Grzyby z Czarnobyla jako tarcza przed promieniowaniem kosmicznym dla misji w głębokim kosmosie 

W 1986 roku czwarty blok elektrowni jądrowej w Czarnobylu na Ukrainie (wówczas ZSRR) uległ ogromnemu pożarowi i eksplozji pary wodnej. Ten bezprecedensowy wypadek uwolnił do środowiska ponad 5% radioaktywnego rdzenia reaktora, składającego się z ponad 100 pierwiastków radioaktywnych (głównie jodu-131, cezu-137 i strontu-90). Poziom promieniowania był ekstremalnie wysoki, uniemożliwiając przetrwanie form życia w okolicy. Sosny rosnące na obszarze 10 km² wokół miejsca wypadku zginęły w ciągu kilku tygodni w wyniku narażenia na śmiertelne dawki promieniowania. Jednak niektóre pleśnie i czarne grzyby nie tylko przetrwały niebezpiecznie wysoki poziom promieniowania, ale również rozwijały się w miejscu wypadku. W kolejnych badaniach wyizolowano z tego miejsca około 2000 szczepów 200 gatunków grzybów. Stwierdzono, że strzępki grzybów rosły w kierunku źródła jonizującego promieniowania beta i gamma, tak jak zielone rośliny rosną w kierunku światła słonecznego. Co ciekawsze, ekspozycja na promieniowanie jonizujące zdawała się umożliwiać komórkom grzybów zmelanizowanych wzmożony wzrost, co wskazuje na wychwytywanie energii przez pigment melaniny w obecności promieniowania wysokoenergetycznego (podobnie jak wychwytywanie energii przez chlorofil w świetle słonecznym w procesie fotosyntezy). W 2022 roku eksperyment przeprowadzony na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) wykazał, że grzyby te wykazują zdolność do radioodporności i radiosyntezy również w kosmosie. Sugeruje to, że grzyby zmelanizowane, które przetrwają i rozwijają się w ekstremalnych warunkach radiacyjnych, takich jak katastrofa w Czarnobylu, mogą być wykorzystywane do ochrony ludzkich siedlisk w głębokiej przestrzeni kosmicznej przed promieniowaniem kosmicznym oraz do wychwytywania energii (z promieniowania kosmicznego) w celu zwiększenia autonomii energetycznej misji kosmicznych, takich jak Artemis, w kierunku przyszłych ludzkich osad na Księżycu i Marsie.  

Reaktory jądrowe na całym świecie wykorzystują głównie wzbogacony uran zawierający około 3-5% uranu-235 jako materiał rozszczepialny (niektóre zaawansowane reaktory powielające mogą również wykorzystywać pluton-239 lub tor-233). Głównymi produktami kontrolowanego rozszczepienia uranu-235 w reaktorach są lżejsze jądra kryptonu i baru, wolne neutrony oraz duża ilość energii. Dalsze rozpady promieniotwórcze niestabilnych, lżejszych fragmentów rozszczepialnych (jąder kryptonu i baru) uwalniają cząstki beta, promienie gamma i inne stabilne produkty uboczne.  

Wypadek w Czarnobylu (1986) 

W 1986 roku pożar i wybuch pary wodnej w czwartym bloku elektrowni jądrowej w Czarnobylu na Ukrainie (wówczas ZSRR) spowodowały uwolnienie do środowiska ponad 5% radioaktywnego rdzenia reaktora. Ten bezprecedensowy wypadek uwolnił do środowiska ponad 100 pierwiastków radioaktywnych, z których głównymi były jod-131, cez-137 i stront-90. Te dwa ostatnie (tj. cez-137 i stront-90) są nadal obecne w znacznych ilościach w lokalnym środowisku, ponieważ mają dłuższy okres półtrwania, wynoszący około 30 lat. To właśnie te dwa izotopy są głównym powodem, dla którego Strefa Wykluczenia jest najbardziej skażonym radioaktywnie obszarem na Ziemi.  

Niektóre miejsca w Strefie Wykluczenia w pobliżu terenu budowy charakteryzują się ekstremalnie wysokim poziomem promieniowania. Zniszczony budynek reaktora ma poziom promieniowania przekraczający 20 000 rentgenów na godzinę (dla porównania, około 500 rentgenów w ciągu pięciu godzin to śmiertelna dawka promieniowania, co stanowi mniej niż 1% promieniowania w pobliżu zniszczonego reaktora).   

