ببینید: جانوران شگفت‌انگیزی که خاک را زنده می‌کنند

مشتی خاک از جنگل سیاه آلمان، تونگاس در آلاسکا یا وایپوا در نیوزیلند بردارید. آن را به چشمان خود نزدیک کنید. چه می‌بینید؛ صد البته خاک — نرم، غنی و تیره مانند کاکائو. سوزن‌های کاج و برگ‌های در حال تجزیه. تکه‌های خزه یا گلسنگ. تیغه‌های زیر کلاهک قارچ. یک کرم خاکی که از نور فرار می‌کند، یا یک مورچه که از تغییر ناگهانی ارتفاع گیج شده.

سو گری‌استون (Sue Grayston) می‌داند که چیزهای بیشتری در کار است.

علاقهٔ طولانی گری‌استون به خاک از حیاط خانهٔ او آغاز شد. او کودکی خود را در استاکتون-آن-تیز انگلیس به کمک به مادرش در کاشتن دانه‌ها در رسیدگی به درخت‌های سیب، گل‌های رز و رویواس در حیاط می‌گذراند. گری‌استون عاشق بئاتریکس پاتر نویسنده بود — نه فقط به خاطر کتاب‌هایش دربارهٔ خرگوش‌های بدجنس، بلکه به خاطر نقاشی‌های علمی‌اش از قارچ‌ها و شکل‌های شگفت‌انگیزی که در خاک به خود می‌گیرند.

گری‌استون در دانشگاه، جایی که به میکروسکوپ دسترسی داشت، جذب منظومهٔ جانورانی شد که با چشم غیر مسلح دیده نمی‌شوند. او می‌دانست که هدف خود را پیدا کرده.

گری‌استون بعد از اخذ PhD در رشتهد اکولوژی میکروبی از دانشگاه شفیلد در سال ۱۹۸۷، در یک کمپانی بیوتکنولوژی کشاورزی در ساسکاتون ساسکاچوان و سپس در یک شغل تحقیقاتی در انستیتوی پژوهش کاربردهای زمین مکالی (که امروزه انستیتوی جیمز هاتن نام دارد) در اسکاتلند مشغول به کار شد.

او در آنجا با اکولوژیست‌های گیاهی مشغول به کشت دانه‌هایی شد که حرفهٔ او را برای همیشه تغییر دادند: ارتباطات پیچیده بین کوچکترین و بزرگترین ساکنان خاک، میکروب‌ها و درختان.

گری‌استون و دیگر اکلوژیست‌ها با ترکیب مطالعات محلی نوآورانه و تکنیک‌های پیچیده در توالی‌یابی ژنتیکی تصویری غنی‌تر از رازهای پنهان در کف جنگل‌ها به ما داده‌اند — ناحیه‌ای عمدتا نامرئی که بدون آن اکوسیستم فرو می‌پاشد.

گری‌استون می‌گوید «بخش زیادی از تنوع زیستی زیر زمین است، اما ما در طول تاریخ چیز زیادی دربارهٔ آن نمی‌دانسته‌ایم. این وضع در دو دههٔ گذشته شروع به تغییر کرده است.»

در اعماق زیر سایبان‌های برگی بسیاری از جنگل‌ها، تارهای قارچ‌های رشته‌ای ریشه‌ها را در یک شبکهٔ میکوریزایی (mycorrhizal) به هم پیوند می‌زنند که ریشه‌ها می‌توانند از طریق آن آب، غذا و اطلاعات را مبادله کنند.

آمیب‌های تک‌سلولی به گلوله‌های شکل‌پذیری به نام کپک مخاطی تبدیل می‌شوند که درون خاک تراوش می‌کنند و به شکار قارچ‌ها و باکتری‌ها می‌پردازند.

بندپایان ریز که با نام دم‌فنری شناخته می‌شوند، با سرعت در محیط جابجا می‌شوند و گاهی اوقات جهش‌هایی به اندازهٔ ۲۰ برابر طول بدن خود در کسری از ثانیه انجام می‌دهند.

مایت‌های شاخکدار (پَزدَکان) که هر کدام به اندازهٔ یک دهم یک عدس هستند، در جاهایی که برای آن‌ها حکم کوه‌ها و دره‌ها را دارد جابجا می‌شوند — این موجودات در طول عمر معمول خود که حدودا یک سال و نیم است، تنها مسافتی به اندازهٔ نصف یک خط بولینگ طی می‌کنند.

