Het is moeilijk voor te stellen dat in de ingewanden van Reactor nummer 4 van TsjernobylWaar straling nog steeds een mens binnen enkele minuten kan doden, is er iets dat die dodelijke energie niet alleen weerstaat, maar er zelfs van gedijt. Dat is echter precies wat er gebeurt met een aantal merkwaardige zwarte schimmels die al decennialang wetenschappers, astrobiologen... en, in toenemende mate, tuinliefhebbers en liefhebbers van groene biotechnologie voor een raadsel stellen.
Deze organismen, waaronder de schimmel, vallen op. Cladosporium sphaerospermumZe lijken straling te gebruiken alsof het een soort 'energievoedsel' is. Hun vreemde vermogen om te groeien in een van de meest giftige omgevingen ter wereld heeft de deur geopend naar ideeën die jaren geleden nog als sciencefiction zouden hebben geklonken: levende muren die astronauten beschermen, biologische materialen die kosmische straling blokkeren, en, waarom niet, toepassingen in tuinieren en teelt in extreme omgevingen waar straling een echt probleem is.
Van nucleaire ramp tot levend openluchtlaboratorium
Op 26 april 1986 maakte een slecht geplande veiligheidstest Tsjernobyl tot een van de grote milieurampen in de geschiedenisDe explosie van reactor 4 bracht een enorme wolk aan radionucliden in de atmosfeer. Volgens verschillende berekeningen was dit vergelijkbaar met honderden bommen op Hiroshima. De bodem, bossen en hele steden raakten vervuild.
De ontsnapping maakte een aantal mensen vrij 200 ton radioactief materiaal Dit dwong tot de instelling van een uitsluitingszone van ongeveer 30 kilometer rond de centrale, op de grens tussen Oekraïne en Wit-Rusland. Dat gebied werd vrijwel ontoegankelijk voor menselijk leven, en volgens sommige studies konden mensen er zelfs doorheen reizen. eeuwen voordat ze daar weer veilig konden levenvooral in de omgeving het dichtst bij de reactor, waar bepaalde isotopen (zoals Cs-137 of strontium-90) tientallen tot duizenden jaren actief blijven.
Toch begon de natuur, die normaal gesproken haar eigen gang gaat, tekenen van herstel te vertonen. Jonge bossen drongen gebouwen en wegen binnen, de wolven, wilde zwijnen, herten en elanden Ze vonden een onverwachte schuilplaats en de dichtheid aan wilde dieren in de verboden zone werd zelfs groter dan in veel nabijgelegen beschermde reservaten. Tussen de verwrongen bomen, roofvogels, zwarte ooievaars, kikkers, padden en een legioen insecten werd Tsjernobyl een soort radioactief natuurreservaat.
Maar wat echt verrassend was, lag ten grondslag aan de ramp. In de jaren negentig onderzocht een groep wetenschappers, waaronder de Oekraïense mycoloog Nelli ZhdanovaHij begon de ruïnes van de energiecentrale te verkennen en betrad galerijen, gangen en ruimtes waar de straling, gemeten met geigertellers, nog steeds verwoestende niveaus bereikte. Wat ze in de plafonds, muren en metalen leidingen aantroffen, was even verontrustend als fascinerend: een zwarte schimmel die de meest vervuilde oppervlakken koloniseerde.
De ontdekking van radiotrope zwarte schimmels
Tijdens de eerste bemonsteringscampagnes in en rond de verwoeste reactor identificeerden Zhdanova en andere teams meer dan drie dozijn soorten schimmelsVeel van hen waren donker, bijna zwart, met celwanden die zeer rijk waren aan melanine. Eén soort begon op te vallen (paradoxaal genoeg, levend in het donker): Cladosporium sphaerospermum.
Deze schimmel verscheen op plekken met extreem hoge stralingsniveaus, en deed dat met een eigenaardigheid die de traditie doorbrak: in plaats van zich terug te trekken uit de buurt van radioactieve bronnen, leken zijn schimmeldraden groeien gericht op het radioactieve materiaalDit gedrag werd gedoopt radiotropismeEr was niet alleen sprake van resistentie; het wekte de indruk dat de schimmel de straling "opzocht".
