Важко уявити, що в надрах Чорнобильський реактор №4Там, де радіація все ще може вбити людину за лічені хвилини, є щось, що не тільки витримує, але й процвітає завдяки цій смертельній енергії. Однак саме це відбувається з деякими цікавими чорними грибами, які десятиліттями спантеличували вчених, астробіологів… і все частіше ентузіастів садівництва та шанувальників зеленої біотехнології.
Ці організми, серед яких виділяється гриб. Cladosporium sphaerospermumЗдається, вони використовують радіацію як своєрідну «енергетичну їжу». Їхня дивна здатність рости в одному з найтоксичніших середовищ на планеті відкрила шлях для ідей, які роки тому звучали б як наукова фантастика: живі стіни, що захищають астронавтів, біологічні матеріали, що блокують космічні промені, і, чому б і ні, застосування в садівництві та вирощуванні в екстремальних умовах де радіація є реальною проблемою.
Від ядерної катастрофи до живої лабораторії просто неба
26 квітня 1986 року погано сплановані випробування безпеки перетворили Чорнобиль на одне з найбільші екологічні катастрофи в історіїВибух четвертого реактора викинув в атмосферу величезну хмару радіонуклідів, еквівалентну, за різними розрахунками, сотням бомб Хіросіми, забруднивши ґрунти, ліси та цілі міста.
Втеча звільнила деяких 200 тонн радіоактивних матеріалів Це змусило створити зону відчуження радіусом близько 30 кілометрів навколо заводу, на кордоні між Україною та Білоруссю. Ця територія стала практично забороненою для життя людини, і, згідно з деякими дослідженнями, люди могли проходити через неї. століття, перш ніж вони знову змогли безпечно там житиособливо в середовищі, найближчому до реактора, де певні ізотопи (такі як Cs-137 або стронцій-90) залишатимуться активними протягом десятиліть або тисяч років.
Навіть попри це, природа, яка зазвичай йде своїм шляхом, почала демонструвати ознаки відновлення. Молоді ліси заполонили будівлі та дороги, вовки, дикі кабани, олені та лосі Вони знайшли несподіваний притулок, і щільність дикої природи в зоні відчуження стала навіть більшою, ніж у багатьох сусідніх заповідниках. Серед покручених дерев, хижих птахів, чорних лелек, жаб, ропух та легіону комах Чорнобиль став своєрідним радіоактивним заповідником.
Але справді дивовижним було те, що полягало в основі катастрофи. У 90-х роках група вчених, включаючи українського міколога Неллі ЖдановаВін почав досліджувати руїни електростанції, заходячи в галереї, коридори та ділянки, де радіація, виміряна лічильниками Гейгера, залишалася на руйнівному рівні. Те, що вони знайшли на стелях, стінах та металевих повітроводах, було настільки ж тривожним, наскільки й захопливим: чорна цвіль, яка колонізувала найбільш забруднені поверхні.
Відкриття радіотропних чорних грибів
Під час перших кампаній з відбору проб у зруйнованому реакторі та навколо нього Жданова та інші команди виявили понад три десятки видів грибівБагато з них були темними, майже чорними, з клітинними стінками, дуже багатими на меланін. Серед усіх них один вид почав виділятися (як не парадоксально, жив у темряві): Cladosporium sphaerospermum.
Цей грибок з'явився, покриваючи ділянки з надзвичайно високим рівнем радіації, і зробив він це з особливістю, яка зруйнувала стереотипи: замість того, щоб відступити від радіоактивних джерел, його гіфи, здавалося... орієнтовані на радіоактивний матеріалТаку поведінку назвали радіотропізмЦе був не просто опір; це створювало враження, що грибок «шукає» радіацію.
Будь-хто, хто має хоча б базове розуміння радіаційної біології, знає, що це звучить божевільно: іонізуюче випромінювання (гамма-, альфа- та бета-частинки, високоенергетичні протони…) значно енергійніше, ніж видиме світло, і Він руйнує ДНК та білки більшості живих організмів, спричиняючи мутації, рак або загибель клітин. Саме тому його використовують, наприклад, у променевій терапії для знищення пухлин.
Однак зразки, отримані в Чорнобилі, показали дещо зовсім інше. Ці чорні гриби не лише колонізували сильно забруднені матеріали, але й, порівняно з іншими грибами в цьому районі, Вони демонстрували особливо енергійний ріст за наявності радіації.Це змусило дослідників задуматися, чи можуть вони якимось чином використовувати цю смертельну енергію.
