Когда я обычно рассматриваю лишайники, я нахожусь в лесу и рассматриваю в лупу вычурные наросты на ветвях деревьев. Или на обнаженных скалах высоко в Альпах, или на старых надгробиях, или на каменистом берегу моря, в зоне, где водоросли перестают расти, но до того, как наземные растения захватят их. Во время исследования для книги о симбиозе я рассматривал множество лишайников, но никогда раньше не видел их в лабораторной колбе, кружащейся в инкубаторе. И хотя я часто думаю о том, что лишайники говорят нам о прошлом, до недавнего времени я не задумывался о том, что они говорят нам о будущем.
Зеленая мутная жидкость, на которую я смотрю в инкубаторе, — это совсем не то, что мы думаем о лишайнике, который представляет собой симбиотическое партнерство гриба и водоросли. «Это потому, что это синтетический лишайник», — говорит Родриго Ледесма-Амарокоторый является директором Центр Безоса по устойчивому белку здесь, в Имперском колледже Лондона. Жидкость представляет собой совместную культуру двух видов: гриба (дрожжей) и цианобактерии. Подобно естественному лишайнику, гриб обеспечивает каркас, структуру-хозяин для бактерии, а бактерия производит сахара посредством фотосинтеза с использованием света, воды и углекислого газа и скармливает их грибу.
С какой стати тебе захотелось приготовить такое зелье? Потому что, говорит мне Ледесма-Амаро, мы можем редактировать гены дрожжей, чтобы заставить их создавать всевозможные полезные продукты – еду, топливо, химикаты, материалы, фармацевтические препараты – и если мы сможем стимулировать это производство посредством фотосинтеза, тогда мы сможем производить эти вещи устойчиво. По этой причине синтетические лишайники вызывают ажиотаж не только в биотехнологической отрасли, но и за ее пределами. Оказывается, лишайники можно использовать для ремонта зданий, борьбы с климатическим кризисом и даже для строительства жилья на Марсе.
«Синтетические лишайники воссоздают симбиоз природных лишайников, но растут гораздо быстрее, а использование дрожжей в качестве партнера позволяет нам устойчиво производить целый ряд ценных соединений», — говорит Ледесма-Амаро. Дрожжи — это хорошо известный промышленно развитый организм, который «программируется» и его легко выращивать в больших масштабах. В синтетическом лишайнике, который я вижу, Ледесма-Амаро и его команда используют дрожжи, генетически модифицирован для производства кариофилленасоединение, которое находит применение в фармацевтической, косметической и топливной промышленности. В ближайшем будущем он предвидит появление ряда полезных продуктов: антибиотиков, биотоплива и синтетического пальмового масла. Другая форма синтетического лишайника может быть создана для улавливания и хранения углекислого газа. Другие ученые считают, что лишайники используются для ремонта стареющих бетонных конструкций по всему миру. Амбиции в отношении лишайников высоки и выходят даже за пределы нашей планеты. На Луне и Марсе НАСА и частные космические компании планируют использовать синтетический космический лишайник – известный как искусственный живой материал – для выращивания на реголите и изготовления материала для строительства зданий и мебели.
Жить вместе
Скромные на вид и медленные в росте лишайники являются архетипическим проявлением симбиоза, что означает «жить вместе» и относится к сосуществованию двух разных видов. В случае с лишайником объяснение из учебника состоит в том, что грибной партнер является хозяином особи другого вида, известной как фотобионт. Обычно это водоросли, но иногда и бактерии, которые добывают пищу посредством фотосинтеза и делятся ею со своим хозяином. Грибковый партнер обеспечивает, среди прочего, превосходную защиту от непогоды, благодаря чему лишайник может выжить в экстремальных условиях, где мало что еще может обеспечить жизнь. Вот почему некоторые ученые перепрофилируют лишайники и создают свои собственные синтетические версии.