Iedereen met ook maar een basiskennis van stralingsbiologie weet dat dit gek klinkt: ioniserende straling (gamma-, alfa- en bètadeeltjes, hoogenergetische protonen…) is aanzienlijk energieker dan zichtbaar licht en Het vernietigt DNA en eiwitten van de meeste levende organismen, en veroorzaakt mutaties, kanker of celdood. Daarom wordt het bijvoorbeeld gebruikt bij radiotherapie om tumoren te vernietigen.
De in Tsjernobyl verkregen monsters lieten echter iets heel anders zien. Niet alleen werden deze zwarte schimmels aangetroffen in sterk verontreinigde materialen, maar vergeleken met andere schimmels in het gebied, Ze vertoonden een bijzonder krachtige groei in aanwezigheid van stralingOnderzoekers vroegen zich af of ze op een of andere manier die dodelijke energie konden benutten.
Om de zaken nog ingewikkelder te maken, werden parallel andere organismen in het gebied met vergelijkbare strategieën geobserveerd. Zo vertoonden sommige kikkers uit nabijgelegen vijvers hogere niveaus van melanine in de huidZe kozen voor donkerdere tinten, wat hen een zeker voordeel leek te geven bij hun overleving op de lange termijn. Alles wees erop dat melanine een sleutelrol speelde in dat extreme ecosysteem.
Melanine: van huidskleur tot schild (en mogelijke batterij) tegen straling
Melanine is een alomtegenwoordig pigment: het geeft onze huid haar kleur. huid, haar en irisHet is ook aanwezig in veel dieren, planten en micro-organismen. In ons geval weten we dat donkere huidtinten beter beschermd zijn tegen de ultraviolette (UV) straling van de zon, waardoor de schade die deze straling aan het DNA veroorzaakt, wordt verminderd.
Bij de schimmels uit Tsjernobyl hoopt deze melanine zich op in de celwanden, waardoor ze hun karakteristieke zwarte kleur krijgen. In tegenstelling tot een stijf schild fungeert de melanine als een een soort rommelige energiesponsIn plaats van de straling te reflecteren, absorbeert het deze en verspreidt de energie ervan in meerdere richtingen. Zo wordt de impact op de vitale structuren van het lichaam tot een minimum beperkt.
Bovendien is melanine een krachtige antirustIoniserende straling genereert vrije radicalen en zeer reactieve ionen die lipiden, eiwitten en nucleïnezuren beschadigen. De chemische structuur van melanine kan veel van deze reactieve verbindingen "vangen" en neutraliseren, waardoor ze worden omgezet in stabielere moleculen. Deze dubbele functie – energie absorberen en vrije radicalen deactiveren – maakt melanine een ideale kandidaat om de resistentie van deze schimmels te begrijpen.
Maar de experimentele resultaten gingen nog verder. In 2007 ontdekte de kernwetenschapper Ekaterina DadachovaTijdens zijn werk aan het Albert Einstein College of Medicine (New York) stelde hij gemelaniseerde schimmels bloot aan bronnen van radioactief cesiumBij vergelijking met identieke gewassen, maar zonder straling, observeerde hij dat die gewassen die aan straling waren blootgesteld, ongeveer één keer zo groot werden als de gewassen die aan straling waren blootgesteld. 10% sneller.
Dadachova's team mat niet alleen de groei, maar ook veranderingen in de melanine zelf. Toen de schimmels werden bestraald, vertoonde het pigment structurele veranderingen en gedragingen die consistent waren met die van een energietransducerIets dat een deel van de stralingsenergie kan omzetten in processen die nuttig zijn voor de stofwisseling van de schimmel. Dit idee leidde tot het ontstaan van een term die bijna ketters klonk: radiosynthese.
Radiosynthese: Schimmels die straling “eten”?
Het voorstel van Dadachova en collega's was even opvallend als verstandig: gemelaniseerde schimmels zoals Cladosporium sphaerospermum Ze zouden ioniserende straling kunnen gebruiken op een manier die analoog is aan hoe planten licht gebruiken bij fotosynthese. Terwijl chlorofyl fotonen van zichtbaar licht opvangt om de elektronentransportketen aan te drijven en ATP te produceren, zou melanine deze absorberen. veel energiekere straling en het zou het naar metabolische routes kanaliseren die nog niet volledig beschreven zijn.
