Geheimen van de paddenstoelenwereld: het spinnenbrein als analoog van de mens

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

In 2000 nam professor Toshiyuki Nakagaki, een bioloog en natuurkundige aan de Japanse Universiteit van Hokkaido, een monster van een gele schimmel en plaatste deze bij de ingang van een doolhof dat wordt gebruikt om de intelligentie en het geheugen van muizen te testen. Aan de andere kant van het doolhof plaatste hij een suikerklontje. De paddenstoel vond niet alleen een weg naar suiker, maar gebruikte hiervoor ook de kortste weg.

Wat denken paddenstoelen?

Physarum polycephalum rook naar suiker en begon zijn spruiten erop uit te sturen om ernaar te zoeken. De spinnenwebben van de paddenstoel splitsten zich op elke kruising van het doolhof, en degenen die in een doodlopende straat vielen, draaiden zich om en begonnen in andere richtingen te kijken. Gedurende enkele uren vulden paddenstoelenwebben de doolhofgangen en tegen het einde van de dag vond een van hen zijn weg naar suiker.

Daarna namen Toshiyuki en zijn team van onderzoekers een stukje van het spinnenweb van de paddenstoel die deelnam aan het eerste experiment, en legden het bij de ingang van een kopie van hetzelfde labyrint, ook met een suikerklontje aan het andere uiteinde. Wat er gebeurde verbaasde iedereen. In het eerste moment vertakt het spinneweb zich in tweeën: de ene spruit vond zijn weg naar de suiker, zonder een enkele extra draai, de andere klom de muur van het labyrint op en stak het direct over, langs het plafond, recht naar het doel. Het paddenstoelenweb herinnerde zich niet alleen de weg, maar veranderde ook de spelregels.

Ik durfde de neiging te weerstaan om deze wezens als planten te behandelen. Als je meerdere jaren paddenstoelenonderzoek doet, vallen twee dingen op. Ten eerste zijn paddenstoelen dichter bij het dierenrijk dan het lijkt. Ten tweede lijken hun acties soms het resultaat van een weloverwogen beslissing. Ik vond dat de paddenstoelen de kans moesten krijgen om te proberen de raadsels op te lossen.

Uit verder onderzoek van Toshiyuki bleek dat paddenstoelen net zo goed en veel sneller transportroutes kunnen plannen dan professionele ingenieurs. Toshiyuki nam een kaart van Japan en plaatste stukjes voedsel op plaatsen die overeenkomen met de grote steden in het land. Hij zette de paddenstoelen "in Tokyo". Na 23 uur bouwden ze een lineair web van spinnenwebben naar alle stukjes voedsel. Het resultaat is een bijna exacte replica van het spoorwegnet rond Tokio.

Het is niet zo moeilijk om enkele tientallen punten met elkaar te verbinden; maar ze efficiënt en voordelig aansluiten is helemaal niet eenvoudig. Ik geloof dat ons onderzoek ons niet alleen zal helpen begrijpen hoe we de infrastructuur kunnen verbeteren, maar ook hoe we efficiëntere informatienetwerken kunnen bouwen.

RAADSEL VAN EEN ANDER WEZEN

Volgens conservatieve schattingen zijn er ongeveer 160 duizend soorten schimmels op aarde, waarvan de meeste indrukwekkende capaciteiten hebben.

In Tsjernobyl is bijvoorbeeld een paddenstoel ontdekt die zich voedt met radioactieve producten en tegelijkertijd de lucht eromheen reinigt. Deze paddenstoel werd gevonden op de muur van een verwoeste kerncentrale, die nog vele jaren na de ramp straling bleef produceren die al het leven binnen een straal van enkele kilometers vernietigt.

Tijdens het verkennen van het Amazonewoud vonden twee biologiestudenten van Yale University de schimmel Pestalotiopsis microspora, die plastic kan afbreken. Dit vermogen werd ontdekt toen de schimmel de petrischaal opat waarin hij groeide.