У лишайников есть два преимущества. Во-первых, как симбиотический организм, целое больше, чем сумма его частей. Другими словами, каждый лишайник может делать то, чего не может сделать ни гриб в одиночку, ни фотобионт. Издалека лишайники могут выглядеть скромно, но вблизи они представляют собой сложные, пышные и харизматичные организмы. Естественные лишайники — это нечто большее, чем просто учебник двух видов гриба и водоросли. Часто эти два организма, а также вторичный гриб в виде дрожжей и дополнительный вид бактерий образуют сообщество из четырех человек. Но даже это заниженная оценка. «В природе то, что мы в просторечии называем «лишайником», на самом деле представляет собой сообщество многих — от десятков до сотен — различных микробов», — говорит Арджун Хахарбиолог, производящий синтетические лишайники в Университете штата Колорадо. «Два лишайника, которые выглядят одинаково и находятся рядом друг с другом, могут иметь совершенно разные члены». Различные анализы свежих тканей лишайника показали, что они содержат от 1 миллион и 100 миллионов бактерий на грамм.
Второе преимущество лишайников — это их устойчивость. Они могут жить и фотосинтезировать в самых суровых условиях. На Шпицбергене, далеко за Полярным кругом, встречается около 700 видов лишайников. Они справляются с низкими температурами, засушливостью и высоким ультрафиолетовым излучением. На берегу моря они переносят неоднократное погружение в соленую воду – опыт, с которым большинство других наземных растений не справляются. Некоторые виды растут внутри камня («эндолитический» лишайник, буквально «внутри камня»). Остается открытым вопрос, какой именно аспект их биологии позволяет им справляться с высыханием и экстремальными температурами.
Лишайники, которые естественным образом процветают в самых разных средах, представляют собой уникальную форму жизни, возникшую в результате симбиотических отношений между грибом и партнером, таким как водоросли или цианобактерии.
Хосе Б. Руис/naturepl.com
В Колорадо Хахар предполагает, что устойчивость лишайников обусловлена биомолекулами, которые производят нитчатые грибы, которые защищают все сообщество лишайников. «Уникальные молекулы, которые он способен производить, потенциально обусловлены способностью лишайников использовать как бактериальную, так и грибковую биохимию посредством распределения задач среди сообщества», — говорит он. Например, компоненты фотобионтов могут производить различные пигменты с хлорофиллом, а гриб может производить солнцезащитный крем, синтезируя такие соединения, как каротиноиды (пигменты в моркови, спелых помидорах и осенних листьях) и меланины (которые окрашивают нашу кожу). Вместе симбиотическое сообщество лишайников имеет доступ к большему количеству соединений, чем может произвести один организм, и это раскрывает сверхсилу лишайника. Физически грибковый компонент также помогает защитить сообщество от колебаний температуры и влажности. Кроме того, он медленно растет, что позволяет ему жить с минимальными ресурсами.
Лишайники в космосе
Этих атрибутов было достаточно, чтобы взволновать НАСА. Лишайники могут пережить воздействие как смоделированных, так и реальных космических условий. С 2014 года вид лишайника под названием Цирцинария жироза жил – или, по крайней мере, не умер – на полке снаружи Международной космической станции для 18 месяцев. Когда его вернули внутрь и дали воды, он начал расти. Тот факт, что лишайники могут расти внутри камня и переносить условия космоса, волнует сторонников теории литопанспермияидея о том, что микробы могут путешествовать между планетами на астероидах.
Конгруй Джининженер, специализирующийся на живых материалах в Техасском университете A&M, начал задумываться о потенциале лишайников для дальновидных исследований. проект НАСА Целью проекта является поиск эффективных способов строительства мест для жизни и работы на Марсе – когда бы мы в конце концов туда ни добрались. Некоторые предложения по созданию внепланетного жилья основаны на надувных конструкциях, идея заключается в том, что для создания наполненного воздухом жилья требуется меньше материалов. Но каждая единица сборного материала, доставленная туда ракетой, по-прежнему стоит дорого. Более дешевая альтернатива вывозу таких предметов с Земли — найти способ производить строительные материалы из уже существующего на планете реголита. Для Джина, лишайники – идеальное решение. Но встречающиеся в природе виды не обязательно могут работать.
