حیات جنگل تحت کنترل زندگی میکروبی

مریم تیموری

عضو هیئت علمی بخش تحقیقات جنگل، مؤسسه تحقیقات جنگل‌ها و مراتع کشور

زندگی میکروبی حداقل ۳۵۰۰ میلیون سال پیش شروع شده است، در حالی‌که از حیات زمین ۴۶۰۰ میلیون سال می­ گذرد. در حقیقت، در بیشتر مواقع، زمین، کره میکروارگانیسم­ ها بوده است. حتی امروزه نیز میکروب­ ها از نظر زی­توده و تعداد، موجودات زنده غالب در کره زمین هستند. میکروارگانیسم­ ها نقش مهمی در تغییرات جهانی داشته و اغلب به شکل خاموش در فعالیت­ های مختلف انسان مانند کشاورزی، اکتشاف معادن و تصفیه آب دخالت دارند. به‌علاوه، عامل تغییر و تبدیل ترکیبات زمین هستند و به همین دلایل در سطح جهانی مورد توجه هستند

میکروارگانیسم­ ها به‌عنوان موتورهای محرک چرخه حیات عمل می ­کنند و بدون وجود میکروارگانیسم­ ها، دنیا از هم پاشیده و از بین می­رود. اگرچه میکروارگانیسم ­ها دارای جنبه­ های منفی هم بوده و از طریق بیماری، قادر به تخریب درختان هستند، اما وجود آنها برای ادامه حیات جنگل نیز ضروری است. میکروارگانیسم­ ها در انتهای زنجیره غذایی قرار دارند. زنده ماندن آنها برای زنده ماندن سایر گونه­ ها ضروری است.

از بین رفتن میکروارگانیسم­ های جنگل، اثرات زیان‌بار زیادی بر اکولوژی جنگل خواهد گذاشت. در واقع، جنگل برای تأمین مواد اولیه غذایی به میکروارگانیسم­ ها وابسته است.

میکروارگانیسم­ ها با تخریب و تجزیه بقایای موجودات زنده، مواد غذایی مورد نیاز را در اختیار جنگل قرار می­ دهند. اگر جمعیت­ های میکروبی تخریب و یا از بین بروند، بسیاری از گونه ­های گیاهی در معرض خطر انقراض قرار خواهند گرفت. وجود و تنوع میکروب­ ها در عین شکنندگی، حساسیت به تغییر شرایط محیطی، عامل کلیدی در زنده ماندن جنگل است.

میکروارگانیسم ­ها دارای اثرات مثبت و منفی بر درختان هستند. در واقع میکروارگانیسم­ ها سلاح­ هایی با دو رویه مثبت و منفی هستند و بنابراین نیازی نیست که کاملاً از محیط زیست حذف شوند، بلکه لازم است انواع مفید آن‌ها را در مقایسه با انواع بیماری‌زا گسترش داده و از اثرات مثبت آنها بر زندگی درختان استفاده کرد.

دنیای میکروارگانیسم ها

اگر به شما یک میکروسکوپ داده شود، وارد دنیایی خواهید شد که بسیار جالب و شگفت‌انگیز است. این دنیا آنقدر جالب و هیجان‌انگیز است است که ممکن است باعث شود شما تصمیم بگیرید که زندگی کاری خود را بر روی مطالعه این موجودات کوچک صرف کنید.

Kenneth Todar درباره منشاء حیات میکروبی می­گوید:

وقتی حیات بر روی کره زمین چهار بیلیون سال پیش شکل گرفت، اولین سلول­هایی که تشکیل شدند، از نوع پروکاریوت بودند و برای زمانی حدود دو بیلیون سال، تنها شکل حیات بر روی کره زمین بودند. در واقع، زمین یک کره میکروبی بوده و همیشه هم باقی خواهد ماند. میکروارگانیسم ­ها موجوداتی هستند که اندازه آن‌ها میکروسکوپی و یا حتی کوچک­تر بوده و به ‌روش­های مختلف تقسیم‌بندی می­شوند.

