真菌或许能拯救世界:但也能非常可怕

美军在南太平洋的伦多瓦岛登陆美军在南太平洋的伦多瓦岛登陆

 

       帐篷正在消失,制服也是,但所有这些物品并没有立刻消失,一切都发生不知不觉间。这是第二次世界大战期间,敌人无处不在,但在美军位于所罗门群岛的营地中,任何东西都不会被清扫或偷走。

  相反的,在这些偏远的南太平洋小岛上,一切东西似乎都在瓦解——而且速度极快。似乎有一些看不见的生物正在吃掉军营里的东西,包括勤务兵身上的T恤。美国陆军很快找到了罪魁祸首,那就是里氏木霉(学名:Trichoderma reesei),一种饥饿的真菌——它们在军事上的别名“QM6a”可能更广为人知。

  尽管这种真菌一开始让美国军队损失了不少钱,但在今天,里氏木霉却得到了工业界(包括美国军队)的重视。想当初,这种能天然分解纤维素的霉菌让所罗门群岛的美军营地头疼不已,它们吃掉了美国人的棉布、木浆和纸张。现在,它们是纤维素酶的主要来源,而纤维素酶可以用于处理咖啡豆,或者将生物质转化成生物燃料。

  罗伊·哈灵(Roy Halling)是美国纽约植物园的真菌学家。作为真菌学(研究对象包括蘑菇、霉菌和酵母等)部门的负责人,哈灵的时间主要在两个地方度过:实验室和野外。在参观位于布朗克斯的植物标本室(拥有将近800万件标本)时,他向我们讲述了真菌界令人难以置信的“腐烂”能力。

  “在碳存在的地方,就有随时准备降解碳的真菌,”哈灵说道。从医院到农田,我们可以找到无数的例子,证明真菌并不是等闲之辈。比如令我们感到无比瘙痒的各种癣症,其病因可以是多达40类真菌,另外还有数十种类似的疾病也会感染人类。如果这还无法让你惊奇,请想一下香蕉,尤其是大米七香蕉,这是20世纪50年代之前在美国销售的主要香蕉品种。就在那时候,这种香蕉成为了黄叶病(又称巴拿马病)的受害者。这是一种由尖孢镰刀菌古巴专化型引起的植物病,主要感染香蕉根部。这种真菌能分泌毒素,导致香蕉出现程序性细胞死亡。黄叶病的流行迫使农民不得不改种其他香蕉品种,主要是香芽蕉。香芽蕉也由此成为世界主要种植的香蕉品种。

  不过,从上个世纪开始,我们已经越来越多地将这些丰富多样、具有孢子的生物视为朋友,而不是敌人。真菌一直在帮助我们酿造啤酒和发酵面团。到了1928年,伦敦圣玛利亚医院的亚历山大·弗莱明(Alexander Fleming)发现了青霉素,这是一种改变世界的抗生素,由普通的青霉菌制成。今天,医疗市场上有大约1600种抗生素的存在要归功于这些微小的菌丝体。还有一些研究者试图用蘑菇作为肉类、皮革和发泡胶的替代品。科学家还在尝试用真菌来治疗创伤性压力综合征患者,以及用它们来帮助蜜蜂对抗螨虫,以避免种群崩溃。

一些可以食用的蘑菇一些可以食用的蘑菇

  然而,这并不意味着真菌就会停止对碳基宇宙的侵蚀。它们仍然具有强大的腐蚀能力,能消灭任何遇到的东西。之所以现在看起来一切都好,只是因为人类更好地利用了它们的这种能力,从而为自己服务。

  丹麦生物技术公司诺维信(Novozymes)正利用从细菌和真菌中提取的酶制造对环境更友好的洗衣剂。汰渍(Tide)和七世代(Seventh Generation)等公司也不再依赖人工化学产品,转而使用天然配方,而自然界中的真菌便是这些配方的来源之一。

  “我会带着蘑菇篮去森林里,”诺维信公司的霉菌学家Mikako Sasa说道。如果她发现一种诺维信公司从未采集过的真菌,她就会带一份样品回到实验室。“这不是一个数字游戏,而是一个多样性游戏,”Mikako Sasa补充道,“我希望增加多样性,因为我们向非常多的产业出售非常多的酶和产品。”在2016年,诺维信公司产生的利润就达到22亿美元。

  诺维信公司的研究者发现,一些真菌酶能减少洗衣服所需的能量。比起实验室制造的化学物质,这些酶只需要很少的能量就能激活,从而减少清洗衣物时的总碳排放量。真菌酶在处理污渍方面也同样出色。当与水混合时,水解酶会破坏化合物的化学键。在所罗门群岛吃掉美军所有帐篷的里氏木霉就能够水解纤维素。另一些真菌则擅长破坏粘在衣服上的其他东西,比如血液、汗渍或污垢。

  科学家还在研究真菌酶及其在垃圾回收和修复土壤中的作用。2011年,有一篇关于罕见真菌小孢拟盘多毛孢(Pestalotiopsis microspora)分离物的论文引发了许多讨论。这种真菌能够降解聚氨酯(PU)——一种耐用的塑料,出现在过山车车轮、现代艺术品及其他大量物品中。许多研究显示,蘑菇能吸收毒素,包括重金属等,因此能被用于清洁受污染的土壤。

