воды в каменистой почве, но может быть источником разочарования для садоводов. Если корневой чехол отломан или повреждн, например, при пересадке саженца или если корень ударится о камень, морковь раздвоится и деформируется. Решение состоит в том, чтобы выбрать коренастый сорт, такой как Paris Market или Nantes, выбрать горшок примерно на 5-10 см длиннее, чем готовая морковь, и посеять семена прямо в горшок.

Ограничение корней может сыграть ещё более важную роль в будущем: учёные экспериментировали с ограничением корней на растениях сладкого перца в качестве варианта выращивания продуктов питания в космосе. Идея заключалась в том, чтобы сделать растения маленькими и лёгкими для космических полётов, но при этом производить сочные, богатые витамином С перцы, и, похоже, это сработало. Ограниченные корни привели к более коротким растениям с меньшим пологом — хорошая идея для тесной космической станции — в то время как производство плодов не сильно пострадало. Кстати, в прошлом году астронавтам впервые удалось вырастить острый перец чили на борту Международной космической станции.

Хетерингтон вплёл долгую историю корней в свою повседневную жизнь. Его общий офис и сад заполнены растениями с интересной историей эволюции, такими как папоротники, ликофиты и одно из его любимых деревьев гингко, история которого насчитывает около 200 миллионов лет. И ему до сих пор нравится изучать корни во всём их разнообразии, когда он приводит в порядок свой внутренний дворик, любуясь глубоким стержневым корнем одуванчика в поисках воды или спутанными неглубокими корнями травы, находящей пищу ближе к поверхности.