Ситуацію ще більше ускладнювало те, що паралельно спостерігалися й інші організми в цьому районі з подібними стратегіями. Наприклад, деякі жаби з сусідніх ставків демонстрували вищий рівень меланіну в шкіріВони обрали темніші відтінки, що, здавалося, давало їм певну перевагу у довгостроковому виживанні. Все вказувало на те, що меланін відіграє ключову роль у цій екстремальній екосистемі.
Меланін: від кольору шкіри до захисту (і можливої батареї) від радіації
Меланін – це повсюдний пігмент: він відповідає за колір нашої шкіри. шкіра, волосся та райдужка оболонкаВін також присутній у багатьох тваринах, рослинах та мікроорганізмах. У нашому випадку ми знаємо, що темніші тони шкіри краще захищені від ультрафіолетового (УФ) випромінювання сонця, зменшуючи деякі пошкодження, які воно завдає ДНК.
У грибах з Чорнобиля цей меланін накопичується в клітинних стінках, надаючи їм характерного чорного кольору. На відміну від жорсткої оболонки, меланін функціонує як свого роду брудна енергетична губкаЗамість того, щоб відбивати випромінювання, він поглинає його та розсіює його енергію в різних напрямках, мінімізуючи вплив на життєво важливі структури організму.
Крім того, меланін є потужним антиоксидантІонізуюче випромінювання генерує вільні радикали та високореактивні іони, які пошкоджують ліпіди, білки та нуклеїнові кислоти. Хімічна структура меланіну може «захоплювати» багато з цих реактивних сполук та нейтралізувати їх, перетворюючи на більш стабільні молекули. Ця подвійна функція — поглинання енергії та деактивація вільних радикалів — робить меланін ідеальним кандидатом для розуміння стійкості цих грибів.
Але експериментальні результати пішли ще далі. У 2007 році вчений-ядерник Катерина ДадаховаПрацюючи в Медичному коледжі Альберта Ейнштейна (Нью-Йорк), він піддавав впливу меланізованих грибів, зокрема штамів, подібних до тих, що з Чорнобиля. джерела радіоактивного цезіюПорівнюючи з ідентичними культурами, але без опромінення, він зауважив, що ті, що зазнали опромінення, виросли приблизно на один 10% швидше.
Команда Дадачової вимірювала не лише ріст, але й зміни самого меланіну. Коли гриби опромінювали, пігмент демонстрував структурні зміни та поведінку, що відповідають перетворювач енергіїЩось, здатне перетворювати частину енергії випромінювання на процеси, корисні для метаболізму грибка. Ця ідея призвела до появи терміна, який звучав майже єретично: радіосинтез.
Радіосинтез: Гриби, які «їдять» радіацію?
Пропозиція Дадачової та її колег була настільки ж вражаючою, наскільки й розсудливою: меланізовані гриби, такі як Cladosporium sphaerospermum Вони могли б використовувати іонізуюче випромінювання аналогічно тому, як рослини використовують світло у фотосинтезі. У той час як хлорофіл захоплює фотони видимого світла для живлення ланцюга електронного переносу та вироблення АТФ, меланін поглинав би... набагато енергійніше випромінювання і спрямував би його на метаболічні шляхи, які ще не повністю описані.
Звідси походить цей термін радіосинтезПроцес, за допомогою якого меланін перетворює енергію випромінювання на додатковий стимул для метаболізму грибків. За оцінками самої Дадачової, іонізуюче випромінювання може містити до у мільйон разів більше енергії Біле світло, яке рослини використовують для фотосинтезу, вимагає дуже потужного молекулярного «пристрою», щоб зменшити цю енергію до придатного для використання рівня. І саме тут і знадобиться меланін.
Однак важливо не бути надто оптимістичним: хоча лабораторні дані вказують на посилення росту під впливом радіації та функціональні зміни меланіну, Повний метаболічний шлях ще не продемонстровано еквівалентно фотосинтезу. Наприклад, не спостерігалося чіткого радіаційно-залежного процесу фіксації вуглецю або прямого, покрокового перетворення цієї енергії в АТФ.
Ось чому багато спеціалістів наполягають на тому, що радіосинтез і донині є добре підтверджена, але неповна гіпотезаВідомо, що радіація змінює меланін і що меланізовані гриби можуть отримати перевагу за цих умов, але точний механізм, рецептори або ділянки меланіну, що беруть участь, та шлях до кінцевих біохімічних процесів залишаються нез'ясованими.