جانوران دیگر به قدری کوچک هستند که تنها از طریق پیچ و تاب خوردن یا دست و پا زدن در پوششهای نازک آب اطراف گیاهان و ذرات خاک می‌توانند جابجا شوند. موجوداتی عجیب و غریب نظیر کرم‌های لوله‌ای شفاف و نودل مانند؛ چرخان‌تباران با با تاج‌هایی جنبنده از جنس فیبرهای مویی که غذا را به درون بدن گلدان مانند خود می‌کشند؛ و خرس‌های آبی که شبیه پاستیل‌های خرسی هشت‌پا هستند با پنجه‌ها و لوله‌های مکش تیز به جای دهان.

پروتوزوئاها از این هم کوچکتر هستند؛ گروهی متنوع از ارگانیسم‌های تک‌سلولی که گاهی با لرزاندن زائده‌های متعدد خود یا با خم کردن بخش‌های ژلاتینی درون خود حرکت می‌کنند.

همچنین کف جنگل مملو است از باکتری‌ها و آرکی‌ها — موجوداتی که ظاهرا شبیه به باکتری ها هستند، اما قلمرو حیات مخصوص خود را دارند. یک گرم خاک جنگل می‌تواند یک میلیارد باکتری، یک میلیون قارچ، صدها هزار پروتوزوئا و حدود هزار کرم لوله‌ای داشته باشد.

برخلاف چیزی که زمانی تصور می‌شد، خاک ماده‌ای منفعل نیست که درخت‌ها و دیگر گیاهان تنها در آن ریشه بدوانند و چیزهای مورد نیاز خود را استخراج کنند. روز به روز روشن‌تر می‌شود که خاک شبکه‌ای پیچیده از زیستگاه‌ها و ارگانیسم‌ها است — پرده‌ای عظیم و همواره متغیر که با رشته‌های گونه‌هایی بی‌شمار بافته شده. خاک خود یک موجود زنده است.

گری‌استون و دیگر اکولوژیست‌ها حالا ادعا می‌کنند که این فهم مدرن نیازمند تغییراتی عمیق در علم جنگل‌داری است.

آن‌ها کشف کرده‌اند که رویهٔ متداول که در آن درختان یک ناحیه به کلی قطع می‌شوند آسیبی بسیار بیشتر از چیزی که پیش‌تر تصور می‌شود دارد. در نظر گرفتن تغییراتی که افتادن یک درخت در سطح جنگل ایجاد می‌کند کافی نیست. جنگل داری برای این که واقعا پایدار باشد، باید با عواقب قطع درختان برای تمام موجوداتی که زیر خاک هستند دست و پنجه نرم کند.

میلیاردها سال قبل، زمین هیچ خاکی نداشت — تنها پوسته‌ای سنگی بود که باران، باد و یخ به تدریج آن را می‌فرسودند. وقتی میکروب‌ها، قار‌ها، گلسنگ‌ها و گیاهان روی زمین گسترده شدند، فرسایش سنگ‌ها را از طریق حفر کردن آن، حل کردنش با اسیدهای ترشح شده و شکستن آن با ریشه‌ها شتاب دادند.

همزمان، تجزیهٔ بقایای موجودات زنده پوستهٔ سنگی را با مواد ارگانیک غنی کرد. خاک‌های آشنای جنگل اولین بار در دوران دوونین (Devonian) روی زمین ظاهر شدند — بین ۴۲۰ تا ۳۶۰ میلیون سال قبل.

امروزه حیات در تمام اکوسیستم‌های زمینی از خاک حفاظت و نگهداری می‌کند. کف جنگل پر است از مواد مغذی ضروری؛ مانند کربن، نیتروژن، فسفر و پتاسیم. گری‌استون و همکارانش اشاره می‌کنند که بدون فعالیت روزانهٔ موجودات ریز بسیاری از این عناصر در محل خود زندانی می‌شوند یا غیر قابل دسترسی خواهند بود.

وقتی گیاهان با فوتوسنتز انرژی خورشید را به مولکول‌های غنی از کربن تبدیل می‌کنند، بخشی از این مولکول‌ها را از طریق ریشه وارد خاک می‌کنند؛ جایی که میکروب‌ها و قارچ‌ها به مصرف آن‌ها می‌پردازند. در عوض، قارچ‌های میکوریزایی و برخی از میکروب‌های متصل به ریشه به گیاه در جذب آب و مواد مغذی کمک و گونه‌های شیمیایی سرکش نیتروژن را به مولکول‌هایی تبدیل می‌کنند که گیاه می‌تواند استفاده کند.