Tot nu toe is noch onze wetenschap, noch onze technologie hiertoe in staat. Plasticvervuiling is een van de grootste technologische problemen. Vandaag hebben we hoge verwachtingen van deze schimmel. - Professor Scott A. Strobl.

Genetici van het American Institute of Bioenergy slaagden erin om de paddenstoelensoort de natuurlijke suiker xylose sneller te laten verteren. De potentiële betekenis van deze ontdekking ligt in het creëren van een nieuwe, goedkope en snelle manier om schone biobrandstoffen te produceren.

Het lijkt erop, hoe kan een 'primitief' organisme, zonder hersenen en beperkt in beweging, wonderen verrichten die buiten de controle van de wetenschap liggen?

Om de wereld van de paddenstoel te proberen te begrijpen, moet je eerst iets ophelderen. Shiitake, portobello en champignon zijn niet alleen de namen van eetbare paddenstoelen. Elk van hen is een levend organisme, dat een netwerk van miljoenen dunste spinnenwebben onder de grond vertegenwoordigt. De paddenstoelen die uit de grond turen zijn slechts de "vingertoppen" van deze spinnenwebben, de "gereedschappen" waarmee het lichaam zijn zaden verspreidt. Elke dergelijke "vinger" bevat duizenden sporen. Ze worden gedragen door de wind en dieren. Als de sporen in de grond vallen, maken ze nieuwe webben en ontkiemen ze met nieuwe paddenstoelen.

Dit wezen ademt zuurstof. Het is zo ongewoon vanuit biologisch oogpunt dat het tot zijn eigen koninkrijk behoort, gescheiden van zowel dieren als planten.

Maar wat weten we eigenlijk over deze levensvorm?

We weten niet wat het ondergrondse systeem van spinnenwebben op een bepaald moment ertoe aanzet om paddenstoelen naar het aardoppervlak te brengen; waarom groeit de ene paddenstoel naar de ene boom en de andere naar de andere; en waarom sommige van hen dodelijke vergiften produceren, terwijl andere lekker, gezond en geurig zijn. In sommige gevallen kunnen we zelfs de tijdlijn voor hun ontwikkeling niet voorspellen. Paddenstoelen kunnen binnen drie jaar verschijnen, of zelfs 30 jaar nadat hun sporen een geschikte boom hebben gevonden. Met andere woorden, we weten niet eens de meest elementaire dingen over paddenstoelen. - Michael Pollan, onderzoeker.

KONINGIN VAN DE DODEN

We vinden het moeilijk om paddenstoelen te begrijpen vanwege hun anatomische structuur. Als je een tomaat in je hand neemt, houd je de hele tomaat in je hand zoals hij is. Maar je kunt geen paddenstoel plukken en de structuur ervan onderzoeken. Een paddenstoel is slechts de vrucht van een groot en complex organisme. Het web van spinnenwebben is te dun om van grond te worden ontdaan zonder het te beschadigen. - Sgula Motspi, microbioloog.

Een ander probleem is dat de meeste bospaddenstoelen niet gedomesticeerd kunnen worden en zeer moeilijk te kweken zijn, zowel voor onderzoek als voor industriële doeleinden.

Ze kiezen alleen een bepaald nest, ze bepalen zelf wanneer ze gaan ontkiemen. Vaak valt hun keuze op oude bomen die niet naar een andere plek kunnen worden overgebracht. En zelfs als we honderden geschikte bomen in het bos planten en miljarden sporen op de grond spuiten, is er geen garantie dat we de paddenstoelen op een redelijke tijd zullen krijgen. - Michael Pollan, onderzoeker.

De systemen van voeding, groei, voortplanting en energieproductie bij schimmels zijn totaal anders dan bij dieren. Ze hebben geen chlorofyl en gebruiken daarom, in tegenstelling tot planten, niet direct de energie van de zon. Champignons, shiitake en portobello groeien bijvoorbeeld op een strooisel van verwelkte planten.

Net als dieren verteren paddenstoelen voedsel, maar in tegenstelling tot hen verteren ze voedsel buiten hun lichaam: paddenstoelen scheiden enzymen af die organisch materiaal in zijn componenten ontbinden en deze moleculen vervolgens opnemen.