بیشتر میکروب­ ها به چهار گروه اصلی باکتری، قارچ، ویروس و پروتوزوئرها تعلق دارند که دو گروه قارچ ­ها و باکتری­ها در مناطق جنگلی اهمیت بیشتری دارند.

قارچ­ ها

قارچ­ ها شاخه‌ای از موجودات یوکاریوت هستند که جزء گیاهان و یا جانوران تقسیم‌بندی نمی ­شوند.

ساختار اصلی قارچ­ ها هیف­، ساختار­های لوله­ای شکلی، است که در زیر میکروسکوپ قابل مشاهده هستند که ممکن است در اثر تشکیل دیوارهای عرضی به سلول تبدیل شوند. برخلاف گیاهان و حیوانات، قارچ ­ها تمام مواد غذایی مورد نیاز خود را از محیط اطراف جذب می ­کنند. هیف­ ها بر روی مواد غذایی رشد کرده و به میسلیوم­ های قابل مشاهده تبدیل می­ شوند.

بسیاری از قارچ­ ها ساپروفیت یا انگل هستند. تغییرات زیادی در ساختار،‌ اندازه و پیچیدگی­ های گونه­ های مختلف قارچی وجود دارد (شکل ۱).

شکل ۱-رویش قارچ در سطح جنگل

باکتری­ ها

باکتری ­ها شاخه بزرگی از میکروارگانیسم­ های تک‌سلولی و پروکاریوت هستند. این موجودات به طول چند میکرومتر بوده و شکل آنها ممکن است لوله­ای، کروی و مارپیچی باشد. باکتری­ها در هر محیطی مانند خاک، چشمه‌های آب گرم اسیدی، زباله­ های رادیواکتیو، آب، عمق پوسته زمین، مواد آلی و حتی درون بدن گیاهان و جانوران،‌ یافت می­ شوند.

در هر گرم خاک، حدود ۴۰ میلیون سلول باکتریایی و در هر میلی­ لیتر آب، یک میلیون سلول باکتریایی یافت می­ شود.

در سطح زمین در مجموع ^۳۰ ۱۰ × ۵ باکتری وجود دارد. زی­توده این تعداد باکتری بیشتر از زی­توده کل گیاهان و جانوران سطح زمین است. باکتری­ها در چرخه مواد غذایی بسیار حیاتی هستند به‌نحوی‌که بسیاری از مراحل موجود در چرخه عناصر مانند تثبیت ازت، بستگی به وجود باکتری­ ها دارد، اما بسیاری از باکتری­ ها شناخته نشده ­اند و فقط یک تا ۱۰ درصد از باکتری­ ها قادرند در شرایط آزمایشگاهی رشد کنند (شکل ۲)

جنبه‌های مثبت میکروارگانیسم­ ها

جنبه­ های مثبت قارچ­ ها

قارچ­ ها جزء کلیدی جمعیت میکروبی بوده و بر رشد درختان و جذب مواد غذایی تأثیر دارند. آن‌ها قادرند از طریق تجزیه بقایای گیاهی و جانوری و نیز رابطه میکوریزی با فراهم کردن مواد غذایی مورد نیاز در رشد درختان جنگلی مؤثر باشند.

قارچ­ها با افزایش سطح تماس سیستم ریش ه­ای گیاهان با میکروارگانیسم­ ها، باعث افزایش تبادلات شده و به‌علاوه مسیری مهم برای انتقال مواد غذایی از گیاه به خاک هستند.

بسیاری از قار چ­ها فقط بر روی درختان مرده یا در حال مرگ رشد م ی­کنند و بیماری‌زا نیستند. این قارچ ­ها ساپروفیت بوده و بر روی بقایای بافت ­های گیاهان مرده زندگی می­کنند.