Daar komt de term vandaan radiosyntheseEen proces waarbij melanine stralingsenergie zou omzetten in een extra boost voor de stofwisseling van schimmels. Volgens schattingen die Dadachova zelf aanhaalt, kan ioniserende straling tot... een miljoen keer meer energie Het witte licht dat planten gebruiken voor fotosynthese vereist een zeer krachtig moleculair "apparaat" om die energie terug te brengen tot bruikbare niveaus. En dat is precies waar melanine om de hoek komt kijken.
Het is echter belangrijk om niet te optimistisch te zijn: hoewel laboratoriumgegevens wijzen op een toegenomen groei onder invloed van straling en functionele veranderingen in melanine, Een volledig metabolisch pad is nog niet aangetoond equivalent aan fotosynthese. Er is bijvoorbeeld geen duidelijk stralingsafhankelijk koolstofbindingsproces of directe, stapsgewijze omzetting van die energie in ATP waargenomen.
Dat is de reden dat veel specialisten erop hameren dat radiosynthese tot op de dag van vandaag een goed onderbouwde maar onvolledige hypotheseHet is bekend dat straling melanine verandert en dat gemelaniseerde schimmels onder deze omstandigheden een voordeel kunnen hebben. Het exacte werkingsmechanisme, de betrokken receptoren of regio's van melanine en het pad naar de uiteindelijke biochemische processen zijn echter nog niet opgehelderd.
Een ander belangrijk punt is dat Niet alle zwarte schimmels gedragen zich hetzelfde.In een onderzoek uit 2006 verzamelden Zhdanova en haar team 47 gemelaniseerde soorten in Tsjernobyl, en slechts 9 vertoonden duidelijk radiotropisme richting een cesium-137-bron. Meer recent, in 2022, vonden experimenten in Sandia National Laboratories (New Mexico) met gemelaniseerde en niet-gemelaniseerde schimmels onder UV-straling en cesium-137 geen significante verschillen in groei. Met andere woorden, het fenomeen is noch universeel, noch automatisch.
Zwarte paddenstoelen reizen de ruimte in: tests op het Internationale Ruimtestation
Als er één omgeving is waar straling een constante hoofdpijn is, dan is het wel de ruimte. Buiten de bescherming van de atmosfeer en magnetosfeer van de aarde worden astronauten blootgesteld aan wat bekend staat als galactische kosmische straling: een regen van protonen en andere geladen deeltjes, waarvan er veel afkomstig zijn van stellaire explosies, die met snelheden reizen die dicht bij die van het licht liggen.
Deze straling gaat relatief gemakkelijk door materialen zoals lood heen en is een van de grotere risico's voor toekomstige langdurige missies naar de maan, Mars of verder. Daarom zijn ruimtevaartorganisaties – waaronder NASA, ESA en het Chinese CNSA – op jacht naar efficiënte, lichtgewicht en, indien mogelijk, eenvoudig te produceren schilden buiten de aarde.
In deze context klonk het idee om zwarte schimmels te gebruiken als een "biologische paraplu" tegen straling niet langer vergezocht. Tussen 2018 en 2020 ontwikkelde een team van onderzoekers, waaronder de biochemicus Nils Averesch (Universiteit van Florida), stuurde oogsten van Cladosporium sphaerospermum naar Internationaal ruimtestation (ISS) om het gedrag ervan in microzwaartekracht en onder echte kosmische straling te bestuderen.
De monsters werden vergeleken met controleculturen die op aarde werden gehouden. Na 26 dagen blootstelling aan het ISS observeerden wetenschappers dat de ruimteschimmels Ze groeiden gemiddeld 1,21 keer sneller dan de controlegroep. Dit versterkte het idee dat straling hen een voordeel zou kunnen geven, hoewel de auteurs zelf erkennen dat de Microzwaartekracht zou ook een rol kunnen spelen in dat verschil. Averesch blijft op aarde experimenten uitvoeren met machines die gewichtloosheid simuleren om de twee factoren te scheiden.
