Загадкова пліснява з Чорнобиля, що “живиться” радіацією: як її можна використати

• • Author, Алекс Райлі
  • Role, BBC Future
• 58 хвилин(и) тому

У травні 1997 року Неллі Жданова зайшла в одне з найбільш радіоактивних місць на Землі – у покинуті руїни зруйнованого ядерного реактора на Чорнобильській АЕС – і побачила, що вона там не сама.

На стелі, стінах і всередині металевих труб, що захищали електричні кабелі, оселилася чорна цвіль – у місці, яке колись вважали згубним для життя.

На полях і в лісах за межами станції після зникнення людей відновили свою популяцію вовки та дикі кабани. Але навіть сьогодні там є гарячі точки, де можна знайти приголомшливі рівні радіації.

Цвіль, утворена кількома різними грибами, здавалася особливою. Вона не просто зайняла місце, яке звільнилося, коли працівники покинули станцію.

Раніше, під час дослідження ґрунту навколо Чорнобиля, Жданова виявила, що грибки цвілі насправді тягнулися до радіоактивних частинок, які засмічували територію.

Тепер же вона зʼясувала, що вони дісталися до першоджерела випромінювання – до приміщень усередині зруйнованої будівлі реактора.

З кожним дослідженням, що підводило її ближче до небезпечної радіації, робота Жданової також відкидала наші уявлення про те, як радіація впливає на життя на Землі.

Тепер її відкриття дає надію на очищення радіоактивних територій – і навіть може забезпечити захист астронавтів від шкідливого випромінювання під час подорожей у космос.

26 квітня 1986 року тест безпеки на четвертому реакторі Чорнобильської атомної електростанції швидко перетворився на найгіршу ядерну аварію в світі.

Серія помилок як у конструкції реактора, так і в його роботі призвела до величезного вибуху. Результатом став масивний викид радіонуклідів. Радіоактивний йод став основною причиною смертей у перші дні й тижні, а згодом і раку.

Щоб зменшити ризик опромінення та довгострокових наслідків для здоров’я, створили 30-кілометрову зону відчуження, щоб утримувати людей на відстані від найбільш небезпечних радіоактивних залишків четвертого реактора.

Але поки людей тримали осторонь, чорна цвіль Жданової повільно “колонізувала” цю територію.

Підпис до фото, Іонізуюче випромінювання, можливо, призвело до того, що деревні жаби в Чорнобильській зоні відчуження мають темнішу шкіру (ліворуч), ніж ті, що поза нею (праворуч)Дослідження Жданової показували, що як рослини, що тягнуться до сонячного світла, гіфи – тобто довгі ниткоподібні клітини – грибів, здається, притягуються до іонізуючого випромінювання.

Але “радіотропізм”, як називала це Жданова, був парадоксом: іонізуюче випромінювання загалом потужніше за сонячне світло, це потік радіоактивних частинок, який рве ДНК і білки так, як кулі пробивають плоть.

Ушкодження, яких воно завдає, можуть викликати шкідливі мутації, знищувати клітини та вбивати організми.

Разом із, очевидно, радіотропними грибами, Жданова виявила 36 інших видів звичайних, але віддалено споріднених грибів, що росли навколо Чорнобиля.

Упродовж наступних двох десятиліть її піонерська робота над радіотропними грибами, які вона ідентифікувала, вийшла далеко за межі України.

Вона додала знань про потенційно нову основу життя на Землі, таку, що процвітає завдяки радіації, а не сонячному світлу.

І вона привела науковців NASA до ідеї оточувати своїх астронавтів стінами з грибів – як довговічної форми системи життєзабезпечення.

Центральним елементом цього явища є пігмент, поширений у живих організмах на Землі – меланін. Ця молекула, яка може варіюватися від чорного до червоно-коричневого, визначає різні кольори шкіри та волосся у людей. І саме вона є причиною того, що різні види цвілі, які ростуть у Чорнобилі, були чорними. Їхні клітинні стінки були насичені меланіном.