Эксперимент на борту Международной космической станции показал, что лишайники могут быть чрезвычайно выносливыми и выживать в космосе более 18 месяцев.
ЕКА
“Мы хотим объединить грибы с некоторыми фотосинтезирующими видами, такими как цианобактерии. Они могут преобразовывать солнечный свет и воду в органические питательные вещества и осаждать карбонат кальция”, – говорит она. «Он действует как клей, связывая частицы почвы на Марсе в единую структуру». Этот биоматериал затем можно использовать в 3D-принтере для производства строительных материалов — полов, перегородок, стен, мебели и т. д. Большая часть того, что вам нужно, будь то солнечный свет, углекислый газ, вода, питательные вещества или огромные запасы базальтовой породы, уже есть на Марсе.
Работа Джина недавно показала, что лишайники являются многообещающими кандидатами на роль Превращение марсианского реголита в строительный материал и для производства других биоминералов и биополимеров. Лишайники очень живучи, и некоторые нетерпеливые футуристы считают их хорошими кандидатами на помощь. терраформировать Красную планету. Но даже если бы не было планетарные меры защиты Согласно этому закону, лишайники не могут расти на поверхности Марса, подверженной воздействию стихий. Марс не имеет магнитного поля, и любая жизнь на поверхности должна быть защищена от жесткой радиации. Итак, Джин представляет, как ее марсианские лишайники растут в убежищах.
Будущее строительства
Однако до колонизации других планет еще далеко, и Джин поняла, что ее лишайники играют более непосредственную роль на Земле. Во многих случаях было бы полезно связать щебень и сделать пригодный для использования строительный материал. Подумайте о разрушенных зданиях, оставленных природными и техногенными катастрофами. Кроме того, способ связывания углерода в процессе изготовления бетона поможет смягчить его выбросы. огромный углеродный след. А что, если бы мы могли производить самовосстанавливающийся бетон? Здания и сооружения станут дешевле в обслуживании и прослужат дольше. Предыдущие попытки использовать микробы для выполнения этих функций потерпели неудачу, поскольку бетон — негостеприимное место для жизни. Но если лишайники могут справиться в космосе, рассуждал Джин, то они наверняка справятся и с бетоном.
Джин и ее коллеги показали, что подход, основанный на использовании лишайников, сочетающий грибы с цианобактериями, позволяет создать совместную культуру, которая может расти на бетоне. Мало того, ее синтетический лишайник осаждает карбонат кальция – минерал, из которого образуются мел, известняк и мрамор. заживление трещин в конструкции. «Мы попробовали нитчатые грибы и цианобактерии и обнаружили, что они обладают большей выживаемостью. [than other microbes] в сухих и бедных питательными веществами условиях бетона, — говорит она. — Они уживаются друг с другом, и процесс протекает автономно, а также у них есть [a] очень хорошая способность осаждать карбонат кальция». В отличие от одновидового подхода, совместное культивирование не требует добавления внешних питательных веществ, поскольку синтетический лишайник извлекает азот из воздуха и производит собственные удобрения.
Хахар также пытается создать быстрорастущий лишайник, отбирая микробы, которые уже быстро растут, а затем модифицируя их и соединяя в пары, чтобы они стали похожими на лишайники. Его лаборатория, работающая аналогично лаборатории Джина, создала синтетический лишайник, в котором грибковый компонент минерализуется. «Нитчатые грибы питаются встроенными в них цианобактериями и выращивают мицелий с каменным экзоскелетом», — говорит он. «В будущем это позволит обеспечить устойчивое биопроизводство строительных материалов». Он называет инженерные продукты микоматериалами.
Мои исследования симбиоза углубили мое понимание лишайников как динамических мини-экосистем, живого урока реальности взаимозависимости, а также понимание их научно-фантастического потенциала в создании материалов завтрашнего дня. Поэтому в следующий раз, когда вы увидите эти вычурные наросты на дереве, надгробии или старой скамейке, возможно, остановитесь на минутку и подумайте, какое чудо, формирующее будущее, вы видите.
Темы:
