11.03.2022 | Русский (Russian)

Удивительная роль почвенных животных в разложении опавших листьев

Рисунок 1: (A–C) Почвенные животные, которые питаются опавшими листьями и превращают их в фекалии. (D) Опавшие листья, которыми могут питаться эти животные. (E) Фекалии животных, которые питаются опавшими листьями. (F) Фекалии животных, поедающих листья, состоят из множества маленьких кусочков листьев.

Рисунок 2: Фекалии, собранные у шести разных видов почвенных животных, питавшихся шестью разными типами отмерших листьев. Фекалии изображены в одном масштабе, размеры листьев и животных - в разных масштабах. Цвет фекалий зависит от вида съеденных листьев: фекалии светлого цвет характерны для животных, питавшихся листьями бука, более тёмного цвета для листьев липы. Форма фекалий зависит от вида животного: овальные фекалии характерны для многоножек, прямоугольные для мокриц, цилиндрические для улиток (Источник изображения: рисунок адаптирован из [5]).

Рисунок 3: Превращение почвенными животными опавших листьев в фекалии влияет на скорость разложения. В среднем фекалии почвенных животных разлагаются на 38% быстрее, чем целые листья. Этот эффект зависит от вида растений, которому принадлежат листья. Когда животные ели отмершие листья, которые микробам было легко разлагать (показаны светло-жёлтым цветом), их фекалии не разлагались намного быстрее, чем сами листья. Однако, когда они питались листьями, которые микробам разлагать труднее (показаны тёмно-коричневым цветом), остатки листьев в фекалиях разлагались значительно быстрее.

Note for the media: Use of the pictures provided by iDiv is permitted for reports related to this media release only, and under the condition that credit is given to the picture originator.

Open PDF in new window.

SubkeФрансуа-Ксавье Жоли*¹ и Йенс-Арне Зубке¹
¹Biological and Environmental Sciences, University of Stirling, Stirling, United Kingdom

Когда листья растений отмирают, опадают на землю и накапливаются там, в них начинается удивительный процесс разложения. Этот процесс очень важен, благодаря ему питательные вещества возвращаются обратно в почву, чтобы растения могли использовать их снова. В основном разложением занимаются крошечные существа — микробы. Их нельзя увидеть без микроскопа, но они делают огромную работу — превращают опавшие листья в перегной.

Однако есть и более крупные участники этой работы. Например, многоножки и улитки тоже потребляют опавшие листья. Но вот что интересно: эти животные не очень хорошо их переваривают. Большая часть того, что они съедают, возвращается в почву в виде их какашек. И эти какашки — не просто отходы! Микробы снова берутся за работу и начинают разлагать их.

Учёные решили выяснить: а что быстрее разлагается — целые листья или какашки почвенных животных? Для этого они собрали много какашек разных животных, которые ели опавшие листья. Результат оказался удивительным: какашки разлагаются быстрее! Вот так почвенные животные помогают разложению: они не просто едят листья, а превращают их в удобрение для почвы. Удивительно, не правда ли?

ЗАЧЕМ ИЗУЧАТЬ ОПАВШИЕ ЛИСТЬЯ?

Растения — это основа всей жизни на нашей планете. Благодаря своим листьям растения могут использовать энергию Солнца, чтобы захватывать углекислый газ из воздуха и превращать его в особый сахар — глюкозу. Этот процесс называется фотосинтезом, и он необходим для жизни на нашей планете. Глюкоза используется для роста новых частей растений — листьев, стеблей, корней, которые затем становятся пищей для множества разнообразных существ.

Но листья растений живут всего несколько месяцев или лет. Когда листья отмирают, они опадают на землю, и там начинается другой важный процесс — разложение. Этот процесс так же важен, как и фотосинтез, потому что он позволяет углероду, из соединений которого состоят листья, возвращаться в атмосферу в виде углекислого газа, который снова используют другие растения.

Благодаря разложению питательные вещества из отмерших листьев возвращаются и в почву, чтобы растения могли использовать их для создания новых листьев. Именно этот хрупкий баланс между фотосинтезом и разложением поддерживает круговорот жизни на Земле.