وقتی قسمت‌های مختلف گیاهان خشک می‌شوند و می‌میرند، کرم‌ها، بندپایان، قارچ‌ها و میکروب‌ها بافت‌های اغلب مقاوم آن‌ها را به اجزای ریزتر تجزیه می‌کنند و مواد مغذی آن‌ها را به خاک باز می‌گردانند. همزمان، حرکت دائمی حیوانات ریز — همهد خزیدن‌ها، غلتیدن‌ها و تونل کندن‌ها — لایه‌های خاک را با هم مخلوط می‌کند، مواد مغذی را توزیع می‌کند و باعث ورود هوا به خاک می‌شود.

کرم‌ها، لیسه‌ها و بندپایان با بلعیدن مقادیر زیاد خاک، ترشح مواد چسبناک و به جا گذاشتن قرص‌های مدفوعی بادوام، خاک را مملو از مواد ارگانیک می‌کنند و باعث می‌شوند ذرات به هم بچسبند تا ساختار خاک مستحکم شود.

گری‌استون در سال ۲۰۰۰ و هنگام کار برای انستیتوی مکالی (Macaulay Institute)، به توتلینگن سفر کرد — شهری در آلمان و در کنار رود دانوب — تا بتواند به کمک همکارانش به بررسی خاک جنگل سیاه بپردازد. این ناحیهٔ تقریبا ۶۰۰۰ کیلومتر مربعی در جنوب غربی آلمان، که به خاطر جنگل‌های کوهستانی‌اش معروف است، ارزش بالایی برای صنایع چوب‌بری و معدن دارد.

پژوهشگران از چند سایت با راش‌های ۷۰ تا ۸۰ ساله با پوسته‌های انعطاف‌پذیر و نقره‌ای و تنه‌های در هم پیچیده دیدن کردند. راش یکی از متداول‌ترین گونه‌های درخت برگریز در اروپا است که به عنوان هیزم و الوار ارزشمند است. برخی از جاهایی که این تیم از آن بازدید کرد به شدت تحت چوب‌بری بود و بقیه نسبتا بکر بودند.

گری‌استون با استفاده از مته‌های فلزی تکه‌هایی از خاک جنگل را از سایت‌های متفاوت برداشت، نمونه‌ها را در خنک‌کننده ذخیره و آن‌ها را برای بررسی بیشتر به اسکاتلند منتقل کرد. تست‌ها و کشت‌های سلولی نشان دادند که در یک بخش از جنگل، چوب‌بری شدید به طور قابل توجهی از فراوانی میکروب‌ها کاسته است.

این ارتباط وسوه‌برانگیز است اما همزمان جزییات زیادی از آن ناشناخته باقی مانده. با این حال در دو دههٔ گذشته، گری‌استون و دانشمندان دیگر چیزهای بیشتری دربارهٔ وابستگی گیاهان و میکروب‌های خاک و اهمیت این رابطه برای اکوسیستم‌های جنگلی به عنوان یک کل یاد گرفته‌اند.

گری‌استون سال ۲۰۰۳ به ونکوور کانادا نقل مکان کرد تا در دانشگاه بریتیش کلمبیا استاد اکولوژی میکروبی خاک شود و از آن زمان در آن سمت باقی مانده است. او علاقهٔ خاصی به سروهای قرمز بلند این منطقه و مخروطیان مشابه و همچنین قارچ‌های مرالز، چانترلا و دیگر قارچ‌های لذیذی دارد که مانند جایزه‌هایی بین درختان جنگل می‌رویند.

گری‌استون و همکارانش در ونکوور به بررسی این پرداخته‌اند که چگونه روش‌های مختلف جنگل‌داری روی جوامع میکروبی قارچ‌ها اثر می‌گذارند.

بسیاری از پژوهش‌های آن‌ها سه نوع چوب‌بری را با هم مقایسه می‌کنند: قطع کلی، که در آن تمام درخت‌های یک ناحیه بریده می‌شوند؛ نگهداری جمعی، که توده‌هایی از درخت حفظ می‌شوند؛ و نگهداری پراکنده، که درختانی برای بریده شدن انتخاب می‌شوند و توزیع یکسانی از درختان در منطقه باقی می‌ماند.

گری‌استون و همکارانش برای تست سلامت خاک کیسه‌های مشبک نایلونی با ریشه‌های ریز را در توده‌های خاک که به روش‌های مختلف تحت چوب‌بری قرار گرفته بودند، دفن کردند. آن‌ها ریشه‌ها را رها کردند تا جانوران کوچک، قارچ‌ها و میکروب‌ها به تجزیهٔ آن‌ها بپردازند و ماه‌ها یا سال‌ها بعد کیسه‌ها را از خاک در آوردند. سپس در آزمایشگاه پژوهشگران تست‌های مختلفی — مانند توالی‌یابی DNA و اندازه‌گیری سطح مواد مغذی ضروری — اجرا کردند تا ارگانیسم‌های مرتبط با ریشه‌ها و میزان فعالیت‌شان مشخص شود.

