Συνθετικοί Λειχήνες: Η Λύση για Κατοίκηση στον Άρη και Βιώσιμα Υλικά
Όταν συνήθως εξετάζω λειχήνες, βρίσκομαι σε ένα δάσος, κοιτάζοντας διακλαδούμενες αναπτύξεις σε κλαδιά δέντρων με τον μεγεθυντικό φακό μου. Ή σε εκτεθειμένους βράχους ψηλά στις Άλπεις, ή σε παλιές ταφόπλακες, ή στην βραχώδη ακτή, στη ζώνη όπου τα φύκια σταματούν να μεγαλώνουν αλλά πριν αναλάβουν μεγαλύτερα χερσαία φυτά. Έχω παρατηρήσει πολλούς λειχήνες κατά τη διάρκεια έρευνας για ένα βιβλίο για τη συμβίωση, αλλά εκεί που δεν τους έχω δει ποτέ είναι σε μια εργαστηριακή φιάλη που στροβιλίζεται σε έναν επωαστήρα. Και ενώ συχνά σκέφτομαι τι μας λένε οι λειχήνες για το παρελθόν, μέχρι πρόσφατα δεν είχα σκεφτεί τι μας λένε για το μέλλον.
Το πράσινο θολό υγρό που κοιτάζω στον επωαστήρα δεν είναι καθόλου αυτό που σκεφτόμαστε ως λειχήνα, το οποίο είναι μια συμβιωτική συνεργασία μεταξύ ενός μύκητα και ενός άλγους. «Αυτό συμβαίνει επειδή αυτός είναι ένας συνθετικός λειχήνας», λέει ο Rodrigo Ledesma-Amaro, διευθυντής του Κέντρου Bezos για Βιώσιμη Πρωτεΐνη στο Imperial College του Λονδίνου. Το υγρό είναι μια συν-καλλιέργεια δύο ειδών, ενός μύκητα (ζύμη) και ενός κυανοβακτηρίου. Όπως ένας φυσικός λειχήνας, ο μύκητας παρέχει ένα ικρίωμα, μια δομή ξενιστή για το βακτήριο, και το βακτήριο παράγει σάκχαρα μέσω της φωτοσύνθεσης χρησιμοποιώντας φως, νερό και διοξείδιο του άνθρακα, και τα τροφοδοτεί στον μύκητα.
Γιατί στον κόσμο να θέλει κανείς να φτιάξει ένα τέτοιο φίλτρο; Επειδή, μου λέει ο Ledesma-Amaro, μπορούμε να επεξεργαστούμε γενετικά τη ζύμη για να την κάνουμε να δημιουργήσει κάθε είδους χρήσιμα προϊόντα – τρόφιμα, καύσιμα, χημικά, υλικά, φαρμακευτικά προϊόντα – και αν μπορούμε να οδηγήσουμε αυτή την παραγωγή μέσω της φωτοσύνθεσης, τότε μπορούμε να φτιάξουμε αυτά τα πράγματα βιώσιμα. Για αυτόν τον λόγο, οι συνθετικοί λειχήνες προκαλούν ενθουσιασμό όχι μόνο στη βιοτεχνολογική βιομηχανία αλλά και πέρα από αυτήν. Οι λειχήνες, αποδεικνύεται, θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν για να επισκευάσουν κτίρια, να καταπολεμήσουν την κλιματική κρίση και ακόμη και να χτίσουν κατοικίες στον Άρη.
«Οι συνθετικοί λειχήνες αναδημιουργούν τη συμβίωση των φυσικών λειχήνων, αλλά αναπτύσσονται πολύ πιο γρήγορα και η χρήση της ζύμης ως συνεργάτη μας επιτρέπει να παράγουμε βιώσιμα μια ολόκληρη σειρά ενώσεων υψηλής αξίας», λέει ο Ledesma-Amaro. Η ζύμη είναι ένας γνωστός, εκβιομηχανισμένος οργανισμός που είναι «προγραμματιζόμενος» και αναπτύσσεται εύκολα σε μεγάλη κλίμακα. Στον συνθετικό λειχήνα που βλέπω, ο Ledesma-Amaro και η ομάδα του χρησιμοποιούν ζύμη γενετικά τροποποιημένη για να παράγει καρυοφυλλένιο, μια ένωση που έχει εφαρμογές στις φαρμακευτικές, καλλυντικές και καυστικές βιομηχανίες. Στο εγγύς μέλλον, προβλέπει μια σειρά από χρήσιμα προϊόντα: αντιβιοτικά, βιοκαύσιμα και συνθετικό φοινικέλαιο. Μια άλλη μορφή συνθετικού λειχήνα θα μπορούσε να σχεδιαστεί για να συλλαμβάνει και να αποθηκεύει διοξείδιο του άνθρακα. Άλλοι επιστήμονες βλέπουν λειχήνες να αναπτύσσονται για να επισκευάσουν γηρασμένες κατασκευές από σκυρόδεμα σε όλο τον κόσμο. Οι φιλοδοξίες για τους λειχήνες είναι υψηλές, φτάνοντας ακόμη και πέρα από τον πλανήτη μας. Στη Σελήνη και στον Άρη, η NASA και οι ιδιωτικές διαστημικές εταιρείες σχεδιάζουν να χρησιμοποιήσουν συνθετικό διαστημικό λειχήνα – γνωστό ως κατασκευασμένο ζωντανό υλικό – για να αναπτυχθεί σε ρηγόλιθο και να φτιάξει υλικό για την κατασκευή κτιρίων και επίπλων.