Een ander belangrijk onderdeel van het experiment was het meten van de vermogen van schimmels om straling te blokkerenOm dit te doen, werden sensoren onder een dun laagje mycelium geplaatst. C. sphaerospermumNaarmate de schimmel groeide, registreerden de detectoren een progressieve vermindering van de radioactieve flux, wat aantoonde dat zelfs een klein "plekje" schimmel Het zou als gedeeltelijk schild kunnen dienen tegen de omgevingsstraling van het ISS.
Dit resultaat bewijst op zichzelf niet dat er sprake is van radiosynthese, maar het bevestigt wel dat een biomassa die rijk is aan melanine – plus water, suikers en andere cellulaire componenten – een interessant vermogen om straling te absorberen en te verzwakkenWater is in feite een van de bekendste beschermers tegen hoogenergetische protonen, dankzij zijn hoog proton (waterstof)gehalteHet is geen toeval dat waterreservoirs worden beschouwd als een barrière bij het ontwerpen van ruimtelijke leefomgevingen.
Ondanks deze bedenkingen heeft het gedrag van deze schimmels in een baan om de aarde de verbeelding van ruimte-ingenieurs en architectenAls een dunne laag mycelium de straling al enigszins vermindert, wat zou een hele wand die is "bebouwd" met gemelaniseerde schimmels, eventueel in combinatie met ander biologisch materiaal, dan niet kunnen?
Zwarte schimmel als levend pantser: maanbases, Mars en verder
Als we het erover hebben om mensen permanent naar de maan of naar Mars te sturen, is de vraag niet alleen hoe we daar moeten komen, maar Hoe je daar kunt leven zonder door straling verbrand te wordenHet lanceren van tonnen lood, beton of speciaal glas in de ruimte is extreem duur qua brandstof en logistiek. Sterker nog, de astrobioloog Lynn J. Rothschild (NASA Ames) vergeleek deze strategie met een schildpad die zijn eigen schild draagt: het werkt, maar is enorm inefficiënt.
Daarom winnen concepten als... terrein “microarchitectuur”Met behulp van schimmels en andere organismen wordt een deel van de infrastructuur voor toekomstige bases ter plaatse vervaardigd. Rothschild en zijn team hebben prototypes van meubels ontwikkeld en structurele myceliumpanelen die in schimmels kunnen groeien, verharden en als muren of plafonds kunnen dienen. Als daar gemelaniseerde soorten met radioprotectieve capaciteit aan worden toegevoegd, zou het resultaat zoiets zijn als een zelfherstellend biologisch schild.
Het idee is op papier eenvoudig: in plaats van tonnen materiaal te vervoeren, zou je alleen maar kleine hoeveelheden sporen, voedingsstoffen en kweekapparatuurEenmaal op de maan of Mars zouden de schimmels groeien met behulp van lokale hulpbronnen (water, mineralen) en panelen, gewelven of isolatielagen vormen die ook een groot deel van de kosmische straling absorberen die door de leefomgeving probeert te dringen.
Dit is niet alleen logisch in termen van gewicht en kosten, maar ook in termen van onderhoud. Een levend, gemelaniseerd materiaal kan regenereren na micrometeorietinslagen of kleine scheuren, in tegenstelling tot traditionele metalen constructies die voortdurend gerepareerd moeten worden. Stel je een Marskas voor, bedekt met een zwarte schimmelhuid die zowel de planten als degenen die ze kweken beschermt.
In feite, en dit is waar de verbinding met tuinieren om de hoek komt kijken, houden veel van deze ruimtelijke habitatontwerpen rekening met plantenteeltmodules om voedsel, zuurstof en psychologisch welzijn te produceren. De combinatie van radiotrope schimmels met planten zou kunnen leiden tot gemengde systemen waarbij het mycelium als schild en structurele ondersteuning fungeert, terwijl de planten de productie van eetbare biomassa en zuurstofvoorziening verzorgen.
Terrestrische toepassingen en knipogen naar tuinieren
Het mooie van dit alles is dat je niet naar Mars hoeft te gaan om je praktische toepassingen voor te stellen. De eigenschappen van de zwarte schimmels uit Tsjernobyl hebben de interesse gewekt van kunstenaars, architecten en biotechnologen die er een instrument om straling op onze eigen planeet te beheersenEen voorbeeld is het werk van de architect en de kunstenaar Fernando Crema'sdie jarenlang onderzoek heeft gedaan naar de manier waarop gedroogde sporen van radiotrope schimmels gebruikt kunnen worden om de radioactiviteit in besmette gebieden te verlagen.
