EKOLOZI TLA KAO DETEKTIVI OTKRIVAJU TKO KOGA ILI ŠTO JEDE U TLU
Slika 1: Organizmi u tipičnoj hranidbenoj mreži tla. (A) Mreža ishrane sadrži osnovne izvore hrane, poput korijenja biljaka i mrtvih organizama, kao i primarne i sekundarne potrošače od kojih su neki predatori. Strelice pokazuju tko konzumira što ili koga. Imajte na umu da su primarni potrošači izvor hrane za sekundarne potrošače, koji su i sami izvor hrane za predatore. (B) Ovdje možete vidjeti primjere primarnih, sekundarnih potrošača i predatora tla.
Slika 2: Određivanje što organizmi tla jedu na temelju markera masnih kiselina. (A) Životinje u tlu imaju različite vrste masti u svojim tijelima, ovisno o izvorima hrane koje jedu, kao što su bakterije, gljivice ili mrtvo lišće. (B) Masti se mogu ekstrahirati (ukloniti) iz tih životinja u obliku masnih kiselina. (C) Te se masne kiseline zatim mogu analizirati pomoću opreme koja se naziva plinski kromatograf. Podatci iz plinskog kromatografa omogućuju znanstvenicima otkrivanje što su jeli organizmi u tlu.
Slika 3: Životinje su razvile načine za rješavanje problema hranjenja u tlu. (A) Male rupe u tlu pružaju mjesto za male organizme u tlu (nematode, protisti, i bakterije) kako bi se sakrili od životinja koje ih jedu. (B) Kako bi dosegla svoj plijen, ameba (vrsta protista) može ispružiti ruku dugu 20 mikrometara i široku 1 mikrometar za hvatanje bakterija skrivenih u malim rupama u tlu. (C) Skokuni su fleksibilni u pogledu izvora hrane koju konzumiraju, što im omogućuje da svaki dan nešto jedu. (D) Gujavice gutaju tlo zajedno s hranom i probavljaju bakterije i gljivice sadržane u progutanom tlu. Takvo hranjenje također stvara put kroz labirint tla, olakšavajući im putovanje kroz njega. Zapamti 1 mikrometar je 1000 puta manji od 1 mm.
Open PDF in new window.
Amandine Erktan 1*, Melanie M. Pollierer 1 and Stefan Scheu 1,2
1Institut za zoologiju i antropologiju JF Blumenbach, Sveučilište u Göttingenu, Göttingen, Njemačka
2Centar za bioraznolikost i održivo korištenje zemljišta, Sveučilište u Göttingenu, Göttingen, Njemačka
Jeste li ikada primijetili da se mrtvo lišće nikada ne nakuplja u šumama? Za tu uslugu možemo zahvaliti timu za čišćenje – maleni reciklatori koji žive u tlu. Mrtvi organizmi njihov su izvor hrane, a oni ih recikliraju tako da ih jednostavno pojedu. Znati tko jede što ili koga u tlu bitno je za razumijevanje ove mašinerije za recikliranje. Ali to je teško znati jer su mnoge životinje u tlu malene, skrivene u tlu i ne mogu nam reći što su jele! Kako bi zaobišli te poteškoće, ekolozi tla razvili su posebnu metodu. Oni prate specifične markere bakterija, gljivica i biljaka u masti životinja i stoga mogu identificirati čime su se hranili. Neke životinje konzumiraju različitu hranu iz široke palete izvora, a druge su specifičnije. Nevjerojatno je kako su mnogi organizmi razvili fantastične strategije za hranjenje u tlu, jer pronaći hranu u tako mračnom labirintu nije tako lako!
ZAŠTO JE VAŽNO RAZUMJETI TKO KOGA ILI ŠTO JEDE U TLU?
Jeste li ikada primijetili da nikada ne vidimo ogromne hrpe mrtvog lišća koje se nakupljaju u šumi? Također se vrlo rijetko može naići na mrtvu životinju kako leži na šumskom tlu. To bi nas trebalo potaknuti da postavimo pitanje "tko čisti šumsko tlo?" U gradovima komunalni radnici uklanjaju svo suho lišće. U šumi posao obavlja tim sićušnih reciklatora koji živi u tlu. Za ove male životinje u tlu, mrtvi organizmi su izvor hrane, te oni recikliraju lišće i druge mrtve stvari tako što ih jednostavno jedu. Kada životinje u tlu vrše nuždu (što znači kakaju), one oslobađaju hranjive tvari koje biljke mogu koristiti za rast. Ili, veće životinje jedu male životinje u tlu, a to omogućuje većim životinjama da rastu. Ovaj proces omogućuje recikliranje hranjivih tvari i neophodan je za pomoć biljkama u rastu. Također je vrlo važno za ljude, budući da nam biljke daju obilje dobara, poput hrane kao što su povrće, žitarice i voće, a također i drvo za izradu namještaja i kuća. Razumijevanje tko troši što u tlu ključno je za razumijevanje ovog dragocjenog stroja za recikliranje.
KAKVA JE HRANA U TLU … I ŠTO JE HRANIDBENA MREŽA TLA?
Kakva se hrana nalazi u tlu? Kopanjem po tlu u šumi nećete naći tanjur sa špagetima Bolognese! O ovakvoj hrani, naravno, ne govorimo! U tlu su osnovni izvori hrane mrtva tkiva biljaka i drugih organizama (odumrlo lišće ili mrtvi organizmi tla bilo koje veličine) i korijenje biljaka (Slika 1A). Ove osnovne izvore hrane uglavnom konzumiraju bakterije i gljivice, tzv. primarni potrošači. Same gljive i bakterije glavni su izvor hrane za veće organizme, kao što su protisti, nematode, skokuni i grinje (oko 0.1–2 mm; slika 1). Ove organizme ponovno jedu veći grabežljivci (veličine nekoliko milimetara), kao što su stonoge i pauci (Slika 1B). Gujavice također uglavnom jedu bakterije i gljivice, ali ih na poseban način jedu zajedno sa tlom (Slika 1B). Ovo je nešto kao kad biste jeli hranu na tanjuru zajedno s tanjurom!
Iako neke životinje u tlu, poput skokuna ili nematoda, uglavnom jedu sićušna živa bića poput bakterija i gljivica, mogu jesti i biljna tkiva, posebice korijenje ili hranjivu tekućinu koju ispušta korijenje. Sve u svemu, postoji mnogo izvora hrane u tlu, od biljnih do životinjskih tkiva i od mrtvih do živih organizama, a većina organizama u tlu konzumira nekoliko od tih izvora hrane. Sve poveznice tko što konzumira ili koga naziva se hranidbena mreža tla (Slika 1A).
KAKO PROUČAVAMO HRANIDBENE MREŽE U TLU?
Unatoč svim istraživanjima koja su se dogodila posljednjih desetljeća istraživači još uvijek malo znaju o tome tko što ili koga konzumira u tlu. Ovaj nedostatak znanja je zato što su životinje u tlu sićušne, skrivene u tlu, i ne mogu nam reći što su jele! Kako bi znali tko što konzumira u tlu, istraživači moraju raditi kao detektivi. Razvili su zanimljivu metodu: proučavaju masnoću životinja u tlu (slika 2). Kada nešto pojedete, hrana vam služi kao izvor energije, tako da možete rasti i biti aktivni.
Međutim, ne možete iskoristiti svu energiju odjednom, pa je vaše tijelo mora pohraniti za kasniju upotrebu. Kako se energija skladišti? Kada pojedemo više nego što nam je u tom trenutku potrebno, tijelo nakuplja mast kao tkivo za pohranu energije. Masnoća će se kasnije "spaliti" za energiju kada nam je potrebna. I ljudima i životinjama tijelu je još lakše preuzeti i pohraniti masnoću koja se već nalazi u hrani, umjesto stvaranja nove masnoće. Trik je u tome što nisu sve masti iste! Bakterije, gljive i biljke imaju različite vrste masti, a istraživači mogu pratiti te tzv. markere masnih kiselina kod životinja koje su konzumirale te izvore hrane. Dakle, na kraju, možemo identificirati je li mast pohranjena u životinji potjecala od bakterija, gljivica ili biljaka i tako znati što su jeli.
GENERALISTI VS. SPECIJALISTI ZA HRANU
Proučavajući masnoću životinja u tlu, istraživači su otkrili da se mnogi skokuni uglavnom hrane gljivicama, ali također mogu jesti bakterije ili biljke. Budući da mogu konzumirati različite izvore hrane, smatraju se generalistima za hranu [2]. To znači da ih nije teško zadovoljiti ako ih pozovete na večeru! Neki drugi organizmi su specijalisti za hranu i imaju tendenciju da jedu samo jednu stvar. Na primjer, neke nematode preferiraju jesti bakterije, dok druge preferiraju gljivice. Postoje čak i grabežljive nematode koje jedu druge nematode! Svaki razred nematoda ima drugačiji oblik usta, specifičan za konzumaciju određene vrste hrane.
ZAŠTO JE TAKO POSEBNO HRANITI SE U TLU?