Жданова підозрювала, що так само, як темніша шкіра захищає наші клітини від ультрафіолетового (УФ) випромінення, меланін цих грибів діяв як щит від іонізуючого випромінення.

Втім, захисні властивості меланіну використовували не лише гриби. У ставках навколо Чорнобиля жаби з вищою концентрацією меланіну в клітинах, а отже темнішого кольору, краще виживали та розмножувалися, повільно роблячи місцеву популяцію чорною.

Меланін працює не так, як, приміром, щит, що захищає від стріли. Він не є твердою чи гладкою поверхнею. Випромінення – чи то УФ, чи радіоактивні частинки – поглинається його невпорядкованою структурою, а його енергія розсіюється, а не відбивається.

Меланін також є антиоксидантом – молекулою, яка може перетворювати реактивні йони, що виникають через випромінення в біологічних тканинах, і повертати їх у стабільний стан.

У 2007 році Катерина Дадачова, ядерна науковиця з Медичного коледжу імені Альберта Ейнштейна в Нью-Йорку, доповнила роботу Жданової щодо грибів Чорнобиля, показавши, що їхній ріст був не лише “спрямованим” (радіотропним), але й справді збільшувався в присутності випромінення.

Меланізовані гриби – такі самі, як усередині чорнобильського реактора, – росли на 10% швидше в присутності радіоактивного цезію порівняно з такими самими грибами, вирощеними без випромінення, виявила вона.

Дадачова та її команда з’ясували, що меланізовані гриби, які опромінювалися, використовували енергію для підтримання свого метаболізму. Іншими словами, вони використовували її для росту.

Підпис до фото, Культури, знайдені на четвертому блоці Чорнобильської АЕС, зокрема Cladosporium sphaerospermum. На малюнку зверху праворуч видно меланізаціюЖданова припускала, що ці гриби можуть використовувати енергію від випромінення, і тепер дослідження Дадачової, здавалося, розвивали цю ідею.

Ці гриби не просто росли у напрямку до випромінення заради тепла чи якоїсь невідомої реакції між випроміненням і довкіллям, як припускала Жданова.

Дадачова вважала, що гриби активно живляться енергією випромінення. Вона назвала цей процес “радіосинтезом”. І меланін був центральним елементом цієї теорії.

“Енергія іонізуючого випромінення приблизно в один мільйон разів вища за енергію білого світла, яке використовується у фотосинтезі”, – каже Дадачова.

“Тож потрібен доволі потужний перетворювач енергії, і ми вважаємо, що меланін здатний саме на це, на перетворення [іонізуючого випромінення] у придатні рівні енергії”, – додає вона.

Радіосинтез і досі є теорією, адже його можна довести лише тоді, коли буде відкрито точний механізм взаємодії між меланіном і метаболізмом.

Науковцям довелося б знайти точний рецептор або певну ділянку у складній структурі меланіну, яка бере участь у перетворенні випромінення на енергію для росту.

Останніми роками Дадачова та її колеги почали визначати деякі зі шляхів і білків, які можуть бути основою підвищення росту грибів під дією іонізуючого випромінення.

Не всі меланізовані гриби демонструють схильність до радіотропізму та позитивного росту в присутності випромінення.

Наприклад, дослідження 2006 року Жданової та її колег показало, що лише дев’ять із 47 видів меланізованих грибів, які вони зібрали в Чорнобилі, росли у напрямку джерела радіоактивного цезію (цезій-137).

Подібним чином у 2022 році науковці з Національних лабораторій Сандія в Нью-Мексико не виявили різниці в рості, коли два види грибів (один меланізований, інший ні) піддали дії УФ-випроміненню та цезію-137.

Але того ж року цю саму тенденцію до зростання грибів під впливом випромінення виявили знову – цього разу в космосі.

На відміну від радіоактивного розпаду, який спостерігається в Чорнобилі, так зване галактичне космічне випромінення є невидимою бурею заряджених протонів, кожен з яких рухається майже зі швидкістю світла у Всесвіті.

