Nature：真菌如何改变地球的“公路”网络

导语

自然界中的网络结构展现出惊人的相似性，无论是地下几微米的菌丝管道，还是星系间的暗物质丝线。近期发表在Nature的研究揭示了菌根真菌如何建立高效的地下资源交换网络，而几年前科学家们则。这两项研究虽然关注的尺度相差数十个数量级，却揭示了生物网络结构中的共同数学原理——如何在资源获取效率与网络构建成本之间取得最佳平衡。菌根真菌网络通过BARE模型（分支与消灭范围扩展）构建了支撑地球生命的“森林互联网”；而黏菌启发的MCPM算法（蒙特卡洛绒泡机）则帮助天文学家揭示了宇宙网的结构。这种从微观到宇宙的网络构建原理，不仅展示了自然优化的普适性，也为我们理解从生物体内到星系间的各类复杂网络提供了崭新视角。

研究领域：互利共生、BARE模型、森林互联网、土壤碳固存、复杂网络

Neo D. Martinez & Gianna L. Marschmann| 作者

约五亿年前，在人类开始修建道路进行资源运输和交易的时候，自然界就已经建立了类似的系统，并且在这一过程中彻底改变了整个地球[1]。这一早期的交换网络不仅使长期局限于水域的植物成功“殖民”了陆地，还创造了土壤和大气层，为随后几乎所有生命的进化和繁荣提供了养分基础[2]。我们讨论的是植物与真菌之间的互利共生关系，特别是与植物根部结合的菌根真菌，它们交换关键资源——菌根真菌从原始岩石中释放氮和磷元素，换取植物提供的食物[3]。菌根真菌支持着地球上大部分的植被，并在土壤碳封存中扮演着关键角色，值得注意的是，土壤中储存的碳比大气和植物生物量中的碳总和还要多[1]。 Oyarte Galvez等人在 Nature杂志 [4]对这些非凡网络如何形成和运作，给出了深刻的见解。

植物和真菌之间的物质交换将地球早期的岩石转化为土壤，这一过程大幅增加氧气含量并降低海洋和大气中的二氧化碳水平，彻底改变了生物圈[5]。这些巨大的变化主要归因于一种叫做菌丝的狭窄真菌管道，其直径可小于5微米，植物与真菌通过这些管道进行物质交换[6]。这些管道直径约为人类头发的十分之一，是大多数植物根尖直径的百分之一，它们形成复杂的运输网络，称为菌丝体[6]。如此小的直径使得菌丝能够渗透到根系无法到达的区域，一些菌丝可以在每立方厘米的土壤中达到惊人的100米长度[1]。这样的网络往往延伸至数米之远，使得植物之间相互连接，促使森林中树木之间物质的交换[7]，这种现象被称为“森林互联网” （wood-wide web）（go.nature.com/4yek69g） 。

尽管它们的隐秘特性极大地阻碍了科学研究，但创新的方法现在提供了生动的视角，展示了真菌如何创建这些非凡的网络。通过发展这些技术，Oyarte Galvez和同事在实验和理论上将这些网络的实时构建和运行呈现得淋漓尽致。 借助自动化成像技术 （包括视频记录） ，作者精确量化了菌丝网络的生长过程。 他们追踪了超过500,000个生长中的真菌尖端和分支，并测量了100,000条细胞质流动的轨迹，包括在微小管道中植物和真菌尖端之间的物质流动。

Oyarte Galvez等人发现，多种菌根真菌的菌丝网络从植物根部开始生长时，在空间和时间上都表现出惊人的规律性。为解释这些规律模式，作者提出了一种理论，基于网络中尖端的数量，将生长于土壤中的菌丝尖端的产生、消亡和运动与菌丝长度或密度的稳定增长联系起来。作者提出的模型称为BARE（for branching and annihilating range expansion），揭示了一个单一的“引领波”（leading wave）是如何从根部出现并填充整个空间，最终形成一个复杂的网络（图1） 。这个网络将土壤养分运输到植物，同时从植物获取养分以维持真菌网络的生长和发展。前端快速生长的尖端似乎能“拉动”后方相对缓慢生长的空间填充尖端，促进整体网络的扩张。

图 1. 不规则根噬菌真菌网络。黄色的圆圈是真菌孢子。

在土壤中的养分耗尽后，网络结构和细胞质流动发生变化，以促进真菌繁殖单位——孢子的生长。孢子通常留在土壤中，或者在一些菌根真菌中，从土壤中长出如蘑菇一般的结构，提示地下存在着一个强大而神秘的真菌生长网络。BARE模型的网络生长与其他关于这些网络结构的理论相互补充，比如那些揭示网络生长最优路径的理论[8]，以及由此产生的大规模菌丝体结构[9]。