Ζώντας μαζί
Με μέτρια εμφάνιση και αργή ανάπτυξη, οι λειχήνες είναι η αρχετυπική επίδειξη συμβίωσης, που σημαίνει “ζώντας μαζί” και αναφέρεται στη συνύπαρξη δύο διαφορετικών ειδών. Στην περίπτωση των λειχήνων, η ερμηνεία του εγχειριδίου είναι ότι ένας μυκητιακός συνεργάτης φιλοξενεί ένα άτομο ενός άλλου είδους, γνωστό ως φωτοσυμβιωτής. Συνήθως, αυτό είναι άλγης, αλλά μερικές φορές βακτηριακό, και παράγει τροφή μέσω φωτοσύνθεσης και τη μοιράζεται με τον ξενιστή του. Ο μυκητιακός συνεργάτης παρέχει, μεταξύ άλλων, εξαιρετική προστασία από τα στοιχεία, έτσι ώστε ο λειχήνας να μπορεί να επιβιώσει σε ακραίες συνθήκες όπου λίγα άλλα μπορούν να ζήσουν. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ορισμένοι επιστήμονες επαναπροσδιορίζουν τους λειχήνες και δημιουργούν συνθετικές εκδόσεις των δικών τους.
Οι λειχήνες έχουν δύο ιδιότητες υπέρ τους. Πρώτον, ως συμβιωτικός οργανισμός, το σύνολο είναι μεγαλύτερο από το άθροισμα των μερών του. Με άλλα λόγια, κάθε λειχήνας μπορεί να κάνει πράγματα που ο μύκητας μόνος του ή ο φωτοσυμβιωτής μόνος του δεν μπορούν να κάνουν. Από μακριά, οι λειχήνες μπορεί να είναι μέτριες στην εμφάνιση, αλλά από κοντά, είναι πολύπλοκοι, πλούσιοι, χαρισματικοί οργανισμοί. Οι φυσικοί λειχήνες είναι επίσης πολύ περισσότερα από τη συνεργασία δύο ειδών μύκητα συν άλγη. Συχνά, υπάρχουν αυτοί οι δύο οργανισμοί, συν ένας δευτερεύων μύκητας με τη μορφή ζύμης και ένα επιπλέον βακτηριακό είδος, δημιουργώντας μια κοινότητα τεσσάρων. Αλλά ακόμη και αυτό υποτιμάται. «Στη φύση, αυτό που αποκαλούμε κοινώς «λειχήνα» είναι στην πραγματικότητα μια κοινότητα πολλών – δεκάδων έως εκατοντάδων – διαφορετικών μικροβίων», λέει ο Arjun Khakhar, ένας βιολόγος που κατασκευάζει συνθετικούς λειχήνες στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Κολοράντο. «Δύο λειχήνες που φαίνονται πανομοιότυποι και είναι ακριβώς δίπλα ο ένας στον άλλο μπορεί να έχουν τεράστια διαφορετικά μέλη». Διάφορες αναλύσεις φρέσκου ιστού λειχήνων έχουν διαπιστώσει ότι περιέχουν μεταξύ 1 εκατομμυρίου και 100 εκατομμυρίων βακτηρίων ανά γραμμάριο.
Το δεύτερο πράγμα που έχουν να προσφέρουν οι λειχήνες είναι ότι είναι ανθεκτικοί. Μπορούν να ζήσουν και να φωτοσυνθέσουν στις πιο σκληρές συνθήκες. Στο Svalbard, βαθιά μέσα στον Αρκτικό κύκλο, υπάρχουν περίπου 700 είδη λειχήνων. Αντιμετωπίζουν τις χαμηλές θερμοκρασίες, την ξηρότητα και την υψηλή υπεριώδη ακτινοβολία. Στην ακτή, ανέχονται την επανειλημμένη βύθιση σε θαλασσινό νερό – μια εμπειρία που τα περισσότερα άλλα χερσαία φυτά δεν μπορούν να αντέξουν. Ορισμένα είδη αναπτύσσονται μέσα σε βράχο (“ενδολιθικός” λειχήνας, κυριολεκτικά “μέσα στον βράχο”). Είναι ένα ανοιχτό ερώτημα ως προς ποια πτυχή της βιολογίας τους τους επιτρέπει να αντιμετωπίσουν την αφυδάτωση και τις ακραίες θερμοκρασίες.
