Grūti iedomāties, ka iekšā Černobiļas reaktors Nr. 4Tur, kur radiācija joprojām var nogalināt cilvēku dažu minūšu laikā, ir kaut kas tāds, kas ne tikai iztur šo nāvējošo enerģiju, bet arī zeļ, pateicoties tai. Tomēr tieši tas notiek ar dažām neparastām melnajām sēnēm, kas gadu desmitiem ir mulsinājušas zinātniekus, astrobiologus… un arvien vairāk arī dārzkopības entuziastus un zaļās biotehnoloģijas cienītājus.
Šie organismi, starp kuriem izceļas sēne. Cladosporium sphaerospermumŠķiet, ka viņi izmanto radiāciju tā, it kā tā būtu sava veida "enerģijas pārtika". Viņu dīvainā spēja augt vienā no toksiskākajām vidēm uz planētas ir pavērusi durvis idejām, kas pirms gadiem būtu izklausījušās pēc zinātniskās fantastikas: dzīvas sienas, kas aizsargā astronautus, bioloģiski materiāli, kas bloķē kosmiskos starus, un, kāpēc gan ne, pielietojums dārzkopībā un audzēšanā ekstremālos apstākļos kur radiācija ir reāla problēma.
No kodolkatastrofas līdz dzīvai brīvdabas laboratorijai
1986. gada 26. aprīlī slikti plānota drošības pārbaude pārvērta Černobiļu par vienu no lielākās vides katastrofas vēsturē4. reaktora sprādziens atmosfērā izmeta milzīgu radionuklīdu mākoni, kas, pēc dažādiem aprēķiniem, ir līdzvērtīgs simtiem Hirosimas bumbu, piesārņojot augsni, mežus un veselas pilsētas.
Bēgšana atbrīvoja dažus 200 tonnas radioaktīvo materiālu Tas piespieda ap rūpnīcu, uz Ukrainas un Baltkrievijas robežas, izveidot aptuveni 30 kilometru lielu aizlieguma zonu. Šī teritorija kļuva praktiski nepieejama cilvēku dzīvībai, un saskaņā ar dažiem pētījumiem cilvēki varēja tai cauri šķērsot teritoriju. gadsimtiem, pirms viņi atkal varēja tur droši dzīvotīpaši vidē, kas atrodas vistuvāk reaktoram, kur daži izotopi (piemēram, Cs-137 vai stroncijs-90) saglabās aktivitāti gadu desmitiem vai tūkstošiem gadu.
Tomēr daba, kas parasti iet savu gaitu, sāka izrādīt atveseļošanās pazīmes. Jauni meži iekaroja ēkas un ceļus, vilki, mežacūkas, brieži un aļņi Viņi atrada negaidītu patvērumu, un savvaļas dzīvnieku blīvums aizlieguma zonā kļuva vēl lielāks nekā daudzos tuvējos aizsargājamajos rezervātos. Starp savītiem kokiem, plēsīgajiem putniem, melnajiem stārķiem, vardēm, krupjiem un kukaiņu leģionu Černobiļa kļuva par sava veida radioaktīvu dabas rezervātu.
Taču patiesi pārsteidzošais slēpās katastrofas būtībā. 90. gs. deviņdesmitajos gados zinātnieku grupa, tostarp ukraiņu mikologs Nelli ŽdanovaViņš sāka izpētīt elektrostacijas drupas, ieejot galerijās, koridoros un zonās, kur radiācija, mērot ar Geigera skaitītājiem, joprojām bija postošā līmenī. Tas, ko viņi atrada griestos, sienās un metāla kanālos, bija tikpat satraucoši, cik fascinējoši: melnais pelējums, kas kolonizēja visvairāk piesārņotās virsmas.