这项研究涉及最广泛的问题可能是，网络构建和维护的成本与从土壤中获取养分的利益，这二者该如何平衡。这些考虑对于理解其他运输网络至关重要，如血管、叶脉、道路和铁路系统[10]，或者觅食蚂蚁的行进路径。

Oyarte Galvez及其团队探究了菌丝体中如何平衡运输效率最大化与网络结构成本最小化这一核心问题。一个最小化的菌丝网络仅用极少量的菌丝将土壤区域与植物宿主连接，导致养分需要较长距离才能抵达目的地。相反，一个最大化的网络则由众多强健菌丝构成密集网格，使养分能够在任意两点间几乎沿最短路径传输，即使在局部菌丝受损的情况下依然有效。研究发现，菌根网络的构建策略始终维持在这两个极端之间的平衡点，体现了自然的精妙设计。

这项研究的另一个有意思的方面是关于网络调节的研究[11]。在共生关系中，究竟哪一方主导着物质交换的调节？这些转移是由一个权衡成本与收益的"市场机制"决定，还是由一个适应各方需求的协调系统来调控？Oyarte Galvez的研究似乎排除了市场机制的可能性——实验表明，改变根系生物量、根系生长速率，甚至完全用化学底物替代植物，对真菌生长几乎没有影响。相比之下，改变真菌物种却显著影响了真菌的生长模式，这一发现具有重要启示意义。

Oyarte Galvez等人分享了类似类型研究的一些局限性。例如，许多实验室研究仅考察体外真菌生长的二维环境。然而，目前尚不清楚这些研究的结果是否能在三维土壤环境中得到重复，后者通常包括岩石、沙子和其他细小颗粒。此外，尽管网络的生长模式和物质流动已得到了详细描述，但诸多关键机制仍待解答：真菌网络生长在多大程度上依赖消耗植物提供的养分或回收死亡菌丝？一根微小管道如何能同时在相反方向输送细胞质流？尽管尚不清楚，该研究仍为探索这些问题提供了重要的进展和方法论创新。

菌丝体的非凡特性，如从隐蔽来源突然生成大型蘑菇，激发了当代文化中丰富的故事创作。其中一个最具幻想色彩的例子出现在科幻电视剧《星际迷航：发现号》中，剧中的“亚空间”菌丝体使得发现号宇宙飞船能够通过“孢子驱动”瞬间穿越银河系。在地球上，人们现在可以穿上含有菌丝体的蘑菇埋葬服，这些菌丝体加速了我们身体回归地球生物圈的过程。

通过深入探索真菌网络这一神秘与奇幻世界，Oyarte Galvez等人提供了一个科学依据扎实的、具有预测性的菌丝结构与功能理论，这必将激发未来的研究。这样的研究希望能够帮助科学家更好地理解，并改善那些对所有物种生存至关重要的运输网络。

参考资料

[1] Hawkins, H.-J. et al. Curr. Biol. 33, R560–R573 (2023).

[2] Bonfante, P. & Genre, A. Trends Plant Sci. 13, 492–498 (2008).

[3] Fricker, M. D., Heaton, L. L. M., Jones, N. S. & Boddy, L. Microbiol. Spectrum https://doi.org/10.1128/ microbiolspec.funk-0033-2017 (2017).

[4] Oyarte Galvez, L. et al. Nature https://doi.org/10.1038/ s41586-025-08614-x (2025).

[5] Kleidon, A. Phys. Life Rev. 7, 424–460 (2010).

[6] Islam, M. R., Tudryn, G., Bucinell, R., Schadler, L. & Picu, R. C. Sci. Rep. 7, 13070 (2017).

[7] Simard, S. W. et al. Nature 388, 579–582 (1997).

[8] Barthélemy, M. & Flammini, A. Phys. Rev. Lett. 100, 138702 (2008).

[9] Aguilar-Trigueros, C. A., Boddy, L., Rillig, M. C. & Fricker, M. D. ISME Commun. 2, 2 (2022).

[10] Tero, A. et al. Science 327, 439–442 (2010).

[11] Bunn, R. A. et al. New Phytol. 244, 1199–1215 (2024).

复杂网络动力学读书会

集智俱乐部联合合肥工业大学物理系教授李明、同济大学副教授张毅超、北京师范大学特聘副研究员史贵元与在读博士生邱仲普、张章共同发起 。本次读书会将探讨：同步相变的临界性、如何普适地刻画多稳态与临界点、如何识别并预测临界转变、如何通过局部干预来调控系统保持或回到期望稳态、爆炸逾渗临界行为的关键特征、不同类型的级联过程对逾渗相变的影响有何异同、高阶相互作用的影响能否等效为若干简单机制的叠加、如何有效地促进人类个体间的合作等问题。

读书会计划从3月7日开始，每周五晚19:30-21:30进行，持续8-10周。诚挚邀请领域内研究者、寻求跨领域融合的研究者加入，共同探讨。

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