Коли говорять про Чорнобиль, зазвичай уявляють місце, де радіація стала символом смерті. Але всередині зруйнованого реактора вчені виявили дещо парадоксальне: життя не просто виживає в одному з найекстремальніших середовищ на Землі — деякі мікроскопічні гриби демонструють надзвичайну стійкість до іонізуючого випромінювання.
Особливо цікавими виявилися темні, майже чорні гриби, багаті на пігмент меланін. Серед них — Cladosporium sphaerospermum, представник роду Cladosporium, який став одним із найвідоміших об’єктів досліджень радіотрофних грибів.
Вони настільки добре пристосовані до несприятливих умов, що вчені навіть перевіряли, чи можуть такі організми одного дня допомогти захищати астронавтів від космічного випромінювання.
Але тут варто одразу зупинитися. Фраза «чорна пліснява їсть ядерну радіацію» чудово звучить у заголовку. Наука значно цікавіша — і складніша.
Чорнобиль виявився лабораторією для екстремального життя
Після аварії на Чорнобильській атомній електростанції у 1986 році територія навколо реактора стала середовищем із надзвичайно високим рівнем іонізуючого випромінювання.
І все ж у пошкодженому реакторі та прилеглих зонах почали знаходити мікроорганізми, зокрема велику кількість темнопігментованих, або меланізованих, грибів.
Це було несподівано.
Іонізуюче випромінювання здатне пошкоджувати ДНК, білки та клітинні структури. Для багатьох живих організмів високі дози радіації є смертельними.
А тут — організми, які не просто виживають, а демонструють ознаки пристосування до екстремального середовища.
Деякі меланізовані гриби навіть демонстрували ріст у напрямку джерела випромінювання. Для такого явища використовується термін радіотропізм. Це звучить майже як фантастика.
Уявіть рослину, яка повертається до Сонця. Тільки замість Сонця — джерело іонізуючого випромінювання.
Що таке Cladosporium sphaerospermum?
Cladosporium sphaerospermum — темнопігментований мікроскопічний гриб із роду Cladosporium. Вид був описаний у 1882 році Альбертом Юліусом Отто Пенцигом на відмерлих листках і гілках цитрусових рослин.
Гриб належить до дематієвих — темнопігментованих — грибів. Його гіфи мають товсті клітинні стінки, перегородки та характерне оливково-коричневе забарвлення.
Колонії зазвичай мають оксамитову поверхню та сплощену форму. Гриб розмножується переважно безстатевим шляхом, утворюючи конідії — мікроскопічні спори.
Конідії C. sphaerospermum переважно кулясті або еліпсоїдні, приблизно 3,4–4,0 мкм у діаметрі. Вони формуються в розгалужених ланцюжках.
Цікаво й те, що цей гриб здатний рости за дуже низьких температур. Лабораторні спостереження показували можливість росту приблизно при −5 °C. Оптимальною температурою є близько 25 °C, а при 37 °C гриб не росте.
Він також ксеротолерантний — тобто здатний переносити середовища з дуже низькою доступністю води.
Отже, радіація — далеко не єдина екстремальна умова, до якої пристосований цей організм.
Чому вони чорні?
Відповідь — меланін.
Меланін відомий нам насамперед як пігмент шкіри, волосся та очей людини. Але він присутній у багатьох організмів і може виконувати найрізноманітніші функції.
У меланізованих грибів меланін накопичується в клітинних структурах і надає колоніям характерного темного або майже чорного кольору.
І виявилося, що меланін — це не просто «фарба».
Він має складні електронні властивості, бере участь у захисті клітин від ультрафіолетового випромінювання та окиснювального стресу й може взаємодіяти з іонізуючим випромінюванням.
Саме це привело вчених до важливого питання: а раптом меланін не тільки захищає гриб від радіації, а й дозволяє використовувати пов’язані з нею енергетичні процеси?
Цю гіпотезу почали перевіряти експериментально.
Радіація як своєрідне «пальне»
У дослідженнях меланізованих грибів було показано, що іонізуюче випромінювання може змінювати електронні властивості меланіну.
За певних умов опромінення також впливало на ріст меланізованих грибів. Саме такі спостереження стали одним із фундаментів концепції радіотрофії.
Іноді це порівнюють із фотосинтезом.