Tlo je tamno. Jeste li ikada pokušali večerati u mraku? Nije tako lako pronaći gdje je hrana. Životinje u tlu imaju isti problem. U tlu oči ne rade, pa ih mnoge životinje u tlu niti nemaju. Nasuprot tome, većina životinja u tlu ima vrlo fine "nosove". Na primjer, nematode, skokuni i gujavice vrlo su učinkovite u njušenju hrane. Mogu otkriti mjesto hrane i krenuti prema njoj. Nematode mogu “nanjušiti” bakterije na udaljenosti do 50 cm i doći do njih za 2 tjedna [3]. To je značajna udaljenost za nematodu, budući da su ovi mali crvi obično dugački samo nekoliko stotina mikrometara (1 mikrometar = 0.001 mm; za usporedbu, širina ljudske vlasi je 100 mikrometar). To bi bilo kao da ljudi mogu namirisati hranu s udaljenosti od oko 70 km!
Tlo nije samo tamno, ono je i labirint kroz koji se organizmi u tlu ne mogu slobodno kretati. Tlo je poput spužve s većim i manjim rupama. Manji organizmi, poput bakterija, obično mjere 1-2 mikrometra i mogu se "sakriti" u male rupe. Na primjer, znamo da protisti (Slika 1) ne mogu doći do bakterijskog plijena ako se bakterije nalaze u rupama manjim od 2-3 mikrometra [4] (Slika 3A). Isto vrijedi i za nematode, koje ne mogu jesti bakterije koje se nalaze u rupama s otvorima manjim od 30 mikrona [4] (Slika 3A). Što su rupe u tlu manje, to se više bakterija može sakriti u njima i izbjeći da ih predatori uhvate i pojedu. Ali predatori su razvili strategije za hranjenje unatoč tim problemima. Na primjer, amebe su protisti s mekim tijelima koja mogu poprimiti bilo koji oblik (slika 3B). Amebe mogu ispružiti vrlo tanku i dugačku "ruku" u male rupe u tlu kako bi uhvatile skrivene bakterije [5]. Skokuni imaju drugačiju strategiju: oni jednostavno nisu jako izbirljivi u pogledu izvora hrane koje konzumiraju - oni su generalisti hrane. Mogu jesti bakterije i gljivice, ali i mrtvo lišće i nematode (Slika 3C). Ovisno o tome što im je dostupno u malim rupama u tlu kroz koje se provlače, jedu jedan ili drugi izvor hrane. Ova im fleksibilnost pomaže da svaki dan imaju nešto za jelo. Gujavice manje pogađaju teškoće u pristupu hrani u tlu. Ove životinje izravno gutaju tlo, što im omogućuje traženje i lak pristup hrani u labirintu tla (Slika 3D). Štoviše, mogu probaviti bakterije i gljivice, kao i mrtvi biljni materijal koji se proguta s tlom. Kada gujavice kake, neprobavljeni ostaci obično tvore male zdjelice tla.
NOVI POGLED NA HRANJENJE U MRAČNOM LABIRINTU
Hranjenje u tlu je kao pronalaženje hrane u mračnom labirintu. Da bi razumjeli tko koga jede u tami tla pod našim nogama, ekolozi tla moraju djelovati kao pravi detektivi i koristiti se svim vrstama kompliciranih tehnika, bilo u šumi ili u laboratoriju. Sada kada znate kako je to hraniti se u tlu, nikada nećete na životinje u tlu gledati na isti način!
POJMOVNIK
PRIMARNI POTROŠAČI
Organizmi koji izravno konzumiraju mrtvi biljni materijal.
HRANIDBENA MREŽA TLA
Sve poveznice koje pokazuju tko koga ili što konzumira u tlu.
MARKERI MASNIH KISELINA
Molekule masti koje su specifične za izvor hrane, primjerice bakterije ili gljivice.
GENERALIST PREHRANE
Organizmi u tlu koji konzumiraju različite izvore hrane.
SPECIJALIST ZA HRANU
Organizmi u tlu koji konzumiraju jedan ili nekoliko specifičnih izvora hrane.
ZAHVALA
Ovo istraživanje poduprla je Europska komisija – Program za istraživanje i inovacije Obzor 2020, aktivnosti Marie Skłodowska-Curie (grant br. 750249). Zahvalni smo Audrey Marville što je nacrtala životinje u tlu.