  归根结底,我们必须与无处不在的真菌达成微妙的平衡。它们当然可以帮助我们减少碳足迹,并治疗一些疾病,但是在真菌学的历史中,有一件事是非常清楚的:真菌完全可以非常可怕。

原文链接:https://www.popsci.com/mushrooms-could-save-world

蘑菇孢子的魔术

同时发表于译言

蘑菇孢子的魔术

作者 Brandon Keim  2009.1.09  类别:生物

译者 linki

高速摄像揭示出:真菌孢子将自身弹射到空气中的方式原来竟是如此神奇,如此多种多样,如此令人难以置信。

数百年来,科学家们这样描述孢子形状的变化范围——已知15000多种的真菌各个不同,这样令人震惊的物类集合更像是来自威利·旺卡(Willy Wonka,电影《查理与巧克力工厂》中的主人公,译者注)大脑里冒出的灵感,而非来自查尔斯·达尔文。

但从几乎所有的观察中,他们还是很难找出孢子为什么会以这些形状出现的答案。有些真菌学家怀疑这只不过是进化噪音(evolutionary noise)。但对真菌孢子形状与繁殖扩散的首次比较分析结果却显示,这些形状的出现并非是进化中的意外。

“人们两百年来所做的无非就是一卷又一卷地对孢子的形状和大小分门别类地加以描述,而从不考虑它为什么就是这样的。你所看到的就是这些古怪而又绝妙的形状,对其原因却一无所知。”俄亥俄州迈阿密大学的植物学家尼古拉斯·曼尼(Nicholas Money)说道。

曼尼的团队利用高速摄像分析的方法对孢子
掷到空气中的生物力学过程进行了研究。这一过程如同草写的小字般优雅简洁。一滴水珠凝结在孢子表面;当接触到孢子另一部分上的水薄层时,水珠便灌注其中,
就好像雨滴落在挡风玻璃上汇合在一起。重量分布的变化如此突然和可观,直接促使整个团块——称为“掷孢子”(ballistospore)——投掷到空
中。

这一过程是真菌无性生殖的一部分,而且多种多样的形状也可能有助于不同的种类在不同条件下生长和繁殖。一棵蘑菇每秒能发射31000个掷孢子,一天下来数目可达27亿个。之前,人们已经了解了该过程,但曼尼和他的同事们是第一批将这一过程用逐帧渐变方式分解呈现出来的研究者。

是什么让他们的文章与众不同?曼尼说,是他们对发生在这一机制中的变化所做的描述。他们发现,孢子形状的微小变化会明显改变水滴的形状,而水滴形状的变化则会影响孢子发射的轨迹。

从某个角度看,这些发现确实只能在显微镜下可见;但从另外一个角度,它们是普遍存在的。

蘑菇是自然工程学的杰作,”曼尼说,“而我们是刚刚开始对其行为方式进行研究。”

此次研究的结果发表在周二的《公共科学图书馆》(Public Library of Science ONE)上。美国国家卫生研究院(National Institutes of Health)为研究提供了部分资助,他们感兴趣的是如何利用曼尼的发现开发防治真菌的方法。当然,这些就是其他人的事了;曼尼关注的,仅仅是蘑菇表演的生物力学魔术。

当被问到孢子发射过程是否可以用投掷棒球或其他易于被读者理解的语句来形容时,曼尼回答说,蘑菇孢子还远不能做到那个程度。

“如果棒球受到的空气粘滞阻力在程度上等同于蘑菇孢子所受阻力的话,你会看到掷出去的球运动了一臂之长后就停下来,垂直地落到地面,”他说,“在小组里,我称这个飞行轨迹为‘大笨狼怀尔’(Wile E. Coyote)轨迹。”

曼尼称,这种说法能说得通,因为它保证了孢子能够从浓密的菌褶——孢子在那里产生——中顺利地掉落下来。

“从技术上说,这种机制实在是帅呆了。”他说。

引用:"Adaptation of the Spore Discharge Mechanism in the
Basidiomycota." By Jessica L. Stolze-Rybczynski, Yunluan Cui, M. Henry
H. Stevens, Diana J. Davis, Mark W. F. Fischer and Nicholas P. Money.
Public Library of Science ONE, Vol. 4 No. 1, Jan. 8 2009

图片:Ernst Haeckel的《源自自然的艺术形式》(Kunstformen der Natur),描绘的是 Basimycetes

视频:1、超高速摄像片段(50000 f.p.s),显示假蜜环菌(Armillaria tabescens)的掷孢子
菌褶上抛射出来的情景/PLoS ONE      2、掷孢子从散发着臭气的小麦网腥黑穗病菌(Tilletia
caries)上发射出来。视频用每秒24帧捕捉;显示发射之前的水滴状态变化/尼古拉斯·曼尼,迈阿密大学      
3、用常规数码相机视频模式捕捉的硬柄小皮伞(fairy ring mushroom)菌盖上孢子释放的情景/尼古拉斯·曼尼,迈阿密大学