Als aarde de maag van de wereld is, dan zijn paddenstoelen de spijsverteringssappen. Zonder hun vermogen om organisch materiaal af te breken en te verwerken, zou de aarde lang geleden zijn verstikt. Dode materie zou zich eindeloos ophopen, de koolstofcyclus zou worden onderbroken en alle levende wezens zouden zonder voedsel worden achtergelaten.

In ons onderzoek richten we ons op leven en groei, maar in de natuur zijn dood en verval even belangrijk. Paddenstoelen zijn de onbetwiste heersers van het koninkrijk van de dood. Daarom zijn er trouwens zoveel op begraafplaatsen. Maar het grootste geheim is de enorme energie van de paddenstoelen. Er zijn paddenstoelen die het asfalt kunnen kraken, glow in the dark, een hele hoop petrochemisch afval 's nachts kunnen verwerken en er een eetbaar en voedzaam product van kunnen maken. De schimmel Coprinopsis atramentaria kan in een paar uur een vruchtlichaam laten groeien en in één dag veranderen in een plas zwarte inkt.

Hallucinogene paddenstoelen veranderen de gedachten van mensen. Er zijn giftige paddenstoelen die een olifant kunnen doden. En de paradox is dat ze allemaal kleine hoeveelheden calorieën bevatten die onderzoekers gewoonlijk gebruiken om energie te meten. Onze manier van energie meten lijkt hier niet te passen. Calorieën kenmerken zonne-energie die is opgeslagen in planten. Maar paddenstoelen worden zwak geassocieerd met de zon. Ze ontkiemen 's nachts en verdorren overdag. Hun energie is iets heel anders.

- Michael Pollan, onderzoeker.

INTERNET ONDER DE AARDE

Het mycelium is de complexe infrastructuur waarop alle planten ter wereld staan. In tien kubieke centimeter aarde vind je acht kilometer van zijn spinnenwebben. De menselijke voet beslaat ongeveer een half miljoen kilometer dicht bij elkaar staande spinnenwebben. - Paul Stemets, mycoloog.

Wat gebeurt er in deze webben?

Begin jaren negentig ontstond het idee dat het web van deze spinnenwebben niet alleen voedsel en chemicaliën overbracht, maar ook een intelligent en zelflerend communicatienetwerk was. Door zelfs maar naar kleine delen van dit netwerk te kijken, is het gemakkelijk om een bekende structuur te herkennen. De grafische afbeeldingen van internet zien er precies hetzelfde uit. De netwerkvertakkingen, en als een van de vertakkingen uitvalt, wordt deze snel vervangen door tijdelijke oplossingen. De knooppunten, die zich in strategische gebieden bevinden, worden door minder actieve plaatsen beter van stroom voorzien en worden vergroot. Deze webben zijn gevoelig. En elk web kan informatie overbrengen naar het hele netwerk.

En er is geen "centrale server". Elk web is onafhankelijk en de informatie die het verzamelt, kan in alle richtingen naar het netwerk worden verzonden. Het basismodel van internet heeft dus altijd bestaan, alleen verstopte het zich in de grond. - Paul Stemec, mycoloog

Het netwerk zelf lijkt oneindig te kunnen groeien. Zo werd in de staat Michigan een mycelium gevonden, dat ondergronds is gegroeid over een oppervlakte van negen vierkante kilometer. Het wordt geschat op ongeveer 2000 jaar oud.

Wanneer besluit het netwerk champignons te gaan kweken?

Soms is de reden het gevaar voor de toekomst van het netwerk. Als het bos dat het netwerk voedt opbrandt, ontvangt het mycelium geen suikers meer uit de boomwortels. Vervolgens ontkiemt ze paddenstoelen aan de verste uiteinden, zodat ze schimmelsporen verspreiden, haar genen "bevrijden" en ze de kans geven een nieuwe plek te vinden. Dit is hoe de uitdrukking "paddenstoelen na regen" verscheen. De regen spoelt organisch rot uit de grond en berooft in wezen het netwerk van zijn krachtbron - dan stuurt het netwerk "reddingsteams" met geschillen op zoek naar een nieuw toevluchtsoord.