برخلاف انواع بیماری‌زا که مواد غذایی مورد نیاز خود را از درختان زنده و به‌عنوان انگل تأمین می­کنند، برخی از انواع قارچ ­ها در واقع برای درختان مفید هستند. بسیاری از قارچ ­ها قادر به تشکیل روابط همزیستی اختصاصی با ریشه ­های درختان زنده هستند که این رابطه همزیستی میکوریز نامیده می­شود. در رابطه میکوریزی، قارچ­ ها، قند و سایر مواد لازم را از گیاهان دریافت کرده و در عوض، باعث افزایش توانایی درختان در استخراج و جذب فسفر و سایر مواد غذایی از خاک می­ شوند (شکل ۳).

این نوع همزیستی از دیرباز بین درختان و قارچ­ ها وجود داشته و یک رابطه بسیار نزدیک است. قارچ­ های میکوریزی به‌عنوان سیستم ریشه ­ای ثانویه برای درختان، درختچه ­ها و گیاهان عمل کرده و باعث افزایش توانایی گیاهان برای جذب مواد غذایی می­ شوند.

شکل ۳-_رابطه همزیستی بین قارچ و ریشه گیاهان: قارچ­ ها مواد آلی مورد نیاز خود را از گیاهان تأمین می‌کنند و در مقابل به افزایش جذب آب و سایر مواد غذایی توسط گیاه کمک می­ کنند.

جنبه­ های مثبت باکتری­ ها

در اکوسیستم­ های جنگلی، علاوه ‌بر قارچ ­ها، باکتری­ ها نیز به‌وفور یافت می­شوند. باکتری­ ها در تجزیه مواد آلی نقش مهمی دارند. این فرایند که معدنی شدنی یا آبشویی معدنی نامیده می­شود، در خاک­ های اسیدی جنگل اهمیت زیادی دارد.

این فرآیند باعث افزایش غلظت مواد غذایی در خاک شده و برای گیاهان مفید است. برخی گونه­ های مفید باکتریایی باعث افزایش سلامت گیاه و افزایش حاصلخیزی خاک می­ شوند (شکل ۴). این باکتری­ ها علاوه بر افزایش جذب مواد غذایی، باعث تولید هورمون‌های گیاهی شده و مانع از استقرار موجودات مضر (عوامل بیماری‌زا) نیز می ­شوند.

برخی از باکتری­ ها به‌صورت طبیعی درون بافت ­های گیاهی زندگی می ­کنند و اندوفیت نامیده می­ شوند. اگرچه نقش این باکتری­ ها کاملاً‌ شناخته نشده است، اما احتمال می­ رود که باعث بهبود رشد گیاهان شوند.

برای اثبات این فرضیه، با پیشرفت­ های انجام‌ شده در زمینه جداسازی و شناسایی باکتری­ های اندوفیت مانند انتروباکتر، مشاهده شده است که این باکتری‌ها می‌توانند باعث رشد سریع­تر درختان شوند.

شکل ۴- برش عرضی از گرهک تشکیل شده در ریشه گیاه توسط Bradyrhizobium japonicum که منجر به تثبیت ازت می­ گردد.

(عکس توسط Louisa Howard  از مرکز میکروسکوپ الکترونی Dartmouth گرفته شده است)

اثرات منفی میکروارگانیسم­ ها

جنبه­های منفی میکروارگانیسم­ ها به عملکرد گروهی از میکروارگانیسم­ ها بر می‌گردد که باعث آسیب به موجودات می­ شوند. آن‌ها را می‌توان ارگانیسم­ های بیماری‌زا نامید. در واقع، سالانه میلیون­ ها دلار چوب با ارزش و سایر منابع درختی در اثر بیماری­ های میکروبی از بین می ­روند. بیماری در درختان به‌وسیله عوامل مختلف اعم از زنده (Biotic) و غیرزنده (Abiotic) ایجاد می­ شود.

عوامل زنده مولد بیماری، بیماری‌زا نامیده می­شوند. عوامل بیماری‌زا می ­توانند قارچ، باکتری و یا ویروس باشند. بسیاری از قارچ­ ها عامل بیماری­ های گیاهی هستند و باعث بیماری­ هایی در اندام ­ها و بخش­ های مختلف گیاه می­ شوند (شکل ۵).