Cremades heeft zelfs prototypes ontworpen van autonome apparaten zoals 'drones' of mobiele artefacten die, uitgerust met een Geigerteller en een Arduino-systeemZe geven sporen af wanneer ze straling boven een bepaalde drempel detecteren. Het idee is dat de schimmel de gevaarlijkste oppervlakken koloniseert, een deel van de straling absorbeert en na verloop van tijd bijdraagt aan de bioremediatie van die omgevingen.
Om vooruitgang te boeken in dit soort toepassingen, is het project “Toepassingen van radiotrofe schimmels en hun inzet in radioactieve omgevingen", in samenwerking met de Johns Hopkins Universiteit en centra zoals Medialab Matadero (Madrid). Het doel is om in het veld te onderzoeken hoe de schimmel zich zou kunnen gedragen in stedelijke omgevingen, nucleaire opslagfaciliteiten, ziekenhuizen (bijvoorbeeld op het gebied van radiologie of radiotherapie) en andere plaatsen waar straling, hoewel niet zo sterk als Tsjernobyl, toch een factor is om rekening mee te houden.
En wat heeft tuinieren hiermee te maken? Hoewel het voor de hand liggend is We gaan geen Tsjernobyl-paddenstoelen in de bloemperken van de tuin planten.Ja, er is een interessante parallel: deze schimmels zijn een extreem voorbeeld van hoe het leven zijn metabolisme kan aanpassen aan zeer barre omstandigheden. In de tuinbouw en landbouw wordt steeds meer aandacht besteed aan nuttige bodemmicro-organismen (mycorrhiza-schimmels, stikstofbindende bacteriën, enz.) die planten helpen om stress, droogte of slechte grond te weerstaan.
Radiotrope schimmels verbreden die horizon. Geïnspireerd door hun biologie zouden ze in de toekomst ontwikkeld kunnen worden. biomeststoffen of beschermende bio-afdekkingen voor omgevingen met een lage maar aanhoudende radioactieve besmetting, of voor gebieden die getroffen zijn door nucleaire ongevallen en waar de geleidelijke herintroductie van vegetatie gewenst is. De mogelijkheid om schimmelmelanine als component te gebruiken, wordt ook onderzocht. geavanceerde tuinmaterialen (barrières, schermen, kasoverkappingen) die bepaalde straling dempen en zowel planten als mensen beschermen.
Bovendien past het concept van 'extreem tuinieren' – het cultiveren van leven op plekken die we als bijna verloren beschouwen – perfect bij het verhaal van Tsjernobyl. Daar, waar alles voorgoed dood leek, mossen, grassen, bomen en schimmels Ze hebben een nieuw ecosysteem gecreëerd. Inzicht in wat dit herstel mogelijk maakt en hoe bepaalde organismen dit bewerkstelligen, kan ons aanwijzingen geven voor het herstel van gedegradeerde ruimtes hier en nu.
Vanuit een bepaald perspectief bekeken, verbindt het verhaal van de zwarte paddenstoelen in Tsjernobyl een nucleaire ramp, extreme biologie, ruimtevaart en tuinieren op manieren die enkele decennia geleden onmogelijk leken. Sinds de ontdekking van Cladosporium sphaerospermum Van de wanden van reactor 4 tot experimenten op het internationale ruimtestation ISS en microarchitectuurprojecten: het is een krachtig idee dat naar voren komt: Het leven blijft niet alleen voortbestaan, het vindt zichzelf ook steeds opnieuw uit, door datgene wat ooit puur vergif leek, als hulpbron te gebruiken.Als we goed begrijpen hoe deze schimmel dit doet, en hoe we ermee kunnen werken zonder de risico's uit het oog te verliezen, kan dat een grote verandering teweegbrengen in de manier waarop we astronauten beschermen en in de manier waarop we tuinen, kassen en landschappen ontwerpen op een planeet die nu meer dan ooit behoefte heeft aan zulke veerkrachtige bondgenoten.
