Tom Shimizu (Vrije Universiteit Amsterdam/AMOLF), Toby Kiers (Vrije Universiteit Amsterdam/Society for the Protection of Underground Networks), Howard Stone (Princeton) en medewerkers zijn erin geslaagd om deze netwerken in kaart te brengen. Via deze ondergrondse handel worden voedingsstoffen uitgewisseld. Deze voedingsstoffen helpen bij het reguleren van de ecosystemen en koolstofcycli op aarde. De onderzoekers bouwden een robot die meer dan een half miljoen 'wegen' van schimmels tegelijkertijd kan volgen. Nu het CO2-niveau in de atmosfeer stijgt, worden deze gegevens steeds belangrijker. Het onderzoek is gepubliceerd in Nature.
Meer dan 80% van de plantensoorten vormen symbiotische partnerschappen met mycorrhiza-schimmels, waarbij koolstof wordt uitgewisseld voor essentiële voedingsstoffen zoals fosfor en stikstof. Deze netwerken spelen een cruciale rol bij de ondergrondse opslag van koolstof, waarbij naar schatting 13 miljard tonCO2 per jaar wordt afgevoerd - gelijk aan een derde van de wereldwijde energiegerelateerde uitstoot. Ondanks hun belang begrepen wetenschappers nog niet goed hoe deze organismen zulke uitgebreide en efficiënte ondergrondse handelsroutes bouwen - tot nu.
Hoe schimmels hun netwerken bouwen en optimaliseren
Het internationale team van 28 onderzoekers ontdekte dat schimmels in een golfvormig patroon groeien en koolstof van plantenwortels naar buiten verplaatsen. Om deze groei te ondersteunen beheren ze een systeem van tweerichtingsverkeer, waarbij ze de stroomsnelheid en de breedte van de schimmelsnelweg regelen op basis van de behoefte.
De onderzoekers ontdekten ook dat schimmels speciale microscopische 'padvinders' uitsturen om nieuwe gebieden te verkennen. Daarbij geven ze prioriteit aan het handelspotentieel op lange termijn boven groei op korte termijn. Dit strategische gedrag voorkomt verspilling door overmatig bouwen en zorgt voor een efficiënte uitwisseling van voedingsstoffen tussen schimmels en planten.
Ongekende precisie met behulp van robotica
Deze inzichten werden mogelijk gemaakt door een op maat gemaakte beeldvormende robot die op AMOLF is ontworpen en gemaakt. De robot volgde de groei van vele schimmelnetwerken tegelijkertijd gedurende drie jaar en legde gegevens vast die een menselijke onderzoeker een eeuw nodig zou hebben gehad om te verzamelen.
'We proberen uit te vinden hoe deze 'hersenloze' micro-organismen erin slagen om hun handelsgedrag onder controle te houden,' zegt Shimizu. 'We ontdekten hier dat schimmels hun handelsroutes voortdurend verfijnen door lussen toe te voegen die de paden van en naar planten verkorten en een efficiënte levering van voedingsstoffen stimuleren.' Met behulp van geavanceerde beeldvormingstechnieken konden de onderzoekers livebeelden van de stromen van voedingsstoffen door het systeem bekijken en analyseren. De voedingsstoffenstromen lijken op tweerichtingsverkeer op een drukke weg.
Wat schimmels ons kunnen leren over toeleveringsketens
Het onderzoek laat zien dat schimmels zeer efficiënte distributiestrategieën hebben ontwikkeld, systemen waar mensen van kunnen leren.
'Mensen vertrouwen steeds meer op AI-algoritmen om efficiënte en veerkrachtige toeleveringsketens te bouwen. Maar schimmels lossen deze problemen al meer dan 450 miljoen jaar op. Dit is het soort onderzoek waar je 's nachts wakker van ligt, omdat deze schimmels zulke belangrijke ondergrondse circulatiesystemen zijn voor voedingsstoffen en koolstof,' zegt Kiers.
Implicaties voor klimaat en koolstofopslag
Met het stijgende CO2-niveau in de atmosfeer is het belangrijker dan ooit om schimmelnetwerken te begrijpen. De wetenschappers willen onderzoeken welke factoren schimmels aanzetten tot het opslaan van meer koolstof onder de grond. 'Inzicht in hoe deze schimmelnetwerken interne stromen en handel in hulpbronnen aanpassen om toeleveringsketens op te bouwen als reactie op milieustimuli, is een belangrijke richting voor toekomstig onderzoek,' zegt Stone.
Het team legt nu de laatste hand aan de bouw van een nieuwe robot waarmee de gegevensverzameling nog eens 10 keer vergroot kan worden, zodat ze kunnen onderzoeken hoe schimmelnetwerken reageren op snelle veranderingen in het milieu, zoals toenemende verstoring en stijgende temperaturen.