Радиотрофные грибы — это грибы , которые могут выполнять гипотетический биологический процесс, называемый радиосинтезом , что означает использование ионизирующего излучения в качестве источника энергии для управления метаболизмом. Утверждалось, что радиотрофные грибы были обнаружены в экстремальных условиях, таких как на Чернобыльской АЭС .
Большинство радиотрофных грибов используют меланин в той или иной степени для выживания. [1] Процесс использования радиации и меланина для получения энергии называется радиосинтезом и считается аналогичным анаэробному дыханию . [2] Однако неизвестно, используются ли в радиосинтезе многоступенчатые процессы, такие как фотосинтез или хемосинтез , или существует ли радиосинтез в живых организмах.
Многие грибы были изолированы из области вокруг разрушенной Чернобыльской АЭС , некоторые из которых, как было замечено, направляли свой рост гиф к радиоактивному графиту из катастрофы, явление, называемое «радиотропизмом». [3] [4] Исследование исключило присутствие углерода как ресурса, привлекающего колонии грибов, и фактически пришло к выводу, что некоторые грибы будут предпочтительно расти в направлении источника бета- и гамма-ионизирующего излучения, но не смогли определить биологический механизм, лежащий в основе этого эффекта. [4] Также было замечено, что другие богатые меланином грибы были обнаружены в охлаждающей воде из некоторых других работающих ядерных реакторов. Светопоглощающее соединение в клеточных мембранах грибов имело эффект окрашивания воды в черный цвет. [5] Хотя существует много случаев экстремофилов (организмов, которые могут жить в суровых условиях, таких как условия радиоактивной электростанции), гипотетический радиотрофный грибок будет расти из-за радиации, а не вопреки ей. [6]
Дальнейшие исследования, проведенные в Медицинском колледже Альберта Эйнштейна, показали, что три грибка, содержащих меланин — Cladosporium sphaerospermum , Wangiella dermatitidis и Cryptococcus neoformans — увеличивали биомассу и быстрее накапливали ацетат в среде, в которой уровень радиации был в 500 раз выше, чем в нормальной среде. C. sphaerospermum , в частности, был выбран из-за того, что этот вид был обнаружен в реакторе в Чернобыле. Воздействие этих уровней радиации на клетки C. neoformans быстро изменяло химические свойства его меланина и увеличивало опосредованную меланином скорость переноса электронов (измеряемую как восстановление феррицианида НАДН ) в три-четыре раза по сравнению с необлученными клетками. Однако каждая культура проводилась с по крайней мере ограниченным количеством питательных веществ , предоставленных каждому грибку. Увеличение биомассы и другие эффекты могут быть вызваны либо тем, что клетки напрямую получают энергию от ионизирующего излучения, либо тем, что излучение позволяет клеткам использовать традиционные питательные вещества более эффективно или быстрее. [6]
За пределами исследований грибов, авторы наблюдали схожие эффекты на способность переноса электронов меланина после воздействия неионизирующего излучения. Авторы не пришли к выводу, будет ли световое или тепловое излучение иметь схожий эффект на живые клетки грибов. [6]
Меланины — это древнее семейство темноокрашенных, встречающихся в природе пигментов с защитными свойствами от радиации. Эти пигменты могут поглощать электромагнитное излучение из-за своего темного цвета и высокого молекулярного веса; это качество предполагает, что меланин может помочь защитить радиотропные грибы от ионизирующего излучения. Было высказано предположение, что радиационно-защитные свойства меланина обусловлены его способностью улавливать свободные радикалы, образующиеся при радиолизе воды. [7] Производство меланина также выгодно для грибка, поскольку оно может помочь выжить во многих экстремальных условиях. Примерами таких условий являются Чернобыльская АЭС , Международная космическая станция и Трансантарктические горы . Меланин также может помочь грибку метаболизировать радиацию , но все еще необходимы дополнительные доказательства и исследования. [1]
Меланизация может быть связана с некоторыми метаболическими затратами для грибковых клеток. В отсутствие радиации некоторые немеланизированные грибы (мутировавшие в меланиновом пути) росли быстрее, чем их меланизированные аналоги. Было высказано предположение, что ограниченное поглощение питательных веществ из-за молекул меланина в клеточной стенке грибка или токсичных промежуточных продуктов, образующихся при биосинтезе меланина, способствуют этому явлению. [6] Это согласуется с наблюдением, что, несмотря на способность производить меланин, многие грибы не синтезируют меланин конститутивно (т. е. все время), а часто только в ответ на внешние стимулы или на разных стадиях своего развития. [8] Точные биохимические процессы в предполагаемом синтезе органических соединений или других метаболитов на основе меланина для роста грибка, включая химические промежуточные продукты (такие как собственные молекулы донора и акцептора электронов) в грибковой клетке, а также местоположение и химические продукты этого процесса неизвестны.
Предполагается, что радиотрофные грибы потенциально могут использоваться в качестве щита для защиты от радиации , [2] в частности, в связи с использованием астронавтов в космосе или других атмосферах. Эксперимент, проходивший на Международной космической станции с декабря 2018 года по январь 2019 года, был проведен с целью проверить, могут ли радиотрофные грибы обеспечить защиту от ионизирующего излучения в космосе, в рамках исследовательских работ, предшествующих возможному полету на Марс . В этом эксперименте использовался радиотрофный штамм гриба Cladosporium sphaerospermum . [2] Рост этого гриба и его способность отклонять эффекты ионизирующего излучения изучались в течение 30 дней на борту Международной космической станции . Это экспериментальное испытание дало весьма многообещающие результаты.
Было обнаружено, что количество отраженного излучения напрямую коррелирует с количеством грибка. Не было никакой разницы в снижении ионизирующего излучения между экспериментальной и контрольной группой в течение первых 24 часов; однако, как только грибок достиг адекватного созревания, и с радиусом защиты 180° количество ионизирующего излучения было значительно снижено по сравнению с контрольной группой. С щитом толщиной 1,7 мм из меланизированного радиотрофного Cladosporium sphaerospermum измерения излучения ближе к концу экспериментального испытания оказались на 2,42% ниже, что демонстрирует способность отклонения излучения в пять раз больше, чем у контрольной группы. В обстоятельствах, в которых грибы полностью охватывали бы объект, уровни излучения были бы снижены примерно на 4,34±0,7%. [2] Оценки показывают, что слой толщиной примерно 21 см мог бы значительно отклонить годовое количество излучения, полученного на поверхности Марса. Ограничения использования щита на основе радиотрофных грибов включают увеличение массы в миссиях. Однако в качестве жизнеспособной замены для снижения общей массы в потенциальных миссиях на Марс можно использовать смесь с равной молярной концентрацией марсианского грунта , меланина и слоя грибов толщиной около 9 см. [2]