NACHTMERRIE VOOR INSECTEN

"Een nieuw huis vinden" is iets anders dat paddenstoelen onderscheidt van het dieren- en plantenrijk. Er zijn paddenstoelen die hun sporen verspreiden, net zoals vruchten hun zaden verspreiden. Anderen produceren feromonen die ervoor zorgen dat levende wezens er dwangmatig naar hunkeren. Witte truffelverzamelaars gebruiken het om varkens te zoeken, omdat de geur van deze paddenstoelen vergelijkbaar is met die van een alfa-zwijn.

Er zijn echter complexere en wredere manieren om schimmels te verspreiden. Observatie van de West-Afrikaanse mieren van de soort Megaloponera foetens registreerde dat ze elk jaar in hoge bomen klimmen, en met zo'n kracht doorboren ze hun kaken in de stam dat ze zich daarna niet meer kunnen bevrijden en sterven. Voorheen waren er geen gevallen van massale zelfmoord van mieren.

Het bleek dat insecten tegen hun wil handelen, en iemand anders stuurt ze de dood in. De reden zijn de kleinste sporen van de הטומנטלה-schimmel, die er soms in slagen om in de bek van de mieren te komen. Eenmaal in de kop van het insect, stuurt de spore chemicaliën naar zijn hersenen. Daarna begint de mier de dichtstbijzijnde boom te beklimmen en steekt zijn kaken in zijn bast. Hier, alsof hij ontwaakt uit een nachtmerrie, begint hij te proberen zichzelf te bevrijden en sterft hij uiteindelijk uitgeput. Na ongeveer twee weken schieten er paddenstoelen הטומנטלה uit zijn hoofd.

Aan bomen in Kameroen kun je honderden paddenstoelen zien groeien uit de lichamen van mieren. Voor schimmels is deze macht over de hersenen een reproductiemiddel: ze gebruiken de poten van een mier om in een boom te klimmen, en de hoogte helpt de verspreiding van hun sporen door de wind; dus zoeken ze een nieuw thuis en…. nieuwe mieren.

De Thaise "zombie-paddenstoel" Ophiocordyceps unilateralis moedigt de mieren die zich eraan voeden aan om in de bladeren van bepaalde planten te klimmen. De afstand die de geïnfecteerde mieren hiervoor afleggen, is veel groter dan de afstanden in hun normale leven, en daarom sterven de insecten, nadat ze de bladeren hebben bereikt, van vermoeidheid en honger, en na twee weken ontspruiten paddenstoelen uit hun lichaam.

Deze wezens zijn misschien wel de meest verbazingwekkende die ik ooit heb gezien. We denken dat ze LSD-achtige chemicaliën produceren, maar we zijn nog geen medicijnen tegengekomen die gedrag veroorzaken in iemands belang. - Professor David Hughes.

Hughes ontdekte schimmels die de hersenen van spinnen, luizen en vliegen beheersen.

Dit is geen toeval, natuurlijke selectie of bijproducten van een ander proces. Deze insecten worden tegen hun wil gestuurd naar waar ze niet zouden moeten zijn, maar paddenstoelen graag. Toen we de geïnfecteerde mieren op andere bladeren overzetten, ontkiemen de paddenstoelen gewoon niet. - Professor David Hughes

HOE ANTIBIOTICA WERDEN UITGEVONDEN

Er is ook een positieve kant aan het feit dat paddenstoelen sterke gifstoffen kunnen produceren. Sommige van deze vergiften zijn effectieve wapens tegen onze gemeenschappelijke vijanden. Bijvoorbeeld microben.

Van de 160 duizend soorten paddenstoelen, waarvan de lichamen complexe chemische verbindingen bevatten, kon de wetenschap er slechts 20 ontcijferen en reproduceren, en onder hen werden verschillende van de belangrijkste medicijnen gevonden.