Radiotropisko melno sēņu atklāšana
Pirmajās paraugu ņemšanas kampaņās iznīcinātajā reaktorā un tā apkārtnē Ždanova un citas komandas identificēja vairāk nekā trīs desmiti sēņu suguDaudzi no tiem bija tumši, gandrīz melni, ar šūnu sieniņām, kas bija ļoti bagātas ar melanīnu. Starp visiem sāka izcelties viena suga (paradoksāli, dzīvojot tumsā): Cladosporium sphaerospermum.
Šī sēne, šķiet, pārklāja apgabalus ar ārkārtīgi augstu radiācijas līmeni, un tas notika ar īpatnību, kas salauza stereotipus: tā vietā, lai atkāptos no radioaktīvajiem avotiem, tās hifas šķita... orientēties uz radioaktīvo materiāluŠī uzvedība tika nodēvēta par radiotropismsTā nebija tikai pretestība; tas radīja iespaidu, ka sēne "meklē" starojumu.
Ikviens, kam ir kaut vai pamatzināšanas par radiācijas bioloģiju, zina, ka tas izklausās neprātīgi: jonizējošais starojums (gamma, alfa un beta daļiņas, augstas enerģijas protoni…) ir ievērojami enerģiskāks nekā redzamā gaisma un Tas iznīcina DNS un olbaltumvielas vairuma dzīvo organismu, izraisot mutācijas, vēzi vai šūnu nāvi. Tāpēc to izmanto, piemēram, staru terapijā, lai iznīcinātu audzējus.
Tomēr Černobiļā iegūtie paraugi uzrādīja kaut ko pavisam citu. Šīs melnās sēnes ne tikai tika novērotas kolonizējot ļoti piesārņotus materiālus, bet, salīdzinot ar citām sēnēm šajā apgabalā, Tie uzrādīja īpaši spēcīgu augšanu starojuma klātbūtnē.Tas lika pētniekiem domāt, vai viņi kaut kādā veidā varētu izmantot šo nāvējošo enerģiju.
Situāciju vēl vairāk sarežģīja tas, ka paralēli šajā apgabalā tika novēroti arī citi organismi ar līdzīgu stratēģiju. Piemēram, dažas vardes no tuvējiem dīķiem izrādīja augstāks melanīna līmenis ādāViņi pieņēma tumšākus toņus, kas, šķiet, deva tiem zināmas priekšrocības ilgtermiņa izdzīvošanā. Viss liecināja, ka melanīnam ir galvenā loma šajā ekstremālajā ekosistēmā.
Melanīns: no ādas krāsas līdz aizsardzībai (un iespējamai baterijai) pret radiāciju
Melanīns ir visuresošs pigments: tas ir atbildīgs par krāsas piešķiršanu mūsu ādai. āda, mati un varavīksneneTas ir sastopams arī daudzos dzīvniekos, augos un mikroorganismos. Mūsu gadījumā mēs zinām, ka tumšāki ādas toņi ir labāk aizsargāti pret saules ultravioleto (UV) starojumu, samazinot daļu no bojājumiem, ko tas rada DNS.
Černobiļas sēnēs šis melanīns uzkrājas šūnu sieniņās, piešķirot tām raksturīgo melno krāsu. Atšķirībā no stingra apvalka, melanīns darbojas kā sava veida netīrs enerģijas sūklisTā vietā, lai atstarotu starojumu, tas to absorbē un izkliedē tā enerģiju vairākos virzienos, samazinot ietekmi uz ķermeņa dzīvībai svarīgajām struktūrām.
Turklāt melanīns ir spēcīga viela. antirustJonizējošais starojums rada brīvos radikāļus un ļoti reaģējošus jonus, kas bojā lipīdus, olbaltumvielas un nukleīnskābes. Melanīna ķīmiskā struktūra var "uztvert" daudzus no šiem reaģējošajiem savienojumiem un neitralizēt tos, pārveidojot tos stabilākās molekulās. Šī divējāda funkcija — enerģijas absorbēšana un brīvo radikāļu deaktivizēšana — padara melanīnu par ideālu kandidātu šo sēnīšu rezistences izpratnei.