Інший важливий момент - це Не всі чорні гриби поводяться однаково.У дослідженні 2006 року Жданова та її команда зібрали 47 меланізованих видів у Чорнобилі, і лише 9 показали чіткий радіотропізм до джерела цезію-137. Зовсім недавно, у 2022 році, експерименти в Національних лабораторіях Сандії (Нью-Мексико) з меланізованими та немеланізованими грибами під впливом ультрафіолетового випромінювання та цезію-137 не виявили суттєвих відмінностей у рості. Іншими словами, це явище не є ні універсальним, ні автоматичним.
Чорні гриби подорожують у космос: випробування на Міжнародній космічній станції
Якщо й існує середовище, де радіація є постійним головним болем, то це космос. За межами земної атмосфери та магнітосфери астронавти піддаються впливу того, що відомо як галактичне космічне випромінювання: потік протонів та інших заряджених частинок, багато з яких походять від зоряних вибухів, що рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла.
Це випромінювання відносно легко проходить через такі матеріали, як свинець, і являє собою один із більші ризики для майбутніх довготривалих місій на Місяць, Марс чи далі. Ось чому космічні агентства — NASA, ESA, китайська CNSA та інші — шукають ефективні, легкі та, якщо можливо, прості у виробництві щити поза Землею.
У цьому контексті ідея використання чорних грибів як «біологічної парасольки» від радіації перестала звучати надуманою. Між 2018 і 2020 роками команда дослідників, включаючи біохіміка Нільс Авереш (Університет Флориди), надіслав урожай Cladosporium sphaerospermum в стилі Міжнародна космічна станція (МКС) вивчити його поведінку в умовах мікрогравітації та під дією реального космічного випромінювання.
Зразки порівняли з контрольними культурами, що зберігалися на Землі. Після 26 днів перебування на МКС вчені помітили, що космічні гриби Вони росли в середньому в 1,21 раза швидше ніж контрольна група. Це підтвердило думку про те, що радіація може дати їм перевагу, хоча самі автори визнають, що Мікрогравітація також може відігравати певну роль у цій різниці. Фактично, Авереш продовжує проводити експерименти на Землі з машинами, що імітують невагомість, щоб розділити ці два фактори.
Ще однією ключовою частиною експерименту було вимірювання здатність грибів блокувати радіаціюДля цього датчики розміщували під тонким шаром міцелію C. sphaerospermumУ міру зростання грибка детектори фіксували поступове зменшення радіоактивного потоку, демонструючи, що навіть невелика «пляма» цвілі Це може служити частковим екраном від навколишнього випромінювання з МКС.
Цей результат сам по собі не доводить радіосинтез, але він підтверджує, що біомаса, багата на меланін, а також воду, цукри та інші клітинні компоненти, демонструє цікава здатність поглинати та послаблювати випромінюванняВода, насправді, є одним із найвідоміших захисників від високоенергетичних протонів завдяки своїм високий вміст протонів (водню)Не випадково водосховища розглядаються як бар'єр у дизайні космічних середовищ існування.
Незважаючи на ці застереження, поведінка цих грибів на орбіті викликала уяву космічні інженери та архітекториЯкщо тонкий шар міцелію вже дещо зменшує радіацію, чого не могла б зробити ціла стіна, «оброблена» меланізованими грибами, можливо, в поєднанні з іншими біологічними матеріалами?
Чорний гриб як жива броня: місячні бази, Марс і не тільки
Коли ми говоримо про відправку людей на Місяць назавжди або на Марс, питання не лише в тому, як туди дістатися, а й... Як там жити, не боячись радіаціїЗапуск тонн свинцю, бетону або спеціального скла в космос є надзвичайно дорогим з точки зору палива та логістики. Фактично, астробіолог Лінн Дж. Ротшильд (NASA Ames) порівняли цю стратегію з черепахою, яка несе власний панцир: вона працює, але надзвичайно неефективна.
Ось чому такі концепції, як..., набувають популярності «мікроархітектура»Використання грибів та інших організмів для виробництва частини інфраструктури майбутніх баз на місці. Ротшильд та його команда розробили прототипи меблів та структурні міцелієві панелі які могли б рости у формі, тверднути та служити стінами чи стелями. Якщо до цього додати меланізовані види з радіозахисною здатністю, результатом було б щось на кшталт самовідновлювальний біологічний щит.
Ідея на папері проста: замість того, щоб перевозити тонни матеріалів, ви б відправляли лише невелика кількість спор, поживних речовин та обладнання для культивуванняОпинившись на Місяці чи Марсі, гриби росли б, використовуючи місцеві ресурси (воду, мінерали) та утворювали б панелі, склепіння або ізоляційні шари, які також поглинали б значну частину космічного випромінювання, що намагається пройти через середовище існування.
