Почвенную жизнь считали безмолвной. А так ли это?

Группа учёных учится слушать подземных червей, личинок и корни. То, что удалось услышать, оказалось неожиданным.

В первый раз саунд-художник и акустик-эколог Маркус Мэдер (Marcus Maeder) воткнул в землю датчик шума, предварительно изготовив для него специальный микрофон, по чистой прихоти. Он сделал это, сидя на горном лугу. «Мне было просто любопытно», — вспоминает Мэдер. Сейчас он работает в цюрихском Швейцарском федеральном технологическом институте (Swiss Federal Institute of Technology) и пишет диссертацию о звуках биоразнообразия.

Хлынувшие в наушники Мэдера звуки ошеломили его. «Они были очень странными. Я услышал треньканье, стрекотание и скрежет. Чтобы это описать, нужно создать специальный словарь». Мэдер понял, что этот шум издают живущие в земле существа.

Экологам давно известно, что на нашей планете трудно найти такое место, где жизни и её разнообразия больше, чем в почве под нашими ногами. Для несведущего человека почва — всего лишь плотный слой грязи. Но, на самом деле, она представляет собой лабиринт из туннелей, полостей, корней и разлагающихся отходов жизнедеятельности. В одной лишь чашке грязи исследователи насчитали до 100 миллионов форм жизни из более чем 5000 таксонов. Подземные обитатели варьируют от микроскопических бактерий и грибков, крошечных ногохвосток и клещей, до многоножек, слизней и дождевых червей, способных достигать в длину нескольких метров, кротов, мышей и кроликов, обитающих в созданных ими туннелях и норах.

«Это ошеломляющее биоразнообразие», — говорит Уффе Нильсен (Uffe Nielsen), биолог-почвовед из Университета Западного Сиднея (Western Sydney University), Австралия. Это ещё и жизненно важное разнообразие: главным образом именно подземные сообщества в совокупности формируют основу жизни на нашей планете — от пищи, которую мы едим, до воздуха, которым мы дышим.

Сегодня в рамках относительно новой науки, известной как биоакустика почвы (другие предпочитают такие термины, как биотремология и экоакустика почвы), всё больше и больше биологов занимается улавливанием подземных шумов, чтобы открыть окно в этот сложный и загадочный мир. Оказалось, что такая простая вещь, как воткнутый в землю металлический гвоздь, если использовать специальные датчики, может превратиться в своеобразную перевёрнутую антенну. И чем больше исследователи слушают подземные шумы, тем очевиднее, что жизнь под нами постоянно и шумно пульсирует.

Учёные надеются, что прослушивание этой какофонии подземных звуков поможет им точно выяснить не только то, какие формы жизни обитают под нашими ногами, но и то, как протекает их существование, — как они едят или охотятся, как ползают рядом друг с другом, стараясь оставаться незамеченными, или барабанят, стучат и поют, чтобы привлечь внимание друг друга. Для Нильсена жизнь под землёй — это чёрный ящик. «Пытаясь его открыть, — говорит австралийский биолог, — мы понимаем, как мало нам известно о его содержимом».

Ползающие черви и корни

Понять эту подземную жизнь очень важно потому, что экология почвы имеет критическое значение. «Почва помогает растениям преобразовывать необходимые для них питательные элементы — такие как углерод, азот, фосфор и калий — в пищу, помогает питать ими леса и насыщать воздух кислородом, чтобы мы все могли дышать», — подчёркивает Стивен Банварт (Steven Banwart), специалист по почвам, воде и сельскому хозяйству из Университета Лидса (University of Leeds), Великобритания, который является соавтором обзора функций почвы, опубликованного в «Ежегодном обзоре наук о Земле и планетах» (Annual Review of Earth and Planetary Sciences). Черви, личинки, грибки, бактерии и другие редуценты участвуют в этом процессе на каждом его этапе.

И у каждого почвенного организма свои собственные саундтреки. Грызущие корни личинки, разрывая волокна своей пищи, издают короткие щелчки. Черви, ползая по туннелям, шуршат; то же самое, расталкивая кусочки почвы, делают и корни растений, о чём швейцарские исследователи сообщили ещё в 2018 году. Однако, по сравнению с червями, корни движутся медленнее и ритмичнее. Различая эти звуки, почвенная акустика может пролить свет на некоторые тайны, до сих пор не разгаданные наукой. Например, когда растут корни растений? Ночью? В течение дня? Только во время дождя?