У рослини:
світло → фотохімічні реакції → хімічна енергія → ріст
У гіпотетичній моделі для меланізованого гриба:
іонізуюче випромінювання → зміни властивостей меланіну → електронні та метаболічні процеси → потенційна перевага для росту
Саме звідси походять популярні вислови на кшталт «радіосинтез».
Але тут потрібно бути дуже обережними. Ми не маємо підстав говорити, що C. sphaerospermum здійснює радіосинтез точно так само, як рослини здійснюють фотосинтез.
Повний молекулярний механізм перетворення енергії іонізуючого випромінювання на біологічно корисну енергію досі не встановлений.
Гриб не «їсть радіоактивність»
Це, мабуть, найважливіше уточнення всієї історії. Гриб не може просто поглинути гамма-промені й зробити радіоактивний матеріал безпечним.
Якщо гриб накопичив, наприклад, цезій-137, сам цезій-137 від цього не перестає бути радіоактивним.
Тому потрібно розрізняти дві речі:
– радіонуклід — атоми певного елемента, ядра яких є нестабільними та розпадаються;
– іонізуюче випромінювання — енергія та частинки, які виникають під час радіоактивного розпаду або інших ядерних процесів.
Гриб може взаємодіяти з обома, але це принципово різні процеси.
Якщо гриб накопичує радіонукліди з навколишнього середовища, це не означає, що радіація зникла. У найпростішому випадку ми просто перемістили радіоактивний матеріал: ґрунт → гриб.
І тепер маємо радіоактивну грибну біомасу.
То що ж робить меланін?
Найімовірніше, тут працює не один механізм, а цілий комплекс процесів.
Меланін може:
– поглинати частину випромінювання;
– взаємодіяти з вільними радикалами;
– допомагати захищати клітинні структури від окисного пошкодження;
– впливати на електронний обмін;
– підвищувати стійкість клітини до радіаційного стресу.
Однак точний механізм потенційного використання енергії іонізуючого випромінювання залишається предметом досліджень.
Тобто маємо кілька цікавих спостережень:
– меланізовані гриби стійкі до радіації;
– деякі з них демонструють радіотропізм;
– радіація за певних умов може впливати на їхній ріст;
– опромінення змінює електронні властивості меланіну.
А от повна схема:
гамма-квант → меланін → конкретна молекула → конкретна кількість АТФ
досі не продемонстрована так само чітко, як механізми фотосинтезу. І саме тут проходить межа між підтвердженою наукою та красивою гіпотезою.
Гриб, який живе на відходах
Втім, C. sphaerospermum цікавий не лише через радіацію. У природі це переважно сапротроф — організм, який отримує поживні речовини з мертвого органічного матеріалу.
Він може використовувати крохмаль, целюлозу та цукри. Дослідження також показали здатність гриба рости в лабораторних умовах із толуеном як джерелом вуглецю.
Гриб може брати участь у біодеградації деяких органічних забруднювачів і поліциклічних ароматичних вуглеводнів. Це добре відповідає його способу життя: представники Cladosporium часто колонізують середовища, де доступної їжі небагато.
Де ще його можна знайти?
Попри «космічну» репутацію, Cladosporium sphaerospermum — не екзотичний організм, який існує лише в Чорнобилі. Представників цього виду та близьких видів знаходять у найрізноманітніших середовищах.
Вони можуть жити:
– у ґрунті;
– на відмерлому листі;
– на стеблах рослин;
– на фруктах і овочах;
– у міських будівлях;
– на стінах із підвищеною вологістю;
– на пофарбованих поверхнях;
– на шпалерах і гіпсових матеріалах;
– на деяких харчових продуктах.
У приміщеннях його поява може бути ознакою проблем із вологістю та конденсацією. Тому «радіотрофний гриб» цілком може існувати у звичайному вологому приміщенні — далеко від атомного реактора.
Чи небезпечний він для людини?
Переважно C. sphaerospermum відомий як пліснявий гриб та алерген. Його спори можуть перебувати в повітрі та спричиняти проблеми у чутливих людей, особливо тих, хто має респіраторну чутливість.
Інфекції, безпосередньо пов’язані з цим видом, трапляються рідко. Описані окремі випадки ураження шкіри, очей, пазух і центральної нервової системи. Тому називати його «небезпечним грибом Чорнобиля» було б так само неправильно, як і вважати його абсолютно нешкідливим.