Воно походить від зірок, що вибухають за межами нашої Сонячної системи, і без особливих труднощів проходить навіть крізь свинець. На Землі наша атмосфера значною мірою захищає нас від нього, але для астронавтів, які вирушають у космічні подорожі, його називають найбільшою небезпекою для здоров’я.

Але навіть галактичне космічне випромінення не стало проблемою для зразків Cladosporium sphaerospermum, того самого штаму, який Жданова знаходила всюди в Чорнобилі – згідно з дослідженням, яке відправило ці гриби на Міжнародну космічну станцію у грудні 2018 року.

“Ми показали, що воно краще росте в космосі”, – каже Нільс Авереш, біохімік з Університету Флориди та співавтор дослідження.

Підпис до фото, Ізолят Cladosporium sphaerospermum з Чорнобиля, вирощений у чашках з картопляно-декстрозним агаром, демонструє дуже високий рівень меланізаціїПорівняно з контрольними зразками на Землі, дослідники виявили, що гриби, які зазнавали дії галактичного космічного випромінювання протягом 26 днів, росли в середньому у 1,21 раза швидше.

Попри це, Авереш усе ще не переконаний, що це сталося тому, що C. sphaerospermum використовували випромінювання в космосі як джерело енергії.

Підвищені темпи росту, каже він, могли бути результатом невагомості – ще одного фактора, якого не зазнавали земні гриби.

Авереш зараз проводить експерименти з використанням машини випадкового позиціонування, яка імітує невагомість на Землі, щоб розділити ці дві можливості.

Однак Авереш і його колеги також дослідили захисний потенціал меланіну в C. sphaerospermum, розмістивши датчик під зразком грибів на борту Міжнародної космічної станції.

Порівняно зі зразками без грибів, кількість заблокованого випромінювання зростала разом із ростом грибів, і навіть тонкий шар плісняви на чашці Петрі виявився ефективним щитом.

“Зважаючи на порівняно тонкий шар біомаси, це може свідчити про значну здатність C. sphaerospermum поглинати космічне випромінювання у виміряному спектрі”, – написали дослідники.

Авереш зазначає, можливо, що очевидні радіозахисні властивості грибів зумовлені компонентами біологічних структур, відмінними від меланіну.

Наприклад, вода – молекула з великою кількістю протонів у своїй структурі (вісім в атомі кисню та по одному в кожному атомі гідрогену) – є одним із найкращих способів захисту від протонів, що несуться крізь космос. Це свого роду астробіологічний аналог боротьби вогнем з вогнем.

Попри це, отримані результати відкрили цікаві перспективи вирішення проблеми життя в космосі. І Китай, і США планують створити бази на Місяці в найближчі десятиліття, а компанія SpaceX із Техасу прагне запустити свою першу місію на Марс до кінця 2026 року та висадити там людей упродовж трьох-п’яти років потому.

Людей, які житимуть на таких базах, потрібно буде захищати від космічного випромінювання. Але використання води чи поліетиленового пластику як радіозахисного кокона може виявитися занадто важким для старту.

Метал і скло мають подібну проблему. Лінн Дж. Ротшильд, астробіологиня з Дослідного центру NASA імені Еймса, порівняла транспортування таких матеріалів у космос із черепахою, яка всюди носить свій панцир.

“Це надійний план, але з величезними енергетичними витратами”, – зазначила вона у релізі NASA 2020 року.

Її дослідження привели до створення меблів і стін на основі грибниці, які можна вирощувати на Місяці чи Марсі. Таке “мікоархітектурне” середовище не лише зменшить вартість запуску, але й – якщо результати Дадачової та Авереша підтвердяться – може слугувати радіаційним щитом, самовідтворюваним бар’єром між людьми у космосі та бурею галактичного космічного випромінювання ззовні.

Так само, як чорні плісняві гриби “колонізували” покинутий світ у Чорнобилі, вони, можливо, колись захищатимуть наші перші кроки у нових світах Сонячної системи.

Підписуйтеся на нас у соцмережах