Мы, люди, возможно, одни из последних, кто смог открыть для себя эти андеграундные саундтреки. Нередко можно наблюдать, как птицы скачут по лужайкам, наклонив голову набок. Они, по мнению исследователей, делают это, чтобы услышать скрывающихся в почве червей. Часто птицы клюют землю в самый подходящий момент — тогда, когда можно схватить не ждущую нападения жертву. Североамериканская деревянная черепаха, со своей стороны, извлекает выгоду из реакции червей на вибрацию почвы, которая возникает во время дождя. Топая по земле ногами, черепаха имитирует стук дождевых капель, черви выходят на поверхность — и рептилии обеспечен сочный перекус.

Кроме того, подземные вибрации могут оказаться существенными для передачи сигналов. Живущие в норах слепыши, по-видимому, общаются со слепышами-соседями, стуча головой или ногами о стены своих туннелей. Было установлено, что муравьи-листорезы, которые в результате обвала оказываются погребёнными в своих гнёздах, начинают шуметь, чтобы другие рабочие муравьи поспешили на место обвала и откопали заваленных товарищей.

Некоторые из этих подземных звуков слышны человеческому уху, но у многих из них слишком высокая или слишком низкая частота (а также громкость). Для их улавливания используются пьезоэлектрические датчики, которые работают как контактные микрофоны, прикрепляемые, например, к гитаре. Установленные на воткнутом в землю гвозде, иногда длиной до 30 сантиметров, эти датчики фиксируют вибрации, которые затем преобразуются в электронные сигналы и усиливаются так, чтобы их могли слышать люди.

Подземный «Твиттер»

Каролин-Моника Гёррес (Carolyn-Monika Görres), ландшафтный эколог из Университета Гайзенхайма (Geisenheim University), Германия, — одна их тех, кого потрясло открытие того, как много можно узнать, исследуя подземный шум. Пользуясь финансовой поддержкой Национального географического общества, Гёррес изучает питающихся корнями растений «белых личинок» —личинок майских жуков. Её особенно интересуют выделяемые ими метан и другие газы. Биологи подозревают, что мелкие насекомые разных видов из-за своей огромной численности вносят значительный вклад в выбросы, способствующие потеплению климата. (Например, термиты, согласно научным оценкам, производят около 1,5 процента глобальных выбросов метана. Для сравнения: доля выбросов, связанных с добычей угля, составляет от 5 до 6 процентов).

Вначале Гёррес не знала, как ей поступить. Как узнать, сколько дюймовых белых личинок живёт на том или ином участке почвы? «Обычно землю, чтобы выяснить, что в ней находится, копают, — объясняет она возникшую перед ней проблему, — но при этом всё разрушается».

И Гёррес нашла выход: она объездила на велосипеде окрестности своего города, чтобы зарыть на лугах и в лесах два десятка акустических датчиков, позволяющих записывать, как личинки занимаются своим делом. Слушая то, что удалось записать, говорит Гёррес, «некоторые утверждают, что это звучит, как скрип дерева. Другим это напоминает трение друг о друга кусочков наждачной бумаги».

Гёррес выяснила, что на этих записях она может по стрекотанию, похожему на пение, или стридуляцию, цикад и кузнечиков, различать личинок двух изучаемых ею видов жуков — обыкновенного майского жука (Melolontha melolontha) и лесного майского жука (M. Hippocastani).

Это личинки трут мандибулу о мандибулу. «Можно сказать, что они, чтобы беседовать друг с другом под землей, скрипят зубами, — говорит Гёррес. — Прелесть стридуляций в том, что они, по-видимому, видоспецифичны, совсем как песни птиц». Как только личинки окукливаются, они переключаются на использование другого механизма создания шума: вращают брюшко внутри куколки и бьют им о её стенку.

