Гриб на пне кажется воплощением неподвижности. Но рядом с его шляпкой воздух может двигаться даже тогда, когда вокруг штиль. Вешенки и некоторые другие грибы способны создать местный поток, который помогает спорам выбраться наружу. Для этого им не нужны ни движущиеся лопасти, ни запас сжатого воздуха. Достаточно испарять воду.
За этим простым ответом скрывается неожиданная история. Чтобы разобраться в ней, учёным пришлось смотреть на грибы через лазерную подсветку, поворачивать шляпки в защищённых от сквозняков коробках и рассчитывать движение воздуха. Оказалось, что привычное разделение на неподвижный организм и окружающую его среду здесь не вполне работает: гриб сам меняет условия своего маленького мира.
Первое препятствие находится под шляпкой
То, что мы обычно называем грибом, представляет собой плодовое тело. Основная сеть тонких нитей, грибница, может оставаться скрытой в древесине или другом субстрате. Плодовое тело связано с размножением: на нём образуются споры, из которых при подходящих условиях начинается новый рост.
Спора гораздо проще семени растения, но задача расселения похожа: оказаться там, где есть возможность продолжить жизнь. При этом успешное отделение от родительского организма ещё не означает успешного путешествия. Между этими событиями лежит несколько физических препятствий.
У пластинчатого гриба споры формируются на поверхностях пластинок под шляпкой. Сначала нужно оторваться от этой поверхности, затем пройти между соседними пластинками и наконец попасть в воздушный поток. Просто упасть вниз иногда недостаточно: плодовые тела могут тесниться друг над другом, а шляпка может находиться совсем близко к земле.
Поэтому вопрос «как гриб распространяет споры» стоит разделить на два. Чем он даёт им первоначальный толчок? И что несёт их после того, как этот толчок исчерпан?
Микроскопическая катапульта
У многих пластинчатых грибов первый этап обеспечивает вода. Возле основания созревшей споры появляется округлая капля, известная как капля Буллера. На поверхности самой споры находится другая, более плоская капля. Когда они соприкасаются и сливаются, высвобождается поверхностная энергия, часть которой превращается в движение.
Спора получает короткий толчок прочь от пластинки. В этом механизме важны не только размеры капель, но и их расположение: такое направление запуска, вероятно, снижает риск повторного прилипания к пластинке. Его физику изучали, в частности, с помощью увеличенных искусственных моделей спор и компьютерных расчётов.
Получается крошечная водяная катапульта. Однако она не отправляет спору сразу через весь лес. Воздух быстро тормозит микроскопическую частицу. В описаниях такого запуска речь идёт о начальном пути порядка десятых долей миллиметра, после которого особенно важным становится окружающее течение.
Здесь и начинается история собственного грибного «ветра». Не следует путать два механизма: слияние капель помогает оторвать спору, а испарение воды помогает создать для неё транспорт.
Как испарение превращается в сквозняк
В ноябре 2013 года Эмили Дрессэр, Маркус Ропер и их коллеги представили на конференции Американского физического общества результаты работы с вешенками и шиитаке. Скоростная съёмка и моделирование показывали: перенос спор возможен даже без подходящего внешнего ветра. Подробная статья этой исследовательской группы вышла в PNAS в 2016 году.
Ключом стало испарительное охлаждение. Для перехода воды из жидкости в пар нужна энергия. Она забирается у влажной поверхности и её окружения, поэтому они охлаждаются. Знакомый бытовой пример: мокрая кожа остывает, пока с неё испаряется вода. Гриб использует тот же физический процесс, хотя у него нет человеческих потовых желёз.
Дальше вступает в дело разница плотностей. При прочих равных охлаждённый воздух плотнее тёплого. Он опускается и растекается, а освободившееся место занимает другой воздух. Возникает естественная конвекция: движение поддерживается различием температур, без механического вентилятора.