Це передусім поширений пліснявий гриб, який у виняткових випадках може бути пов’язаний із захворюваннями.
А тепер — космос
Ось тут історія стає майже науковою фантастикою. Але експеримент був реальним.
У грудні 2018 — січні 2019 року Cladosporium sphaerospermum досліджували на Міжнародній космічній станції.
Ідея була проста: якщо меланізований гриб добре переносить радіацію на Землі, що він робитиме в космосі?
Гриб успішно ріс у космічному середовищі. Дослідники не обмежилися спостереженням за його ростом. Вони також розмістили датчики під колонією, щоб перевірити, чи може шар грибної біомаси послаблювати випромінювання. І певне зниження рівня радіації під шаром гриба справді було зафіксовано.
Шар біомаси завтовшки близько 1,7 мм продемонстрував зниження вимірюваного випромінювання приблизно на 2,17 ± 0,35%.
Цифра невелика. Але для науки важливий сам принцип. Жива біомаса продемонструвала здатність хоча б частково послаблювати потік іонізуючого випромінювання.
Пліснява як живий космічний щит?
Ось тут виникла надзвичайно цікава концепція. Традиційний радіаційний щит — це матеріал, який потрібно: виготовити → доставити → встановити → транспортувати разом із кораблем.
А живий організм потенційно може: рости → відновлюватися → розмножуватися → нарощувати захисний шар. Саме тому меланізовані гриби розглядають як можливий компонент майбутніх біорегенеративних систем радіаційного захисту. Особливо цікаво це для довготривалих космічних місій.
Політ до Марса — зовсім інший масштаб проблеми, ніж перебування кілька місяців на низькій навколоземній орбіті. Поза захисною магнітосферою Землі астронавти постійно зазнають впливу космічного випромінювання. Тому матеріал, який потенційно здатний самовідновлюватися, виглядає дуже привабливо.
Але гриб поки що дуже слабкий як радіаційний щит
І тут знову потрібно прибрати наукову фантастику. Експеримент на МКС показав цікаву властивість, але не створив готової технології.
Шар гриба був дуже тонким — близько 1,7 мм. Зафіксоване зниження випромінювання було невеликим. Тому говорити: «Посадимо плісняву на корпус космічного корабля — і астронавтам більше нічого не потрібно» — очевидно передчасно.
Дослідження було proof of principle, тобто демонстрацією принципової можливості, а не готовою системою захисту.
Гриб не замінює свинець, воду, поліетилен, реголіт або інші матеріали, які використовуються чи розглядаються для радіаційного захисту. Але він може стати частиною складнішої багатошарової системи.
А що щодо Марса?
Тут починається найцікавіша частина.
Дослідники оцінювали, як поводився б значно товстіший шар грибної біомаси.
Теоретичні розрахунки показували, що дуже товстий шар меланізованого матеріалу міг би істотно послаблювати радіаційне навантаження.
Але це саме теоретична оцінка, а не доказ того, що на Марсі можна просто виростити багатометрову стіну з плісняви.
Але якщо люди справді захочуть використовувати гриб як частину радіаційного захисту на Марсі, виникне безліч практичних проблем:
– звідки брати воду для його вирощування;
– чим забезпечувати його поживними речовинами;
– як підтримувати необхідну температуру;
– як контролювати ріст біомаси;
– як захищати гриб від несприятливих умов марсіанського середовища;
– як забезпечити механічну стабільність такого біологічного шару;
– як утилізувати або що робити з відмерлою біомасою.
Тому набагато реалістичніше уявляти гриб не як «живу стіну», а як один із компонентів багатошарового захисного матеріалу.
Гриб може стати частиною конструкції майбутньої бази
Уявімо майбутню марсіанську базу. Замість того щоб доставляти із Землі всю масу захисного матеріалу, частину конструкції можна створити з місцевого реголіту. А всередині або на поверхні захисної конструкції потенційно можна вирощувати меланізовану біомасу.
Схематично це могло б виглядати так:
марсіанський реголіт
↓
структурний захисний шар
↓
меланізована грибна біомаса
↓
додаткове поглинання випромінювання
↓
потенційне самовідновлення біологічного шару
Це пов’язано з концепцією ISRU — використання місцевих ресурсів безпосередньо на іншому небесному тілі.