МИКРОБЫ РАЗЛАГАЮТ ОПАВШИЕ ЛИСТЬЯ

Как происходит разложение? Этот процесс в основном выполняется одной большой и разнообразной группой почвенных организмов — микробами. Микробы включают в себя бактерии и грибы (те самые организмы, которые образуют грибные плодовые тела, которые обычно и называют «грибами», но большую часть жизни эти микроорганизмы существуют в почве в виде микроскопических нитей - гиф). Эти организмы такие крошечные, что их почти невозможно увидеть невооружённым глазом, но в почве их невероятно много. В одном грамме почвы может находиться 10 миллиардов клеток микроорганизмов! Эти микробы используют опавшие листья как пищу. Они переваривают листья, выделяя множество различных ферментов в окружающую среду. Ферменты как ножницы разрезают большие листья на микроскопические кусочки, затем микробы поглощают и переваривают эти кусочки, чтобы получать энергию и расти. В результате микробы возвращают углерод в атмосферу в виде углекислого газа, и цикл жизни продолжается.

Но микробы не могут разлагать все опавшие листья с одинаковой эффективностью. Например, у некоторых растений, таких как сосна или бук, листья толстые, плотные и бедны питательными веществами. Они не очень хороши для фотосинтеза, но растения с такими листьями могут выживать даже в очень сложных условиях. Поэтому, когда такие листья отмирают и опадают, они разлагаются медленно, так как содержат мало питательных веществ или предоставляют малую площадь поверхности для роста микроорганизмов. С другой стороны, у растений, таких как ясень или клевер, листья намного тоньше и содержат больше питательных веществ. Такие листья менее устойчивы к повреждениям, но лучше подходят для фотосинтеза. Когда эти более тонкие и питательные листья отмирают, они предоставляют микробам больше питательных веществ и поверхности для роста, поэтому разлагаются быстрее.

ПОЧВЕННЫЕ ЖИВОТНЫЕ ПОМОГАЮТ МИКРОБАМ В РАЗЛОЖЕНИИ ЛИСТЬЕВ

Микробы — не единственные почвенные организмы, которые потребляют отмершие листья (Рисунок 1, A–C). Многие почвенные животные, такие как многоножки, дождевые черви, мокрицы и улитки, тоже питаются опавшими листьями [1–4]. В некоторых лесах, а иногда и в пустынях, наибольшая часть опавших листьев съедается этими животными каждый год. Однако из всей массы листьев только небольшая часть действительно переваривается (Рисунок 1, D) и используется этими животные. Большая часть возвращается в почву в виде фекалий — проще говоря, какашек этих животных (Рисунок 1, E). Это означает, что в экосистемах, где таких животных много, основным источником питательных веществ для бактерий и грибов становятся не опавшие листья, а фекалии почвенных животных. Независимо от того, какие листья были съедены, эти фекалии всегда гораздо мельче по размеру, чем целые листья, и состоят из десятков тысяч крошечных кусочков, оторванных и пережеванных почвенными животными. Такое превращение больших целых листьев в маленькие кусочки создаёт гораздо больше поверхности для роста микробов и их деятельности по разложению.

Важность превращения отмерших листьев в фекалии пока недостаточно изучена. Легче ли микробам разлагать фекалии, чем целые листья? Если это так, то насколько важен этот эффект для толстых и плотных листьев по сравнению с тонкими листьями, которые микробы и так легко разлагают? Все ли животные, питающиеся отмершими листьями, помогают микробам их разлагать? В этой работе мы постараемся найти ответы на эти вопросы [5].

«ФЕКАЛЬНАЯ ФАБРИКА»: РАЗЛОЖЕНИЕ ЛИСТЬЕВ В ЛАБОРАТОРИИ

Чтобы изучить влияние превращения отмерших листьев в фекалии, нам нужно было найти и собрать десятки тысяч свежих фекалий от разных почвенных животных, которые едят отмершие листья разных видов растений. Сделать это в дикой природе очень тяжело и почти невозможно, потому что фекалии очень маленькие, и трудно определить, какое животное их произвело и какие листья оно съело. Поэтому мы придумали особый эксперимент — фабрику какашек.

Мы отправились в леса и луга Шотландии, где собрали тысячи почвенных животных шести видов: три вида многоножек, два вида мокриц и один вид улиток. Ещё мы собрали опавшие листья шести видов деревьев, которые разлагаются с разной скоростью (дуба, бука, орешника, клёна, каштана и липы) и привезли эти образцы в лабораторию (Рисунок 2). Там, в пластиковых контейнерах, мы соединили каждое животное с определённым видом листьев. Всего у нас получилось 36 комбинаций животных и листьев. Затем мы кормили животных листьями и два раза в неделю в течение месяца собирали их фекалии. Эти фекалии оказались очень разными: их цвет зависел от съеденных листьев, а форма — от вида животного (Рисунок 2).