REFERENCES
[1] Ruess, L., and Chamberlain, P. M. 2010. The fat that matters: soil food web analysis using fatty acids and their carbon stable isotope signature. Soil Biol. Biochem. 42:1898–910. doi: 10.1016/j.soilbio.2010.07.020
[2] Digel, C., Curtsdotter, A., Riede, J., Klarner, B., and Brose, U. 2014. Unravelling the complex structure of forest soil food webs: higher omnivory and more trophic levels. Oikos 123:1157–72. doi: 10.1111/oik.00865
[3] Rasmann, S., Köllner, T. G., Degenhardt, J., Hiltpold, I., Toepfer, S., Kuhlmann, U., et al. 2005. Recruitment of entomopathogenic nematodes by insect-damaged maize roots. Nature 434:732. doi: 10.1038/nature03451
[4] Rønn, R., Vestergård, M., and Ekelund, F. 2012. Interactions between bacteria, protozoa and nematodes in soil. Acta Protozool. 51:223–35. doi: 10.4467/16890027AP.12.018.0764
[5] Foster, R. C., and Dormaar, J. F. 1991. Bacteria-grazing amoebae in situ in the rhizosphere. Biol. Fertil. Soils 11:83–7. doi: 10.1007/BF00336368
UREDIO: Rémy Beugnon, Njemački centar za integrativno istraživanje bioraznolikosti (iDiv), Njemačka
CITAT: Erktan A, Pollierer MM and Scheu S (2020) Ekolozi tla kao detektivi koji otkrivaju tko jede koga ili što u tlu. Ispred. Mladi umovi 8:544803. doi: 10.3389/frym.2020.544803
SUKOB INTERESA: Autori izjavljuju da je istraživanje provedeno u nedostatku bilo kakvih komercijalnih ili financijskih odnosa koji bi se mogli protumačiti kao potencijalni sukob interesa.
AUTORSKO PRAVO © 2020 Erktan, Pollierer and Scheu. Ovo je članak s otvorenim pristupom koji se distribuira pod uvjetima licence Creative Commons Attribution (CC BY). Korištenje, distribucija ili reprodukcija na drugim forumima je dopuštena, pod uvjetom da su izvorni autor(i) i vlasnik(i) autorskih prava navedeni i da je izvorna publikacija u ovom časopisu navedena, u skladu s prihvaćenom akademskom praksom. Nije dopuštena uporaba, distribucija ili reprodukcija koja nije u skladu s ovim uvjetima.
MLADI RECENZENTI
CECÍLIA, DOB: 9
Cecília je bistra mlada dama koja voli igrati šah i vrlo je znatiželjna prema različitim stvarima. Samo želi znati kako sve funkcionira i kasnije se praviti važna sa svim činjenicama koje je njezin mozak prikupio.
NYNKE, DOB: 12
Bok, moje ime je Nynke.
AUTORI
AMANDINE ERKTAN
Ja sam poslijedoktorand na Sveučilištu Göttingen u Njemačkoj. Zanima me kako žive organizmi koji oblikuju strukturu tla i obrnuto. Prvo sam radio na korijenju biljaka i proučavao kako oni strukturiraju tlo. Brzo sam shvatio da korijenje nije jedini inženjer tla. U tlu ima bezbroj mikroba i životinja i njihove su uloge presudne za određivanje strukture tla. Sada stječem nove vještine proučavajući životinje u tlu i nadam se da ću rasvijetliti kako korijenje biljaka, mikrobi i životinje u tlu međusobno djeluju u matrici tla. * aerktan@gwdg.de
MELANIE M. POLLIERER
Ja sam poslijedoktorand na Sveučilištu u Göttingenu, Njemačka. Moje glavno zanimanje odnosi se na hranidbene mreže životinja u tlu. Budući da je teško promatrati što životinje u tlu stvarno jedu, koristim neizravne metode kako bih saznala više. U mom doktoratu sam analizirala masne kiseline u životinjama u tlu i pratila sudbinu označenog ugljika od biljaka do životinja. Sada koristim još jednu novu metodu: analiziram stabilne oblike ugljika i dušika u aminokiselinama, omogućujući još detaljnije uvide u prehranu potrošača.
STEFAN SCHEU
Dok sam studirao biologiju u Tübingenu i Göttingenu između 1979. i 1986., bio sam fasciniran golemom raznolikošću i važnom ulogom beskralješnjaka u tlu. Od tada sam istraživao strukturu i funkcioniranje zajednica životinja u tlu, najprije tijekom svog doktorata na Sveučilištu u Göttingenu i kasnije kao poslijedoktorand u Calgaryju i Göttingenu. Godine 1997. osnovao sam vlastitu istraživačku grupu kao profesor zoologije i ekologije na Tehnološkom sveučilištu u Darmstadtu, a 2008. ponovno na Sveučilištu u Göttingenu kao voditelj katedre za ekologiju životinja. Ovdje istražujemo strukturu, funkciju i evoluciju životinjskih vrsta i zajednica tla.
TRANSLATOR
DINO ALEKSANDRIĆ
FUNDING (TRANSLATION)
The team Translating Soil Biodiversity acknowledges support of the German Centre for integrative Biodiversity Research (iDiv) Halle-Jena-Leipzig funded by the German Research Foundation (DFG FZT 118, 202548816).