Poziom promieniowania na obszarze 10 km² otaczającym elektrownię w Czarnobylu w Strefie Wykluczenia (zwanej Czerwonym Lasem) był tak wysoki, że tysiące sosen obumarło w ciągu kilku tygodni po wystawieniu na działanie promieniowania o mocy ok. 60-100 grejów (Gy). Dawka ta była śmiertelna dla sosen w tym obszarze, które zmieniły kolor na rdzawoczerwony i obumarły. Nawet dzisiaj promieniowanie gamma osiąga szczyt na poziomie około 17 miliremów na godzinę (około 170 µSv/h) w niektórych miejscach Czerwonego Lasu. Promienie gamma to promieniowanie o bardzo wysokiej energii. Wnikają głęboko i wybijają elektrony z atomów i cząsteczek, tworząc jony i wolne rodniki, które powodują nieodwracalne uszkodzenia komórek i tkanek, w tym niezbędnych biocząsteczek, takich jak DNA i enzymy. Ekspozycja na bardzo wysokie dawki promieniowania gamma powoduje śmierć organizmów żywych, tak jak stało się z sosnami wokół miejsca katastrofy w Czarnobylu. Ale nie zawsze!  

Niektóre grzyby nie tylko przetrwały, ale i rozwijały się w miejscu katastrofy w Czarnobylu, gdzie panowało wysokie promieniowanie  

Podczas gdy sosny na obszarze 10 km kw. wokół miejsca wypadku obumarły w ciągu kilku tygodni z powodu narażenia na niezwykle wysoki poziom promieniowania, niektóre czarne grzyby, szczególnie Cladosporium sphaerospermum oraz Alternaria alternata Kilka lat po wypadku zaobserwowano wzrost grzybów w pobliżu uszkodzonego czwartego bloku, mimo że poziom promieniowania był/jest nadal śmiertelny. Było to zaskoczeniem. Do 2004 roku w różnych badaniach wyizolowano około 2000 szczepów 200 gatunków grzybów z miejsca wypadku.  

Co ciekawe, odkryto, że strzępki grzybów rosły w kierunku źródła promieniowania jonizującego (podobnie jak rośliny rosnące w kierunku światła słonecznego, wykazując fototropizm). Pomiary reakcji grzybów na promieniowanie jonizujące wykazały, że zarówno promieniowanie beta, jak i gamma sprzyjają kierunkowemu wzrostowi strzępek w kierunku źródła.  

Ponieważ melanizowane gatunki drobnoustrojów są bardziej powszechne w naturze, sądzono, że pigment melaniny odgrywa rolę w tej niezwykłej zdolności niektórych grzybów do przetrwania i rozwoju w glebach zanieczyszczonych fragmentami rozszczepialnymi (radionuklidami). Eksperyment opublikowany w 2007 roku potwierdził tę tezę. Kluczowe jest narażenie melaniny na promieniowanie jonizujące. Promieniowanie jonizujące zmienia właściwości elektroniczne pigmentów melaniny, umożliwiając komórkom grzybów poddanych melanizacji wzmożony wzrost po narażeniu na promieniowanie jonizujące. Wskazuje to na rolę melaniny w wychwytywaniu energii (radiosyntezie), podobną do roli chlorofilu w fotosyntezie. Oznaczało to również możliwość wykorzystania tych grzybów do usuwania zanieczyszczeń radionuklidami.   

Misje i osiedla ludzkie w głębokiej przestrzeni kosmicznej  

W dłuższej perspektywie, wszystkie cywilizacje planetarne są zagrożone egzystencjalnie przez uderzenia z kosmosu, stąd konieczność, aby ludzkość stała się gatunkiem wieloplanetarnym. Misje załogowe w głęboki kosmos mają na celu stworzenie ludzkich siedzib poza Ziemią. Misja Artemis Moon Mission to początek w tym kierunku, którego celem jest stworzenie długoterminowej obecności człowieka na Księżycu i wokół niego, w ramach przygotowań do misji załogowych i osadnictwa na Marsie.   

Jednym z największych wyzwań stojących przed misjami załogowymi w głęboki kosmos jest ciągły strumień silnego promieniowania kosmicznego, który przenika całą przestrzeń kosmiczną. Ziemskie pole magnetyczne chroni nas przed promieniowaniem kosmicznym na Ziemi, ale stanowi ono największe zagrożenie dla zdrowia podczas misji załogowych w kosmosie. Dlatego misje w głęboki kosmos wymagają osłon ochronnych przed promieniowaniem kosmicznym. Z drugiej strony, promieniowanie kosmiczne mogłoby być nieograniczonym źródłem energii i zwiększyć autonomię energetyczną dłuższych misji w głęboki kosmos, gdyby istniała odpowiednia technologia umożliwiająca jego wykorzystanie. 