Taču eksperimentālie rezultāti sniedzās vēl tālāk. 2007. gadā kodolzinātnieks Jekaterina DadakhovaStrādājot Alberta Einšteina Medicīnas koledžā (Ņujorkā), viņš atklāja melanizētas sēnītes, tostarp celmus, kas līdzīgi Černobiļas sēnītēm. radioaktīvā cēzija avotiSalīdzinot ar identiskām kultūrām, bet bez starojuma, viņš novēroja, ka tās, kas bija pakļautas starojumam, izauga aptuveni par vienu Par 10% ātrāk.
Dadačovas komanda ne tikai mērīja augšanu, bet arī pašas melanīna izmaiņas. Kad sēnītes tika apstarotas, pigments uzrādīja strukturālas izmaiņas un uzvedību, kas atbilda sēnītes uzvedībai. enerģijas pārveidotājsKaut kas tāds, kas spēj pārveidot daļu starojuma enerģijas procesos, kas ir noderīgi sēnītes metabolismam. Šī ideja noveda pie termina radīšanas, kas izklausījās gandrīz ķecerīgi: radiosintēze.
Radiosintēze: sēnītes, kas "ēd" starojumu?
Dadačovas un kolēģu priekšlikums bija tikpat pārsteidzošs, cik prātīgs: melanizētas sēnītes, piemēram, Cladosporium sphaerospermum Viņi varētu izmantot jonizējošo starojumu līdzīgi tam, kā augi fotosintēzē izmanto gaismu. Kamēr hlorofils uztver redzamās gaismas fotonus, lai darbinātu elektronu transporta ķēdi un ražotu ATP, melanīns absorbētu daudz enerģiskāks starojums un novirzītu to uz vielmaiņas ceļiem, kas vēl nav pilnībā aprakstīti.
No turienes šis termins cēlies radiosintēzeProcess, kurā melanīns pārvērstu starojuma enerģiju papildu stimulā sēnīšu metabolismam. Saskaņā ar pašas Dadačovas minētajiem aprēķiniem, jonizējošais starojums var saturēt līdz pat miljons reižu vairāk enerģijas Baltajai gaismai, ko augi izmanto fotosintēzē, ir nepieciešama ļoti jaudīga molekulāra "ierīce", lai samazinātu šo enerģiju līdz izmantojamam līmenim. Un tieši šeit noderētu melanīns.
Tomēr ir svarīgi nebūt pārāk optimistiskam: lai gan laboratorijas dati liecina par pastiprinātu augšanu starojuma ietekmē un melanīna funkcionālām izmaiņām, Pilnīgs metabolisma ceļš vēl nav pierādīts līdzvērtīgs fotosintēzei. Piemēram, nav novērots skaidrs no starojuma atkarīgs oglekļa fiksācijas process vai tieša, pakāpeniska šīs enerģijas pārveidošana ATP.
Tāpēc daudzi speciālisti uzstāj, ka radiosintēze līdz pat šai dienai ir labi pamatota, bet nepilnīga hipotēzeIr zināms, ka starojums maina melanīnu un ka melanizētās sēnītes šādos apstākļos var iegūt priekšrocības, taču precīzs mehānisms, iesaistītie melanīna receptori vai reģioni un taka līdz galīgajiem bioķīmiskajiem procesiem vēl nav atklāta.
Vēl viens svarīgs punkts ir tas Ne visas melnās sēnes uzvedas vienādi.2006. gada pētījumā Ždanova un viņas komanda Černobiļā savāca 47 melanizētas sugas, un tikai 9 uzrādīja skaidru radiotropismu attiecībā pret cēzija-137 avotu. Pavisam nesen, 2022. gadā, Sandia National Laboratories (Ņūmeksikā) veiktos eksperimentos ar melanizētām un nemelanizētām sēnēm UV starojuma un cēzija-137 ietekmē netika konstatētas būtiskas atšķirības augšanā. Citiem vārdiem sakot, šī parādība nav ne universāla, ne automātiska.