Er is een reden waarom paddenstoelen medicijnen produceren. Ze groeien altijd op de slechtste plaatsen, vochtig, heet, op plaatsen die 'fabrieken van microben en virussen' zijn. De meeste planten hebben geen bescherming tegen deze factoren, maar schimmels bieden weerstand. Het bekende medicijn Lipitor, dat een van de weinige bekende oplossingen is voor de problemen van cholesterol en diabetes, werd gevonden in de rode Chinese paddenstoel. En enoki en shiitake-paddenstoelen zijn opgenomen in de mand met medicijnen die kankerpatiënten in Japan krijgen. - Elinor Shavit, microloog.

Helaas neemt de verscheidenheid aan paddenstoelengeneesmiddelen voortdurend af. De reden is de vernietiging van bosrijke bossen, vooral in het Amazonebekken.

Samen met andere levensvormen vernietigen we ook paddenstoelen. Het aantal van hun variëteiten neemt voortdurend af en dit baart mij zorgen om puur egoïstische redenen. De wereld heeft een prachtig geschenk gepresenteerd - een enorm natuurlijk laboratorium voor de vervaardiging van medicijnen. Van penicilline tot medicijnen tegen kanker, aids, griep en seniele ziekten. De oude Egyptenaren noemden paddenstoelen niet voor niets "de god van de dood". Vandaag vernietigen we consequent dit laboratorium… - Paul Stemets, mycoloog.

Stemets vertelt over de fomitopsis-paddenstoel. Deze paddenstoel, die in 1965 werd ontdekt, heeft bewezen een effectief middel tegen tuberculose te zijn en groeit tegenwoordig nog maar op vijf locaties in de Verenigde Staten. In Europa is deze paddenstoel al helemaal verdwenen.

Met een groep specialisten zijn we tientallen keren naar de bossen gegaan, op zoek naar meer vergelijkbare paddenstoelen. Na veel moeite hebben we eindelijk één monster gevonden dat we in het laboratorium hebben weten te kweken. Wie weet hoeveel mensen deze paddenstoel in de toekomst zal redden. - Paul Stemets, mycoloog.

Vorig jaar trad Stemets toe tot het biologische verdedigingsprogramma van het Amerikaanse ministerie van Defensie en hielp bij het zoeken en behouden van 300 zeldzame soorten paddenstoelen.

We deden een experiment: we verzamelden vier hopen afval. Eén werd door ons gebruikt als controle; in de andere twee hebben we chemische en biologische stoffen toegevoegd die afval afbreken; over de laatste werden paddestoelsporen gespoten. Toen we twee maanden later terugkwamen, vonden we drie donkere stinkende hopen en één heldere, begroeid met honderden kilo's paddenstoelen … Sommige giftige stoffen veranderden in organische. De paddenstoelen trokken insecten aan, ze legden eieren, waaruit rupsen kwamen, en toen verschenen de vogels - en deze hele hoop veranderde in een groene heuvel vol leven. Toen we hetzelfde probeerden te doen in vervuilde rivieren, zagen we het proces van reiniging van vergiften. Dit is wat u kunt ontdekken! Misschien kunnen al onze vervuilingsproblemen worden opgelost met de juiste paddenstoelen. - Paul Stemets, mycoloog.

WAAR ZIJN DE HERSENEN?

"Een schatting is dat het bij paddenstoelen op een vergelijkbare manier werkt", zegt Toshiyuki. "Vanuit puur biologisch oogpunt ontvangt elk spinnenweb afzonderlijk chemische signalen over waar te gaan en wat te vermijden. De som van deze signalen creëert een soort besluitvormingssysteem. Met andere woorden, de intelligentie van de paddenstoel zit in zijn netwerk. Tel daar miljoenen jaren evolutie onder de moeilijkste omstandigheden bij op, vermenigvuldigd met honderdduizenden verschillende soorten, en je hebt iets dat sowieso slim genoeg moet zijn."

- En dit is jouw verklaring van wat er gebeurt?

- Dit is het begin.