黑色生物正入侵最强无人禁区环球科学

2018年12月，一种黢黑的生物被送上了国际空间站开展研究。与此同时，地面上的对照实验也在同步开展。众所周知，在太空中，除了失重的环境，还需要面对太空中的高能射线。国际空间站中的辐射强度大约是地球平均本底辐射的20～60倍。

实验开始2天后，宇航员发现暴露在高强度γ射线下，这种生物的新陈代谢似乎加快了，生长十分旺盛。在26天的实验中，宇航员通过摄像机、以及温度、湿度和辐射传感器，记录了这种生物在实验中的状态。不过，一直要等到2019年6月实验装置返回地球后，最终结果才揭晓----这种生物在太空辐射下的生长速度甚至比在地球上更快，最高是地面的1.58倍。

虽然不比休眠的水熊虫和小立碗藓孢子可以在外太空存活，但这种黢黑的生物----球孢枝孢菌 (Cladosporium sphaerospermum)也显示出了一种特殊的能力：不仅能吸收破坏性的太空辐射，甚至将其化为己用的能力。这些发现于2022年7月发表在了《微生物学前沿》（Frontiers in Microbiology）杂志上。

而此时，就在这个世界的另一角、地球上辐射最严重的地方----切尔诺贝利核反应堆爆炸后的废弃遗址周围，球孢枝孢菌中的一类菌株正在依靠核辐射的能量旺盛生长，甚至一点点靠近核反应堆最核心的区域。

利用核辐射生长

1986年4月，切尔诺贝利核电站4号反应堆内发生蒸汽爆炸与核心熔毁后，随后是持续10天的燃烧，大量的铯-137、碘-131等放射性核素（会释放高能的β射线、γ射线和中子）被释放到大气中。爆炸发生后，核电站周围2600平方千米的区域被列为切尔诺贝利禁区（CEZ）。40年来，这里一直深受科学家和公众的关注。

球孢枝孢菌的菌落、菌丝和孢子（并不是在核电站废墟附近发现的菌株）图片来源于论文

乌克兰科学院的科学家Nelli Zhdanova主要聚焦于禁区中更微观层面的变化。她和同事从1997年开始勘测这块区域，曾进入核电站4号机组人员的宿舍，并在从那里采集的样本中发现了球孢枝孢菌。随后，他们对此进行了大量相关的研究。

这些特别的研究催生了出了两个术语----“向辐射性”（radiotropism）和“辐射营养性”（radiotrophy），它们形容的正是球孢枝孢菌。Zhdanova还在论文中推测，这种真菌可以在核电站4号反应堆的墙壁和钢筋混凝土表面活跃生长。

核电站禁区内的场景 图片来源：Unsplash

不过，可以抵抗甚至利用核辐射能量生长的，并非只有这种真菌。他们分析了从核电站周围分离出的约2000株真菌，发现不少真菌可以分解“热粒子”，也就是反应堆中的放射性石墨。不过，它们真正喜欢的其实是核辐射----他们通过将一些真菌暴露在一个固定的、释放β射线和γ射线的电离辐射源周围，发现它们会向着辐射源生长。

2007年，一群来自美国阿尔伯特・爱因斯坦医学院的科学家在发表于PLOS ONE的论文中，揭示了更多球孢枝孢菌吸收和转化核辐射的细节。

强大的黑色素

核辐射会释放大量高能粒子，就像子弹击穿皮肉一样，直接破坏掉生物细胞中的蛋白质和DNA。这些射线还能电离细胞中的水分子，产生大量的氧化自由基，间接破坏或杀死细胞。当暴露剂量过大时，大量细胞可能会直接死亡，引发器官衰竭等现象。长期慢性的暴露则会导致全身多个系统出现功能衰退和引发癌症等。

照射阳光时，我们接触到的是中长波紫外线，它们的能量在约4 eV左右。如果时间很长，我们通常会晒黑，而这是由于皮肤产生了黑色素来对抗紫外线。相比之下，核辐射的能量可以达到数百到数十万电子伏特。令人意外的是，在研究球孢枝孢菌时，研究人员发现它对抗核辐射的方式，竟然和人体对抗紫外线的方式类似----都是利用黑色素。

在PLOS ONE的论文中，研究人员分析了包括球孢枝孢菌在内的多种抗辐射真菌，核辐射的存在会让这些真菌的生长速度加快，生物质量增加。即便是营养匮乏的情况下，球孢枝孢菌也能利用核辐射生长。除此之外，相比于其他的真菌，球孢枝孢菌可以产生丰富且结构多样的黑色素。

球孢枝孢菌等真菌的细胞周围有一圈黑色素 图片来源PLOS ONE论文

黑色素主要分为两大类，分别是真黑色素和褐黑色素。真黑色素是一种深棕色至黑色的色素，而褐黑素是一种红棕色色素，它们会构成一些通过共价键连接、富含电子和芳香族结构单元的聚合物。

类似于人体皮肤中的黑色素对紫外线的作用，这些黑色素可以吸收高能射线的能量，将其转化为分子中化学键的振动----也就热能。另外，它们还会散射掉核辐射，与真黑色素（287个电子）相比，褐黑素低聚物中有多达388 个电子数。高能的γ射线进入时，会因为这些电子的作用不断转向，并失去能量，这可以避免引发有害的化学反应。

与此同时，黑色素也是一种强效抗氧化剂，黑色素聚合物可以迅速提供电子，中和掉有害的活性氧。还有一些研究发现，黑素体会聚集形成 “黑素帽”，聚集在细胞核的周围，保护DNA免受损伤。

抗辐射的起源

Ekaterina Dadachova正是这项研究的第一作者。在接受BBC的采访时，她表示与未接受辐射培养的同类真菌相比，在放射性铯下培养的真菌的生长速度提高了10%。受辐射的真菌似乎还会利用辐射能量，来促进自身的新陈代谢。

Zhdanova此前的研究也曾发现，这些真菌会通过两种方式来处理放射性粒子，一是通过过度生长降解，二是通过代谢产物间接降解。

“电离辐射的能量大约是光合作用利用的白光能量的100万倍，”Dadachova表示，“所以需要一种非常强大的能量转换器。我们认为黑色素就具备这种能力----将电离辐射转化为可利用的能量。”然而，即便已有这些实验研究，生物利用核辐射的能量仍然是一种理论，需要揭开黑色素与生物代谢之间的确切机制才能确认。

核电站禁区内的场景 图片来源：Unsplash

不过，他们一致赞同抗辐射的球孢枝孢菌只局限于特定的地区，比如切尔诺贝利禁区。但利用黑色素抗辐射的能力或存在一个更古老的起源。一些科学家发现一些极端的环境中，包括北极和南极地区，以及高海拔地区，栖息着很多产黑色素的真菌。这些地区正是自然辐射更高的地区。