После сбора фекалий мы измерили, насколько быстро они разлагались по сравнению с целыми опавшими листьями. Мы хотели провести измерения так, чтобы другие учёные могли повторить наш эксперимент, проверить наши результаты или сравнить их со своими. Для этого мы создали маленькие искусственные почвенные системы в лаборатории. Мы заполнили небольшие баночки почвой с местного поля и поместили на неё небольшое количество фекалий и опавших листьев, отделённых от поверхности почвы тонкой сеткой. Сетка позволяла легко извлекать оставшиеся части фекалий или листьев, но при этом через неё свободно могут проникать микробы из почвы и разлагать фекалии или листья.

Баночки мы поместили в тёмную, тёплую и влажную комнату на 6 месяцев. Каждую неделю мы добавляли воду, чтобы поддерживать оптимальную влажность почвы для микробов. Через 6 месяцев мы достали оставшиеся фекалии и листья, высушили их, взвесили и сравнили их массу с начальной, чтобы узнать, насколько фекалии и листья были разложены микробами за это время.

ЧТО МЫ ОБНАРУЖИЛИ?

Наши эксперименты привели к двум очень интересным открытиям. Во-первых, мы выяснили, что фекалии всех изученных нами видов животных разлагались в среднем на 38% быстрее, чем листья (Рисунок 3). Результаты оказались очень похожими, даже несмотря на то, что улитки, многоножки и мокрицы — совершенно разные виды животных. Мы считаем, что фекалии разлагаются быстрее, потому что животные превращают большие отмершие листья в тысячи маленьких кусочков, на которых микробам легче расти. Во-вторых, мы обнаружили, что увеличение скорости разложения не одинаково для разных видов листьев. Когда животные поедали листья, которые легко разлагаются микробами, их фекалии не разлагались намного быстрее, чем сами листья. Но когда животные ели листья, которые хуже разлагаются микробами, их фекалии разлагались гораздо быстрее, чем несъеденные листья. Благодаря этому большие различия в скорости разложения разных типов листьев практически исчезали, как только листья съедали животные и превращали их в фекалии.

VITAПОЧВЕННЫЕ ЖИВОТНЫЕ ВНОСЯТ СУЩЕСТВЕННЫЙ ВКЛАД В КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ

В итоге, превращая опавшие листья в фекалии, почвенные животные ускоряют процесс разложения, выполняемый микробами. Именно поэтому мы не видим большого количества листьев на поверхности почвы, особенно под растениями, листья которых разлагаются медленно. Но ещё важнее, что благодаря превращению отмерших листьев в фекалии, почвенные животные помогают углероду из листьев возвращаться в атмосферу в виде углекислого газа, а питательным веществам — в почву, в результате чего они снова используются растениями. Таким образом, почвенные животные помогают поддерживать важный баланс между фотосинтезом и разложением, который обеспечивает жизнь растений — а значит, и жизнь на всей Земле!

СЛОВАРИК

Фотосинтез
Процесс, в ходе которого растения захватывают энергию солнечного света листьями, чтобы превращать углекислый газ и воду в глюкозу.

Разложение
Процесс, при котором сложные вещества из растений или животных разрушаются до более простых, выделяя углекислый газ и питательные вещества.

Ферменты
Белки, которые могут разрушать большие и сложные молекулы на более мелкие и простые.

Микробы
Крошечные живые организмы, невидимые невооружённым глазом, такие как бактерии или грибы. Их также называют микроорганизмами.

Фекалии
Остатки съеденной пищи, которые не переварены животными, другими словами — какашки.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

