Жизнь под знаком радиации: флора и фауна Чернобыля после катастрофы

Жизнь способна укротить даже смертоносную радиацию и использовать ее энергию во благо новых существ.
Вопреки многим ожиданиям, катастрофа на АЭС в Чернобыле не превратила окружающие леса в мертвую ядерную пустыню. Нет худа без добра, и после организации зоны отчуждения антропогенное давление на местную природу резко снизилось. Даже в наиболее поврежденных участках растительная жизнь быстро восстановилась, в долину Припяти вернулись дикие кабаны, медведи и волки. Природа оживает, словно сказочный Феникс, однако невидимая удушливая хватка радиации ощущается повсюду.
«Мы шли по лесу, небо окрасилось великолепным закатом, – рассказывает американский микробиолог Кристофер Робинсон, который работал здесь в 2018 году. – На широкой поляне мы встретили лошадей, штук сорок. И у всех были желтые глаза, с трудом различавшие нас, проходивших мимо». В самом деле, животные массово страдают от катаракты: зрение особенно чувствительно к радиации, и слепота – обычный итог долгой жизни в зоне отчуждения. У местных животных часто встречаются нарушения развития, часто возникает рак. И уж тем более гибельно пребывание возле бывшего эпицентра аварии.
Четвертый блок, взорвавшийся в 1986 году, через несколько месяцев был укрыт защитным саркофагом, куда собрали и прочий радиоактивный мусор с площадки. Но уже в 1991 году, когда микробиолог Нелли Жданова и ее коллеги исследовали эти остатки с помощью дистанционно управляемых манипуляторов, жизнь обнаружилась и здесь. Смертоносные обломки оказались населены процветающими сообществами черных грибов. За последующие годы среди них были идентифицированы представители примерно сотни родов. Некоторые из них не просто выдерживают убийственный уровень радиации, но даже сами тянутся к ней, словно растения – к свету.

Выживание

Высокоэнергетическая радиация опасна для всего живого. Она легко повреждает ДНК, вызывая появление мутаций и ошибок в коде. Тяжелые частицы способны разбивать химические соединения, словно пушечные ядра, приводя к появлению активных радикалов, которые тут же вступают во взаимодействие с первым попавшимся соседом. Достаточно интенсивная бомбардировка способна вызывать радиолиз молекул воды и целый ливень беспорядочных реакций, убивающих клетку. Несмотря на это, некоторые существа демонстрируют удивительную устойчивость к такому воздействию.
Одноклеточные организмы устроены сравнительно просто, и нарушить их метаболизм свободными радикалами не так легко, а мощные белковые инструменты репарации быстро ремонтируют поврежденную ДНК. В результате грибы способны поглощать до 17 000 Грей радиационной энергии – на много порядков больше безопасного для человека количества. Более того, некоторые из них буквально наслаждаются таким радиоактивным «дождем».

Знаменитый Каньон эволюции близ горы Кармель в Израиле одним склоном ориентирован в сторону Европы, другим – к Африке. Разница между их освещенностью достигает 800%, и облучаемый солнцем «африканский» склон населяют грибы, лучше растущие в присутствии радиации. Как и найденные в Чернобыле, они выглядят черными из-за больших количеств меланина. Этот пигмент способен перехватывать высокоэнергетические частицы и рассеивать их энергию, сохраняя клетки от повреждений.
Растворив такую грибную клетку, под микроскопом можно увидеть ее «призрак» – черный силуэт меланина, который накапливается в клеточной стенке концентрическими слоями. Грибы с «африканской» стороны каньона содержат его втрое больше, чем жители «европейского» склона. Им богаты и многие микробы, живущие на высокогорье, которые в естественных условиях получают в год до 500–1000 Грей. Но ведь даже столь приличная величина поглощенной радиации для грибов – ничто. Вряд ли весь этот меланин производится для одной лишь защиты.