Для чего они это делают? Ещё не ясно. В надземном мире стридуляция насекомых привлекает самок, но для личинок, отмечает Гёррес, «размножение пока не имеет никакого значения». Чтобы узнать больше, эколог (давшая своему почвенно-акустическому проекту название «Подземный „Твиттер“») заполнила контейнеры песчаной почвой, взятой из естественной среды обитания личинок, добавила в почву кусочки моркови, чтобы личинки были довольными, и поставила контейнеры в своей лаборатории.

Гёррес заметила, что, пребывая в одиночестве, личинка стридулирует редко. Но стоило поместить в контейнере больше одной личинки — и сразу же начиналось пение, причём почти без умолку. Трио личинок майского жука за первые два с половиной часа совместного пребывания в контейнере стридулировало в общей сложности 682 раза.

Гёррес предполагает, что личинки поют, чтобы отпугивать друг друга. Личинки — отменные едоки, подчёркивает она, «единственная цель их жизни — набирать биомассу», и если в одном и том же месте слишком много личинок, они набрасываются друг на друга. В подтверждение своего предположения эколог приводит тот факт, что личинки стараются избегать мест, в которых слышны удары брюшком о стенки куколок.

Звук в земле

Когда мы говорим о звуке, мы, как правило, имеем в виду волны, которые распространяются в воздухе. Попадая в наши уши, они вызывают вибрацию барабанных перепонок, и наш мозг в конечном итоге преобразует эти колебания в звуки.

Однако волны способны идти не только в воздухе, но и в других средах, таких как вода и почва. Слоны используют это, чтобы поддерживать связь с отбившимися от стада собратьями: трубя, они создают низкочастотные колебания, которые преодолевают в земле большие расстояния и улавливаются подошвами слоновьих ног.

Вдобавок акустическая эмиссия может одновременно идти сквозь разные среды. Самцы свечков (Gryllotalpa major) роют в песчаной почве рогообразные норки, а потом стридулируют, потирая крыло о крыло. Их стрекотание должно привлекать летающих самок, но, помимо воздуха, оно распространяется в почве — в форме её вибраций, которые могут играть роль предостерегающих сигналов для других сверчков-самцов, находящихся в их собственных норках.

Некоторые животные развили свой слух в направлении лучшего улавливания таких субстратных колебаний. В пустыне Намиб живёт золотой крот — маленькое пушистое млекопитающее, ведущее ночной образ жизни и почти слепое. Ночью этот крот охотится в дюнах на термитов, «плавая» по песку, погрузив туда голову и плечи. По мнению биологов, он делает это, чтобы лучше слышать потенциальную добычу. Одна из слуховых косточек в среднем ухе крота значительно больше других. Исследователи полагают, что это помогает животному улавливать колебания земли — так же, как мы улавливаем воздушные звуковые волны.

Змеи, напротив, воспринимают вибрации с помощью «датчиков», в их челюстях. Звёздонос щеголяет своим странным, звёздообразным носом, способным улавливать вибрации. А в ногах многих насекомых имеются механосенсоры, регистрирующие пульсацию почвы.

В том, что звуки играют существенную роль в жизни подземных животных, нет ничего удивительного, говорит Маттиас Риллиг (Matthias Rillig), почвенный эколог из берлинского Свободного университета (Free University of Berlin). «Звук — это высокоскоростной сигнал, для производства которого не нужно больших затрат», — объясняет он. Гораздо накладнее использовать для коммуникации химические вещества — такие, как феромоны. Вдобавок звук способен идти быстрее и дальше, чем химические сигналы. Трубные звуки слонов распространяются в почве на многие мили. Вибрации, создаваемые каким-нибудь маленьким подземным насекомым, могут охватывать пространство, радиус которого — всего нескольких десятков сантиметров, но в мире, где многое измеряется микрометрами, это всё же очень большое расстояние.

Чувствуют ли другие формы жизни, кроме животных, эти подземные вибрации и используют ли их? Риллиг взялся за проект, в рамках которого он и Мэдер приносят в лабораторию крошечных почвенных тварей, таких как ногохвостки и почвенные клещи, и часами записывают звуки, чтобы выяснить, сколько шума создают эти микрохищники без представителей других видов и совместно с ними. Некоторые из данных тварей любят поедать грибковые нити, и Риллига интересует, способны ли грибки, чтобы держаться в стороне от мест обитания таких существ, регистрировать исходящие от них звуки. «А ещё, — говорит Риллиг, — грибок может реагировать на звуковые сигналы опасности, увеличивая спорообразование», — чтобы гарантировать себе, что его гены сумеют рассеяться до того, как его съедят.