Sagi, N., Grünzweig, J. M., and Hawlena, D. 2019. Burrowing detritivores regulate nutrient cycling in a desert ecosystem. Proc. R. Soc. B Biol. Sci. 286:20191647. doi : 10.1098/rspb.2019.1647
David, J. F., and Gillon, D. 2002. Annual feeding rate of the millipede Glomeris marginata on holm oak (Quercus ilex) leaf litter under Mediterranean conditions. Pedobiologia. 46:42–52. doi : 10.1078/0031-4056-00112
Coulis, M., Hättenschwiler, S., Coq, S., and David, J. F. 2016. Leaf litter consumption by macroarthropods and burial of their faeces enhance decomposition in a mediterranean ecosystem. Ecosystems. 19:1104–15. doi : 10.1007/s10021-016-9990-1
Cárcamo, H. A., Abe, T. A., Prescott, C. E., Holl, F. B., and Chanway, C. P. 2000. Influence of millipedes on litter decomposition, N mineralization, and microbial communities in a coastal forest in British Columbia, Canada. Can. J. For. Res. 30:817–26. doi : 10.1139/x00-014
Joly, F-. X., Coq, S., Coulis, M., David, J.- F., Hättenschwiler, S., Mueller, C. W., et al. 2020. Detritivore conversion of litter into faeces accelerates organic matter turnover. Commun. Biol. 3:660. doi : 10.1038/s42003-020-01392-4

РЕДАКТОР: Реми Бёньон

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: Мария Сеговия-Сальседо

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ: Авторы заявляют, что исследование было проведено без каких-либо коммерческих или финансовых интересов, которые могли бы быть восприняты как потенциальный конфликт интересов.

ЦИТИРОВАНИЕ: Joly, F.-X., Coq, S., Coulis, M., David, J.-F., Hättenschwiler, S., Mueller, C. W., et al. 2020. Detritivore conversion of litter into faeces accelerates organic matter turnover. Commun. Biol. 3:660. doi: 10.1038/s42003-020-01392-4

АВТОРСКИЕ ПРАВА © 2022 Жоли и Субке: Это статья с открытым доступом, распространяемая на условиях лицензии Creative Commons Attribution License (CC BY). Использование, распространение и воспроизведение в других местах разрешено при условии указания оригинальных авторов(а) и правообладателя, а также ссылки на оригинальную публикацию в этом журнале в соответствии с принятыми академическими стандартами. Использование, распространение или воспроизведение, не соответствующие этим условиям, запрещены.

ЮНЫЕ РЕЦЕНЗЕНТЫ

ХУАН ДИЕГО, 15 ЛЕТ
Привет, меня зовут Хуан Диего, мне только что исполнилось 15 лет. Я из Эквадора, но вырос в Соединённых Штатах Америки. У меня много хобби. Больше всего я люблю играть в видеоигры, потому что это позволяет мне общаться с друзьями, особенно сейчас, когда я сижу дома из-за пандемии. Я люблю животных и природу. Поэтому в рамках школьного проекта я сейчас работаю над созданием небольшого альбома наклеек про исчезающие виды Эквадора.

АВТОРЫ

ФРАНСУА-КСАВЬЕ ЖОЛИ
французский исследователь в области почвенной экологии, работающий в Венском университете в Австрии. Его исследования сосредоточены на изучении роли почвенных организмов в разложении растительных остатков и изучении трансформации этого процесса из-за глобальных изменений, таких как утрата биоразнообразия и изменение климата. joly.fx@gmail.com

ЙЕНС-АРНЕ СУБКЕ
эколог, занимающийся изучением экосистем из Университета Стерлинга, основной научный интерес сосредоточен на изучении взаимодействий растений, почвы и окружающей среды. Он изучает, как углерод, который растения извлекают из атмосферы, может стабилизироваться в почвах, чтобы снизить концентрацию CO₂ в атмосфере.

ПЕРЕВОДЧИК

ВЛАДИСЛАВ ЛЕОНОВ
Владислав Леонов — кандидат биологических наук, научный сотрудник Лаборатории почвенной зоологии и общей энтомологии ИПЭЭ РАН. Область научных интересов: экология почвенной биоты, экология одной из основных групп почвенных животных — орибатид.

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Команда, занимающаяся переводом исследований по биоразнообразию почвы, выражает благодарность Немецкому центру интегративных исследований биоразнообразия (iDiv) в Галле-Йене-Лейпциге, финансируемому Немецким научно-исследовательским фондом (DFG FZT 118, 202548816).

CITATION (TRANSLATION)

This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC-BY 4.0). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.

Recommended citation format: Joly FX and Subke JA (2025) The Bizarre Role of Soil Animals in the Decomposition of Dead Leaves (Русский перевод Владислава Леонова). Translating Soil Biodiversity & Front. Young Minds. Originally published in 2022, doi: 10.3389/frym.2022.638736

« back to Frontiers for Young Minds (Russian)