Важно представить именно обмен воздухом, а не облачко пара, которое будто бы толкает споры. Если часть воздуха уходит, на её место должна поступить новая. Эти связанные потоки и образуют местную циркуляцию. Шляпка остаётся неподвижной, но пространство под ней уже не обязательно остаётся тихим.
Как отличили грибной поток от случайного
В работе 2016 года шляпки помещали на опоры внутри коробок, защищавших их от внешних течений. Под ними собирали оседающие споры на прозрачную плёнку. Следы выходили за пределы шляпок. Лазерная подсветка и скоростная камера позволяли увидеть движение спор непосредственно.
Одной коробки для доказательства недостаточно: внутри тоже возможны случайные температурные течения. Поэтому исследователи поворачивали гриб, оставляя коробку на месте. Направление переноса поворачивалось вместе с ним. Это связывало наблюдаемый поток с самим плодовым телом, а не только с условиями комнаты.
В зазорах между шляпками вешенок воздух был на 1–2 °C холоднее окружающего. Потоки двигали споры со скоростью порядка сантиметров в секунду. Для нас это едва заметное движение, но в масштабе споры оно существенно.
Форма тоже участвует в работе
Расчёты показали, что важны высота зазора и неравномерность охлаждения. Идеально симметричная модель со столь же равномерным охлаждением переносила споры слабее: входящий и выходящий воздух ограничивали друг друга. Асимметрия позволяла сформироваться более выраженному направленному потоку.
Препятствия тоже меняли картину. Рядом с барьером мог возникать циркуляционный вихрь, поднимавший споры на десять сантиметров и выше. Высота преодолимого барьера при этом ограничена. Это не означает, что холодный воздух сам по себе стремится вверх: подъём связан с общей структурой течения возле препятствия.
Почему это больше, чем забавный трюк
Испарительное охлаждение оказалось интересным и за пределами исследования переноса спор. В 2023 году другая группа учёных подтвердила с помощью инфракрасной съёмки, что исследованные грибы холоднее окружающего воздуха. Похожее охлаждение обнаружили также у колоний плесени и дрожжей. У выращенных вешенок оно наблюдалось на протяжении развития плодовых тел.
Но холодная поверхность сама по себе ещё не доказывает наличие эффективного потока для расселения. Для этого нужны подходящие условия и геометрия. Нельзя перенести результат с нескольких изученных грибов на любой вид в любую погоду.
Более того, грибы умеют приводить воздух в движение по-разному. В отдельной работе 2010 года Ропер и коллеги исследовали некоторых сумчатых грибов: там одновременный выброс множества спор сам создавал воздушную струю. Это иной механизм, не испарительное охлаждение вешенки. Похожий результат не означает одинакового устройства.
Главная перемена в нашем представлении о грибе поэтому не сводится к слову «ветер». Между выпуском споры и её дальнейшим полётом есть небольшой, но важный участок пути, на который организм способен влиять. Он не выбирает будущий пень и не управляет погодой. Однако несколько сантиметров, пройденных благодаря собственному потоку, могут вывести спору из тесного укрытия туда, где её подхватит большой окружающий мир.
Источники
- Dressaire et al. Mushrooms use convectively created airflows to disperse their spores. PNAS, 2016. Открытая версия исследования на arXiv.
- American Institute of Physics: The mushrooms, my friend, are blowing in the wind… Сообщение о результатах, представленных на конференции APS, 2013.
- Dressaire et al. Control of fluidic environments by mushrooms. Доклад APS, 25 ноября 2013 года.
- Liu et al. Asymmetric drop coalescence launches fungal ballistospores with directionality. Journal of the Royal Society Interface, 2017.
- Cordero et al. The hypothermic nature of fungi. PNAS, 2023.
- Roper et al. Dispersal of fungal spores on a cooperatively generated wind. PNAS, 2010.
- OpenStax, College Physics 2e: естественная конвекция.
- OpenStax, Biology 2e: строение и размножение грибов.