Уже получены кое-какие свидетельства о том, что растения в своей борьбе за выживание, по меньшей мере, используют звук. В ходе исследований эколог-эволюционист Моника Гальяно (Monica Gagliano), работающая в Лаборатории биологического интеллекта Университета Южного Креста (Southern Cross University), Университета Западной Австралии (University of Western Australia) и Университета Сиднея (University of Sydney), предложила семенам садового гороха (Pisum sativum) выпустить корни в разных пластиковых пробирках, заполненных грунтом. Некоторые пробирки вибрировали под воздействием обтекающей их проточной воды. Как сообщила Гальяно, семена гороха предпочитали пускать корни на звук воды, хотя сама вода была недоступна для растений и влага не могла попасть в пробирки.

Жалобы на шум

Подземная акустика полезна не только для экологов: она может побудить всех нас лучше заботиться об окружающей среде и выявлять вредителей, которые ежегодно причиняют ущерб на миллиарды долларов. В опубликованной в 2015 году обзорной статье о питающихся корнями насекомых учёные привели следующий факт: в далёком 1478 году «пастбищные скарабеи принесли швейцарским альпийским лугам столь значительный ущерб, что епископ Лозанны отлучил этих травоядных преступников от церкви». (А вот свежий пример: бабочки-стеклянницы Vitacea polistiformis способны снизить урожайность виноградной лозы на целых 47 процентов).

Агрономы, отмечает Луиз Робертс (Louise Roberts), биоакустик Корнелльского университета (Cornell University), обычно вынуждены бороться с такого рода вредителями путём сплошного разбрызгивания пестицидов, ибо не имеют возможности точно определить границы заражения. «Но это убивает всю подземную жизнь». Часто бывает достаточно обработать только часть сельскохозяйственного поля или поля для гольфа, так как почвенные насекомые склонны скапливаться в наиболее подходящих для них местах. «Но для эффективной частичной обработки нужно знать, где находятся вредители», — говорит Робертс.

Поэтому она и её коллеги при финансовой поддержке министерства сельского хозяйства США проводят исследование, цель которого — выяснить, могут ли агрономы с помощью воткнутых в землю датчиков точно определять по частотам записанных звуков участки, заражённые подземными вредителями, и виды этих вредителей. Исследование ещё не закончено, но первые его результаты внушают оптимизм, утверждает Робертс.

К ужасу исследователей, оказалось, что не всё услышанное ими под землей является экзотическим и новым. Некоторые звуки пугающе знакомы. О подземном шуме в своей родной Швейцарии Мэдер сказал следующее: «Я слышу далёкие стройки и гул машин на автострадах. Слышу даже самолёты».

До сих пор не очень понятно, какое влияние на подземную жизнь оказывает шумовое загрязнение природы человеком. Но, отмечает Риллиг, «трудно поверить в отсутствие этого влияния».

Кроме того, установлено, что подземный оркестр животной активности покидает всё новые и новые участки земли, особенно сельскохозяйственные поля, где интенсивно осуществляется земледелие и где, по словам Мэдера, «затихает всё».

Уменьшение шума говорит об уменьшении биоразнообразия и, следовательно, о том, что почва становится менее здоровой. Это открытие согласуется с недавним докладом Продовольственной и сельскохозяйственной организации (Food and Agriculture Organization), в котором сказано, что треть земель во всём мире подверглась умеренной, по меньшей мере, деградации, часто по вине сельского хозяйства.

Возможно, надеется Мэдер, благодаря акустике почвы осознание того, что мы рискуем потерять, станет более массовым. Он запустил гражданский научный проект, в рамках которого жители Швейцарии получают во временное пользование акустические датчики, чтобы самостоятельно прослушивать подземную активность. Акустические записи собираются в национальной библиотеке почвенных звуков в надежде сделать людей более сознательными.

Спрос пока высок, отмечает Мэдер: «Датчики нарасхват».