Melnās sēnes ceļo kosmosā: testi Starptautiskajā kosmosa stacijā
Ja ir viena vide, kurā radiācija pastāvīgi rada galvassāpes, tā ir kosmoss. Ārpus Zemes atmosfēras un magnetosfēras vairoga astronauti ir pakļauti tā sauktajam galaktikas kosmiskais starojumsprotonu un citu lādētu daļiņu lietusgāze, no kurām daudzas rodas zvaigžņu sprādzienu rezultātā un pārvietojas ar ātrumu, kas tuvs gaismas ātrumam.
Šis starojums relatīvi viegli iziet cauri tādiem materiāliem kā svins un ir viens no lielāki riski turpmākajām ilgtermiņa misijām uz Mēnesi, Marsu vai tālāk. Tāpēc kosmosa aģentūras — NASA, ESA, Ķīnas CNSA un citas — meklē efektīvus, vieglus un, ja iespējams, viegli izgatavojamus vairogus ārpus Zemes.
Šajā kontekstā ideja par melno sēņu izmantošanu kā “bioloģisku lietussargu” pret radiāciju vairs neizklausījās pārāk reāla. Laikā no 2018. līdz 2020. gadam pētnieku komanda, tostarp bioķīmiķis Nilss Averešs (Floridas Universitāte) nosūtīja ražu Cladosporium sphaerospermum līdz Starptautiskā kosmosa stacija (ISS) lai pētītu tā uzvedību mikrogravitācijā un reāla kosmiskā starojuma ietekmē.
Paraugi tika salīdzināti ar kontroles kultūrām, kas tika uzturētas uz Zemes. Pēc 26 dienu iedarbības uz SKS zinātnieki novēroja, ka kosmosa sēnītes Tie pieauga vidēji 1,21 reizi ātrāk nekā kontroles grupai. Tas pastiprināja domu, ka radiācija varētu dot viņiem priekšrocības, lai gan paši autori atzīst, ka Arī mikrogravitācijai varētu būt nozīme šajā atšķirībā. Patiesībā Averešs turpina veikt eksperimentus uz Zemes ar mašīnām, kas simulē bezsvara stāvokli, lai atdalītu abus faktorus.
Vēl viena svarīga eksperimenta daļa bija izmērīt sēnīšu spēja bloķēt starojumuLai to izdarītu, sensori tika novietoti zem plānas micēlija kārtas. C. sphaerospermumSēnītēm augot, detektori reģistrēja pakāpenisku radioaktīvās plūsmas samazināšanos, kas pierāda, ka pat neliels pelējuma "plankums" Tas varētu kalpot kā daļējs vairogs pret apkārtējās vides starojumu no SKS.
Šis rezultāts pats par sevi nepierāda radiosintēzi, bet tas apstiprina, ka biomasa, kas bagāta ar melanīnu, kā arī ūdeni, cukuriem un citiem šūnu komponentiem, uzrāda interesanta spēja absorbēt un vājināt starojumuŪdens patiesībā ir viens no pazīstamākajiem aizsargiem pret augstas enerģijas protoniem, pateicoties tā augsts protonu (ūdeņraža) satursNav nejaušība, ka ūdenskrātuves tiek uzskatītas par šķērsli kosmosa dzīvotņu dizainā.
Neskatoties uz šīm atrunām, šo sēņu uzvedība orbītā ir rosinājusi iztēli kosmosa inženieri un arhitektiJa plāns micēlija slānis jau kaut kādā mērā samazina starojumu, ko gan nevarētu paveikt vesela siena, kas "kultivēta" ar melanizētām sēnēm, iespējams, kombinācijā ar citiem bioloģiskiem materiāliem?