Grzyby rozwijające się w silnie napromieniowanym Czarnobylu mogą stanowić rozwiązanie problemów, jakie promieniowanie kosmiczne stawia misjom i siedliskom człowieka w głębokiej przestrzeni kosmicznej  

Jak omówiono powyżej, niektóre grzyby melanizowane rosną w silnie skażonym promieniami obszarze uszkodzonej elektrowni jądrowej w Czarnobylu oraz w innych silnie napromieniowanych środowiskach na Ziemi. Najwyraźniej pigmenty melaniny w tych grzybach wykorzystują promieniowanie wysokoenergetyczne do generowania energii chemicznej (podobnie jak chlorofil w roślinach zielonych wykorzystuje promienie słoneczne w procesie fotosyntezy). Zatem grzyby z Czarnobyla mogą potencjalnie pełnić rolę tarczy ochronnej przed promieniowaniem kosmicznym o wysokiej energii (radiooporność), a także być źródłem energii (radiosynteza) w misjach kosmicznych, jeśli ich możliwości rozszerzą się na promieniowanie kosmiczne w kosmosie. Naukowcy przetestowali to w kosmosie.  

Grzyb Cladosporium sphaerospermum Grzyb został wyhodowany na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) w celu zbadania jego wzrostu i zdolności do pochłaniania i tłumienia promieniowania kosmicznego przez 26 dni w warunkach imitujących warunki panujące na powierzchni Marsa. Wyniki wykazały osłabienie promieniowania kosmicznego dzięki biomasie grzybów oraz przewagę wzrostu w kosmosie, co sugeruje, że zdolności niektórych grzybów na miejscu katastrofy w Czarnobylu można rozszerzyć na promieniowanie kosmiczne w kosmosie.  

Jest za wcześnie, aby to stwierdzić, ale być może w przyszłości uda się przetransportować te grzyby na Monn i Marsa, gdzie za pomocą odpowiedniej infrastruktury staną się one zdolne do wytwarzania energii chemicznej.  

*** 

Referencje:  

1. Żdanowa NN, i wsp 2004. Promieniowanie jonizujące przyciąga grzyby glebowe. Mycol Res. 108: 1089–1096. DOI: https://doi.org/10.1017/S0953756204000966 

2. Dadachova E., i wsp 2007. Promieniowanie jonizujące zmienia właściwości elektronowe melaniny i wspomaga wzrost grzybów melanizowanych. PLOS One. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0000457 

3. Dighton J., Tugay T. i Zhdanova N., 2008. Grzyby i promieniowanie jonizujące z radionuklidów. FEMS Microbiology Letters, tom 281, numer 2, kwiecień 2008, strony 109–120. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1574-6968.2008.01076.x 

4. Ekaterina D. i Casadevall A., 2008. Promieniowanie jonizujące: jak grzyby radzą sobie, adaptują się i wykorzystują je za pomocą melaniny. Current Opinion in Microbiology. Tom 11, numer 6, grudzień 2008, strony 525-531. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mib.2008.09.013 

5. Averesch NJH i wsp 2022. Uprawa grzyba Dematiacea Cladosporium sphaerospermum Na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej i skutki promieniowania jonizującego. Front. Microbiol., 05 lipca 2022 r. Sekcja Extreme Microbiology, tom 13, 2022 r. DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.877625 

6. Sihver L., 2022. Grzyby czarnobylskie jako źródło energii. Dostępne na https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2022cosp…44.2639S/abstract 

7. Tibolla MH i Fischer J., 2025. Grzyby radiotroficzne i ich zastosowanie jako czynników bioremediacyjnych obszarów dotkniętych promieniowaniem oraz jako czynników ochronnych. Badania, Społeczeństwo i Rozwój. DOI: https://doi.org/10.33448/rsd-v14i1.47965 

*** 

Powiązane artykuły 

• Masowe wymieranie w historii życia: znaczenie misji DART Artemis Moon i obrony planetarnej NASA (23 August 2022)  

• Misja Artemis Moon: W kierunku zamieszkiwania ludzi w kosmosie (11 August 2022) 

• ….Pale Blue Dot, jedyny dom, jaki kiedykolwiek znaliśmy (13 January 2022) 

***