در بسیاری از موارد، قطع کامل تنوع گونه‌ای خاک را کاهش داده و چرخهٔ مواد مغذی را متوقف کرده بود. چوب‌بری شدید همچنین به کرات گونه‌شناسی جوامع خاک را تغییر داده و باعث سلطهٔ تعداد اندکی از گونه‌ها شده بود.

اما آسیب همهٔ روش‌های چوب‌بری یکسان نیست. فراوانی، تنوع و فعالیت میکروب‌ها در بخش‌هایی که به طور یکنواخت از تراکم‌شان کم شده بود نسبتا بالا باقی مانده بود. در سایت‌هایی که توده‌های درخت در آن‌ها باقی مانده بودند، پژوهشگران در همسایگی نزدیک توده‌های درخت جوامع فعال و سرزندهٔ میکروب‌ها را شناسایی کردند. با دور شدن از درخت‌های باقی‌مانده، زندگی در خاک کمتر می‌شود.

پژوهش‌های دیگر برای ردگیری کربن در ریشهٔ درخت‌ها آشکار کردند که ناحیهٔ تاثیر یک درخت یا توده‌ای از درخت‌ها — ناحیه‌ای که در آن درخت‌ها فعالانه میکروب‌ها و دیگر ارگانیسم‌های غنی از کربن را تامین می‌کنند — به طور میانگین حدود ۱۰ متر گستره دارد.

نگه داشتن توده‌های درخت در خاکی که بدون آن‌ها عاری از پوشش گیاهی است — حتی توده‌های بزرگ — فایدهٔ چندانی ندارد. بیرون از محدودهٔ ۱۰ متری این جزیره‌های جنگلی، جمعیت میکروبی دچار مشکل می‌شود.

گری‌استون می‌گوید نگهداری پراکنده برای سلامت خاک بهتر است، چون معمولا در هر ۱۴ تا ۱۶ متر یک درخت حفظ می‌شود، که اجازه می‌دهد ریشه‌های آن‌ها و ناحیهٔ تاثیرشان با یکدیگر همپوشانی پیدا کند و کربن برای تمام میکروب‌های جنگل تامین شود.

نگهداری پراکنده و دیگر روش‌های انتخابی در برخی از مناطق دنیا در حال متداول شدن هستند، اما قطع کامل همچنان در آمریکای شمالی به طور گسترده اجرا می‌شود، چون کارایی بیشتری دارد، ارزان‌تر است و تکنولوژی ساده‌تری می‌طلبد. نگهداری جمعی نیز به دلایل مشابه به نگهداری پراکنده ترجیح داده می‌شود.

پتر بالدریان (Petr Baldrian)، میکروبیولوژیست محیط زیستی در آکادمی علوم چک، می‌گوید «ما نیاز به تجدید نظر در رویه‌های جنگل‌داری داریم. قطع کامل اقتصادی است، اما هزینه‌ای سنگین برای خاک دارد. ما باید تعادلی بین نیازهای صنعت و نیازهای جنگل بیابیم.»

گری‌استون دربارهٔ آیندهٔ جنگل‌های زمین — مخصوصا خاک آن‌ها — هیجان‌زده و نگران است. او با رازهای بزرگی که برای کشف شدن باقی مانده است به هیجان می‌آید؛ دلیلی که مطالعهٔ حیات میکروسکوپی را به عنوان حرفهٔ خود برگزید. او می‌گوید «ما تلاش‌های زیادی کرده‌ایم، اما همچنان نمی‌دانیم چه چیزی در زمان‌های مشخص فعال است و کدام ارگانیسم‌ها برای فرایندهای مختلف خاک مهم هستند.»

همزمان، کاهش روز افزون جنگل‌ها در بسیاری از بخش‌های زمین به علت چوب‌بری بیش از حد، مدیریت زمین ضعیف و تنش‌های تغییر اقلیم، برای او یک هشدار به حساب می‌آید. با توجه به این که اکوسیسم‌های دارای همپوشانی زمین اندرکنش‌های بسیار زیادی دارند و برای بقای حیات پیچیده بسیار حیاتی هستند، آسیبی که به درختان و خاک زمین وارد می‌کنیم، در نهایت به خود ما نیز آسیب می‌زند.

گری‌استون می‌گوید «اگر میکروارگانیسم‌های خاک نبودند، تا زانو در بقایا حیوانات و گیاهان فرو می‌رفتیم. بدون آن‌ها حیات روی زمین متوقف می‌شود. آن‌ها می‌توانند بدون ما به حیات خود ادامه دهند، اما ما بدون آن‌ها کار زیادی نمی‌توانیم بکنیم.»