Melnā sēne kā dzīvas bruņas: Mēness bāzes, Marss un tālāk
Kad mēs runājam par cilvēku nosūtīšanu uz Mēnesi uz pastāvīgu laiku vai uz Marsu, jautājums nav tikai par to, kā tur nokļūt, bet arī par to, kā... Kā tur dzīvot, neciešot no radiācijas dedzināšanasTonnu svina, betona vai īpaša stikla palaišana kosmosā ir ārkārtīgi dārga degvielas un loģistikas ziņā. Patiesībā astrobiologs Lina Dž. Rotšilda (NASA Eimss) salīdzināja šo stratēģiju ar bruņurupuci, kas nes savu čaulu: tā darbojas, bet ir ārkārtīgi neefektīva.
Tāpēc tādi jēdzieni kā... iegūst arvien lielāku popularitāti "Mikroarhitektūra"Izmantojot sēnītes un citus organismus, lai uz vietas izgatavotu daļu no infrastruktūras nākotnes bāzēm. Rotšilds un viņa komanda ir izstrādājuši mēbeļu prototipus un strukturālie micēlija paneļi kas varētu augt pelējuma sēnēs, sacietēt un kalpot kā sienas vai griesti. Ja tam pievienotu melanizētas sugas ar radioaizsardzības spēju, rezultāts būtu kaut kas līdzīgs pašdziedinošs bioloģiskais vairogs.
Ideja uz papīra ir vienkārša: tonnu materiālu pārvadāšanas vietā jūs nosūtītu tikai neliels daudzums sporu, barības vielu un kultivēšanas aprīkojumaNonākot uz Mēness vai Marsa, sēnītes augtu, izmantojot vietējos resursus (ūdeni, minerālvielas), un veidotu paneļus, velves vai izolācijas slāņus, kas arī absorbētu ievērojamu daļu kosmiskā starojuma, kas mēģina iziet cauri dzīvotnei.
Tas ir loģiski ne tikai svara un izmaksu, bet arī uzturēšanas ziņā. Dzīvs, melanizēts materiāls var atjaunoties pēc mikrometeorītu triecieniem vai nelielas plaisas, atšķirībā no tradicionālajām metāla konstrukcijām, kurām nepieciešams pastāvīgs remonts. Iedomājieties Marsa siltumnīcu, kas pārklāta ar melnu sēnītes "ādu", kas aizsargā gan augus, gan tos, kas tos audzē.
Patiesībā, un tieši šeit rodas saikne ar dārzkopību, daudzi no šiem telpisko dzīvotņu dizainiem paredz augu audzēšanas moduļi lai ražotu pārtiku, skābekli un nodrošinātu psiholoģisko labsajūtu. Radiotropisko sēņu apvienošana ar augiem varētu radīt jauktas sistēmas, kurās micēlijs darbojas kā vairogs un strukturāls atbalsts, bet augi nodarbojas ar ēdamās biomasas ražošanu un apgādi ar skābekli.
Zemes pielietojumi un atsauce uz dārzkopību
Visa šī skaistums slēpjas apstāklī, ka, lai iztēlotos praktiskus pielietojumus, nav jādodas uz Marsu. Černobiļas melno sēņu īpašības ir izraisījušas mākslinieku, arhitektu un biotehnologu interesi, kuri tajās saskata... instruments radiācijas pārvaldībai uz mūsu pašu planētasViens piemērs ir arhitekta un mākslinieka darbs. Fernando Kremadess, kurš gadiem ilgi ir pētījis, kā radiotropo sēņu kaltētas sporas varētu izmantot, lai samazinātu radioaktivitātes līmeni piesārņotajās vietās.
Cremades ir pat izstrādājis autonomu ierīču, piemēram, "dronu" vai mobilo artefaktu, prototipus, kas aprīkoti ar Geigera skaitītājs un Arduino sistēmaTās izdala sporas, kad konstatē starojumu, kas pārsniedz noteiktu slieksni. Ideja ir tāda, ka sēne kolonizēs visbīstamākās virsmas, absorbējot daļu starojuma un laika gaitā veicinot šo vides bioremediāciju.