Саме тому дослідження таких грибів цікавлять не лише мікологів, а й фахівців із космічної біології та майбутніх технологій освоєння інших планет.
Чорнобильський гриб — не мутант із фантастичного фільму
І тут потрібно розвіяти ще один популярний міф.
Не варто уявляти, що після аварії 1986 року в Чорнобилі раптом виникла якась нова «радіоактивна пліснява».
Меланізовані гриби існували задовго до аварії. Чорнобиль не створив їх із нуля. Він просто створив надзвичайно жорстке середовище, у якому природні властивості деяких організмів стали особливо помітними.
У середовищі, де сильне випромінювання пригнічує частину конкурентів, ознака, яка допомагає переносити радіаційний стрес, може стати великою еволюційною перевагою.
Це один із найцікавіших уроків Чорнобиля: екстремальне середовище не обов’язково означає відсутність життя.
Іноді воно означає появу умов для дуже незвичайних форм адаптації.
Але є ще одна цікава властивість
Cladosporium sphaerospermum цікавий не тільки радіацією.
У 2020 році дослідники повідомили про штам TC09, який у лабораторних експериментах демонстрував здатність стимулювати ріст рослин.
У дослідах із тютюном і перцем присутність гриба поблизу проростків могла помітно прискорювати їхній розвиток. Ймовірно, значну роль у цьому відіграють леткі органічні сполуки, які гриб виділяє в навколишнє середовище.
Тобто один і той самий вид може бути цікавим одразу з кількох причин:
радіаційна стійкість;
меланізація;
виживання в бідних на ресурси середовищах;
взаємодія з рослинами;
потенційне застосування в космічній біології.
А тепер — найфантастичніша частина
Чорні гриби змушують поставити цікаве еволюційне питання: чому меланін так добре працює в екстремальних умовах?
Меланін — дуже давній біологічний пігмент. Він зустрічається у величезній кількості організмів і виконує різні функції.
У меланізованих грибів він може бути своєрідним багатофункціональним захисним матеріалом: захищає клітину → взаємодіє з випромінюванням → зменшує наслідки окисного стресу → впливає на електронні процеси.
Тому чорний колір колонії — це не просто колір. Це може бути частиною складної системи виживання.
То чи справді гриб «живиться радіацією»?
Якщо відповісти одним реченням: не зовсім так, як це часто описують у популярних статтях.
Ми маємо вагомі підстави говорити, що меланізовані гриби мають високу стійкість до іонізуючого випромінювання.
Для деяких грибів спостерігали радіотропізм. Радіація за певних умов може впливати на їхній ріст. Опромінення змінює електронні властивості меланіну.
Cladosporium sphaerospermum здатний рости в умовах космічного середовища. А грибна біомаса може певною мірою послаблювати проходження випромінювання.
Але твердження, що гриб буквально «їсть радіацію», є спрощенням. Іонізуюче випромінювання не є для нього аналогом сонячного світла в класичному фотосинтезі. Повна молекулярна схема перетворення енергії радіації на біологічно корисну хімічну енергію досі не встановлена. І, можливо, це навіть цікавіше за красивий заголовок про «плісняву, яка їсть ядерну енергію». Бо перед нами організм, який опинився на межі між біологією, радіаційною фізикою та космічними технологіями.
Від Чорнобиля — до Марса
Історія Cladosporium sphaerospermum почалася не з космосу.
Це звичайний мікроскопічний гриб, описаний ще в XIX столітті, який здатний жити на рослинних рештках, у ґрунті та навіть у звичайних будівлях.
Але Чорнобиль показав його з іншого боку. Організм, який ми майже не помічаємо у звичайному житті, виявився здатним існувати в умовах, де для більшості форм життя середовище стає смертельно небезпечним.
Потім з’явилася Міжнародна космічна станція. А далі — ідея майбутнього життя на Марсі.
Можливо, саме такі непомітні мікроорганізми колись допоможуть людям вирішувати одну з найбільших проблем космічних польотів — захист від радіації.
Не тому, що гриб «з’їдає ядерну радіацію». А тому, що життя вміє робити те, що інженери часто намагаються зробити штучно: перетворювати несприятливе середовище на ресурс для виживання.
І, можливо, одного дня частиною першої довготривалої людської бази на Марсі стане матеріал, який не просто побудували. Його виростили. Джерело