بیماری­ های قارچی به‌سرعت باعث از بین رفتن درختان می ­شوند. انواع مختلف درختان به بیماری­ های قارچی حساس هستند. قارچ­ ها به روش­ های مختلف و اختصاصی به درختان آسیب می­ زنند. درختان هم به روش­های مختلف قادرند در برابر تهاجم و بیماری‌های قارچی از خود دفاع کنند. ویروس­ها و باکتری­ها نیز از عوامل مهم بیماری­های گیاهی و درختان در بسیاری از مناطق دنیا هستند.

بیماری­های ایجاد شده توسط باکتری ها  مهم­تر از بیماری­ های ایجاد شده توسط ویروس­ ها هستند. بیماری­ های  ایجاد شده توسط ویروس هابه‌غیر از موارد خاص، مهم نیستند مگر اینکه اثرات ایجاد شده محسوس باشند. در بسیاری از موارد، آسیب­ های  ناشی از ویروس­ ها  ممکن است با علایم حاصل از کمبود مواد غذایی، اثرات مخرب لایه ازن و یا خشکی اشتباه گرفته شوند.

شکل ۵- تصویر قارچ Botryosphaeria obtusa و علایم حاصل از بیماری (عکس­ها متعلق به سایت https://www.forestryimages.org/ است).

رابطه بین میکروارگانیسم ها و جنگل

جنگل از زندگی میکروبی از طریق تعامل آن‌ها با درختان به روش ­های مختلف حمایت می­ کند. زندگی در جنگل  خود پایدار (Self- sustaining) است و نیازی به استفاده از کود ندارد. در یک جنگل طبیعی،‌ برگ ها و لاش‌برگ ها به­ تدریج و با فعالیت میکروارگانیسم ها تجزیه شده و از طریق یک فرآیند طبیعی، مواد غذایی لازم برای درختان را فراهم می کنند.

شکی نیست که میکروارگانیسم ها، عامل اساسی در چرخه عناصر از خاک به درختان و در نتیجه ادامه حیات جنگل هستند. آن ‌ها بر رشد درختان تأثیر می گذارند، اما انواع بیماری‌زای آن‌ها نیز می توانند باعث تخریب جنگل­ هایی شوند که عملکردهای مفیدی مانند ذخیره آب، تعدیل آب‌وهوا، ایجاد زیستگاه برای گیاهان و جانوران، تولید محصولات چوبی و غیرچوبی، ارزش زیبایی‌شناسی و تفریحی و غیره دارند.

جنگل­ ها از فرسایش خاک جلوگیری کرده، باعث حفظ چرخه آب در طبیعت شده و از طریق جذب دی‌اکسید کربن طی فرایند فتوسنتز، در کاهش گرمایش جهانی تأثیر به‌سزایی دارند. به‌علاوه درختان جنگل، در زیبایی چشم‌اندازهای منطقه بسیار مؤثر هستند. اگر جنگل از بین رود، اکوسیستم حیات از هم می­ پاشد که درنهایت منجر به مرگ همه موجودات زمین خواهد شد. اگرچه میکروارگانیسم­ ها قادر به تخریب درختان هستند، اما وجود جمعیت متعادل و سالمی از میکروارگانیسم­ ها، برای حفظ سلامت درختان ضروری است.

منابع

– Grayston, S.J., Vaughan, D. and Jones, D., 1997 Rhizosphere carbon flow in trees, in comparison with annual plants: the importance of root exudation and its impact on microbial activity and nutrient availability. Applied Soil Ecology, 5: 29-56.

– Mahmoud, D.A.R., 2012. Forest life under control of microbial life, New Advances and Contributions to Forestry Research, Andrew, A. and Oteng-Amoako (Ed.), ISBN: 978-953-51-0529-9

– Rappé, M.S. and Giovannoni, S.J., 2003.  The uncultured microbial majority”. Annual Review of Microbiology, 57: 369-394.

– Trevors, J.T., 2002. The subsurface origin of microbial life on the earth. Research in Microbiology, 153(8): 487-491.