Lai attīstītu šāda veida lietojumprogrammas, projekts “Radiotrofisko sēnīšu pielietojums un izvietošana radioaktīvā vidē”, sadarbībā ar Džona Hopkinsa Universitāti un tādiem centriem kā Medialab Matadero (Madride). Mērķis ir izpētīt lauka apstākļos, kā sēne varētu uzvesties pilsētvide, kodolmateriālu uzglabāšanas iekārtas, slimnīcas (piemēram, radioloģijas vai staru terapijas zonās) un citās telpās, kur radiācija, lai gan tā nesasniedz Černobiļas līmeni, tomēr ir faktors, kas jāņem vērā.
Un kāds sakars dārzkopībai ar visu šo? Lai gan acīmredzami Mēs negrasāmies stādīt Černobiļas sēnes dārza puķu dobē.Jā, pastāv interesanta paralēle: šīs sēnes ir ekstrēms piemērs tam, kā dzīvība spēj pielāgot savu vielmaiņu ļoti skarbiem apstākļiem. Dārzkopībā un lauksaimniecībā tam tiek pievērsta arvien lielāka uzmanība. labvēlīgi augsnes mikroorganismi (mikorizas sēnes, slāpekli fiksējošas baktērijas utt.), kas palīdz augiem izturēt stresu, sausumu vai nabadzīgas augsnes.
Radiotropiskās sēnes paplašina šo redzesloku. Iedvesmojoties no to bioloģijas, tās varētu attīstīt nākotnē. bioloģiskie mēslošanas līdzekļi vai aizsargājoši bioloģiskie pārklāji vidēm ar zemu, bet noturīgu radioaktīvo piesārņojumu vai kodolavāriju skartām teritorijām, kur vēlama pakāpeniska veģetācijas atjaunošana. Tiek pētīta arī iespēja izmantot sēnīšu melanīnu kā komponentu. uzlaboti dārzkopības materiāli (barjeras, ekrāni, siltumnīcu pārsegi), kas slāpē noteiktu starojumu un aizsargā gan augus, gan cilvēkus.
Turklāt “ekstrēmās dārzkopības” koncepcija — dzīvības kultivēšana vietās, kuras mēs uzskatām par gandrīz izzudušām, — lieliski atbilst Černobiļas stāstam. Tur, kur viss šķita miris uz visiem laikiem, sūnas, zāles, koki un sēnes Tie ir radījuši jaunu ekosistēmu. Izpratne par to, kas padara šo atveseļošanos iespējamu un kā daži organismi to vada, var sniegt mums norādes degradēto telpu atjaunošanai šeit un tagad.
Raugoties no zināmas perspektīvas, Černobiļas melno sēņu stāsts savieno kodolkatastrofu, ekstremālu bioloģiju, kosmosa izpēti un dārzkopību veidos, kas pirms dažām desmitgadēm būtu šķituši neiespējami. Kopš atklāšanas Cladosporium sphaerospermum No 4. reaktora sienām līdz eksperimentiem Starptautiskajā kosmosa stacijā un mikroarhitektūras projektiem rodas spēcīga ideja: Dzīve ne tikai pastāv, bet arī pārveidojas, izmantojot to, kas kādreiz šķita tīra inde, kā resursu.Padziļināta izpratne par to, kā šī sēne to panāk — un kā mēs varam ar to strādāt, nezaudējot no redzesloka riskus — var mainīt gan to, kā mēs aizsargājam astronautus, gan to, kā mēs veidojam dārzus, siltumnīcas un ainavas uz planētas, kurai tagad vairāk nekā jebkad agrāk ir nepieciešami tik izturīgi sabiedrotie.