Це має сенс не лише з точки зору ваги та вартості, але й з точки зору обслуговування. Живий, меланізований матеріал може регенерують після ударів мікрометеоритів або невеликі тріщини, на відміну від традиційних металевих конструкцій, які потребують постійного ремонту. Уявіть собі марсіанську теплицю, покриту чорною грибковою «шкірою», яка захищає як рослини, так і тих, хто їх вирощує.
Фактично, і саме тут проявляється зв'язок із садівництвом, багато з цих просторових дизайнів середовищ існування передбачають модулі для вирощування рослин для виробництва їжі, кисню та психологічного благополуччя. Поєднання радіотропних грибів з рослинними культурами може призвести до змішаних систем, де міцелій діє як щит і структурна опора, тоді як рослини займаються виробництвом їстівної біомаси та насиченням киснем.
Наземне застосування та натяки на садівництво
Краса всього цього полягає в тому, що вам не потрібно літати на Марс, щоб уявити практичне застосування. Властивості чорних грибів з Чорнобиля викликали інтерес у художників, архітекторів та біотехнологів, які бачать у них... інструмент для управління радіацією на нашій власній планетіОдним із прикладів є робота архітектора та художника Фернандо Кремадес, який роками досліджував, як висушені спори радіотропних грибів можна використовувати для зниження рівня радіоактивності в забруднених районах.
Cremades навіть розробила прототипи автономних пристроїв, таких як «дрони» або мобільні артефакти, які, оснащені Лічильник Гейгера та система ArduinoВони вивільняють спори, коли виявляють радіацію вище певного порогу. Ідея полягає в тому, що грибок колонізуватиме найнебезпечніші поверхні, поглинаючи частину радіації та з часом сприяючи біоремедіації цих середовищ.
Для просування в цьому типі застосування, проект «Застосування радіотрофних грибів та їх використання в радіоактивних середовищах«, у співпраці з Університетом Джонса Гопкінса та такими центрами, як Medialab Matadero (Мадрид). Мета полягає в тому, щоб дослідити в польових умовах, як гриб може поводитися в міське середовище, сховища ядерних матеріалів, лікарні (наприклад, у відділеннях радіології або променевої терапії) та інших приміщеннях, де радіація, хоча й не досягає рівня Чорнобиля, все ж є фактором, який слід враховувати.
А яке відношення до всього цього має садівництво? Хоча очевидно Ми не збираємося садити чорнобильські гриби на клумбі.Так, є цікава паралель: ці гриби є яскравим прикладом того, як життя здатне адаптувати свій метаболізм до дуже суворих умов. У садівництві та сільському господарстві все більша увага приділяється корисні ґрунтові мікроорганізми (мікоризні гриби, азотфіксуючі бактерії тощо), які допомагають рослинам протистояти стресу, посусі або бідним ґрунтам.
Радіотропні гриби розширюють цей горизонт. Натхненні їхньою біологією, вони можуть бути розроблені в майбутньому. біодобрива або захисні біопокриття для середовищ з низьким, але стійким радіоактивним забрудненням, або для районів, постраждалих від ядерних аварій, де бажано поступове відновлення рослинності. Також вивчається можливість використання грибкового меланіну як компонента. сучасні садові матеріали (бар'єри, екрани, покриття для теплиць), що поглинають певні випромінювання та захищають як рослини, так і людей.
Крім того, концепція «екстремального садівництва» — культивування життя в місцях, які ми вважаємо майже втраченими, — ідеально відповідає історії Чорнобиля. Там, де все здавалося мертвим назавжди, мохи, трави, дерева та гриби Вони створили нову екосистему. Розуміння того, що робить можливим це відновлення та як певні організми його керують, може дати нам підказки для відновлення деградованих просторів тут і зараз.
Якщо подивитися з певної перспективи, історія чорних грибів Чорнобиля пов'язує ядерну катастрофу, екстремальну біологію, дослідження космосу та садівництво так, як це здавалося б неможливим ще кілька десятиліть тому. З моменту відкриття Cladosporium sphaerospermum Від стін реактора №4 до експериментів на Міжнародній космічній станції та проектів мікроархітектури, вимальовується потужна ідея: Життя не лише триває, воно й переосмислює себе, використовуючи як ресурс те, що колись здавалося чистою отрутою.Глибоке розуміння того, як цей грибок досягає цього — і як ми можемо працювати з ним, не втрачаючи з поля зору ризиків — може змінити як те, як ми захищаємо астронавтів, так і те, як ми проєктуємо сади, теплиці та ландшафти на планеті, яка зараз, як ніколи раніше, потребує таких стійких союзників.