Процветание

Еще Нелли Жданова в 1991-м продемонстрировала, что забранные близ реактора ЧАЭС грибы тянутся в направлении источника радиации и лучше растут в ее присутствии. В 2007-м эти результаты удалось развить работающим в США биологам Артуро Касадевалу и Екатерине Дадачовой. Ученые показали, что под действием излучения, в сотни раз превышающего естественный фон, черные меланизированные грибы (Cladosporium sphaerospermum, Wangiella derma­titidis и Cryptococcus neofor­mans) втрое интенсивнее усваивают углерод из питательной среды. При этом мутантные грибы-альбиносы, неспособные производить меланин, излучение переносили легко, но росли обычными темпами.

Стоит сказать, что меланин может присутствовать в клетках в слегка разных химических конфигурациях. Основная его форма у человека – эумеланин, он защищает кожу от ультрафиолета и придает ей коричнево-черную окраску. Красный же цвет губ и сосков определяется присутствием феомеланина. И именно феомеланин производят клетки грибов под влиянием радиации, хотя в таких количествах он выглядит уже совершенно черным.
Переход от эу- к феомеланину сопровождается усилением переноса электронов от НАДФ к феррицианиду – это один из первых шагов биосинтеза глюкозы. Неудивительно, что, по некоторым предположениям, такие грибы способны к проведению реакций, аналогичных фотосинтезу, – но вместо света используют энергию радиоактивного излучения. Такая способность позволяет им выживать и процветать там, где более сложные и привередливые организмы гибнут.
Большие количества высокомеланизированных грибных спор обнаруживаются в отложениях раннего Мелового периода. В ту эпоху многие животные и растения вымерли: «Этот период со­впадает с переходом через «магнитный ноль» и временной потерей «геомагнитного щита», защищающего Землю от излучения», – пишет Екатерина Дадачова. Такой ситуацией не могли не воспользоваться грибы-радиотрофы. Этим же рано или поздно воспользуемся и мы.

Приложение

Использование меланина для утилизации энергии радиации еще лишь гипотеза. Однако исследования продолжаются, благо радиотрофы нельзя назвать чем-то экзотическим. В условиях нехватки ресурсов и достаточного излучения некоторые обыкновенные грибы могут усиливать синтез меланина и проявлять способность «питаться радиацией». Например, упомянутые выше C. sphaerospermum и W. dermatitidis – широко распространенные почвенные организмы, а C. neoformans порой поражают и человека, вызывая инфекционный криптококкоз.

Такие грибы достаточно легко растут в лабораторных условиях, ими несложно манипулировать. А благодаря способности заселять участки с высоким заражением они могут стать удобным инструментом утилизации радиоактивных отходов. Сегодня такой мусор – например, старая спецодежда – обычно прессуется и закатывается на хранение, пока нестабильные нуклиды не истощатся естественным образом. Возможно, что грибы, умеющие выживать на высокоэнергетическом излучении, ускорят этот процесс в разы.
В 2016 году меланизированные грибы, собранные близ Чернобыльской АЭС, были отправлены в космос. Даже с учетом всей защиты обычный уровень радиации на МКС в 50–80 раз превышает фоновое излучение у поверхности Земли, обеспечивая условия для роста таких клеток. Образцы провели на орбите около двух недель, после чего были возвращены, чтобы ученые исследовали, как сказалась на них микрогравитация. Возможно, когда-нибудь грибам придется жить так из поколения в поколение.
Энергия излучения звезды быстро ослабевает при движении к периферии Солнечной системы, а вот космическая радиация присутствует и на самых далеких окраинах. Теоретически меланин грибных клеток позволит использовать ее для производства биомассы или синтеза сложных молекул, которые потребуются во время дальних пилотируемых миссий. Вполне вероятно, что помимо зеленых и пышных парников на космическом корабле будущего придется устроить еще один – самый дальний, который зарастет полезной черной плесенью, способной усваивать энергию радиации.