Οι λειχήνες, οι οποίοι αναπτύσσονται φυσικά σε μια ποικιλία περιβαλλόντων, είναι μια μοναδική μορφή ζωής, φτιαγμένη από μια συμβιωτική σχέση μεταξύ ενός μύκητα και ενός συνεργάτη όπως τα φύκια ή τα κυανοβακτήρια Jose B. Ruiz/naturepl.com
Στο Κολοράντο, ο Khakhar προτείνει ότι η ανθεκτικότητα των λειχήνων προέρχεται από βιομόρια που παράγει ο νηματοειδής μύκητας, τα οποία προστατεύουν ολόκληρη την κοινότητα στον λειχήνα. «Τα μοναδικά μόρια που είναι σε θέση να φτιάξει οφείλονται ενδεχομένως στην ικανότητα των λειχήνων να αξιοποιούν τόσο τις βακτηριακές όσο και τις μυκητιακές βιοχημείας μέσω της διανομής εργασιών σε όλη την κοινότητα», λέει. Για παράδειγμα, συστατικά στους φωτοσυμβιοτεών μπορούν να παράγουν διάφορες χρωστικές με χλωροφύλλη και ο μύκητας μπορεί να κάνει αντηλιακό συνθέτοντας ενώσεις όπως καροτενοειδή (τις χρωστικές ουσίες στα καρότα, τις ώριμες ντομάτες και τα φθινοπωρινά φύλλα) και μελανίνες (που χρωματίζουν το δέρμα μας). Μαζί, η συμβιωτική κοινότητα λειχήνων έχει πρόσβαση σε ένα μεγαλύτερο φάσμα ενώσεων από ό,τι ένας μόνο οργανισμός μπορεί να ελπίζει να παράγει και αυτό ξεκλειδώνει την υπερδύναμη του λειχήνα. Φυσικά, επίσης, το μυκητιακό συστατικό βοηθά στην προστασία της κοινότητας από τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας και της υγρασίας. Στη συνέχεια, υπάρχει η αργή ανάπτυξή της, η οποία της επιτρέπει να ζει με ελάχιστους πόρους.
Λειχήνες στο διάστημα
Αυτά τα χαρακτηριστικά ήταν αρκετά για να ενθουσιάσουν τη NASA. Οι λειχήνες μπορούν να επιβιώσουν από την έκθεση σε προσομοιωμένες και πραγματικές διαστημικές συνθήκες. Ξεκινώντας το 2014, ένα είδος λειχήνας που ονομάζεται Circinaria gyrosa έζησε – ή τουλάχιστον, δεν πέθανε – σε ένα ράφι στο εξωτερικό του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού για 18 μήνες. Όταν το έφεραν πίσω μέσα και του έδωσαν νερό, άρχισε να μεγαλώνει. Το γεγονός ότι οι λειχήνες μπορούν να αναπτυχθούν μέσα σε βράχο και να ανεχθούν τις συνθήκες του διαστήματος ενθουσιάζει τους υποστηρικτές της λιθοπανσπερμίας, της ιδέας ότι τα μικρόβια θα μπορούσαν να ταξιδέψουν μεταξύ πλανητών σε αστεροειδείς.
Η Congrui Jin, μηχανικός που ειδικεύεται στα ζωντανά υλικά στο Πανεπιστήμιο Texas A&M, άρχισε να σκέφτεται τις δυνατότητες των λειχήνων για ένα προνοητικό έργο της NASA που στόχευε στην εύρεση αποτελεσματικών τρόπων για να χτίσουμε μέρη για να ζήσουμε και να εργαστούμε στον Άρη – όποτε φτάσουμε τελικά εκεί. Ορισμένες προτάσεις για κατοικίες εκτός πλανήτη βασίζονται σε φουσκωτές κατασκευές, με την ιδέα ότι χρειάζονται λιγότερα υλικά για να κατασκευαστούν κατοικίες γεμάτες αέρα. Αλλά κάθε είδος προκατασκευασμένου υλικού που μεταφέρεται εκεί με πύραυλο εξακολουθεί να είναι ακριβό. Μια φθηνότερη εναλλακτική λύση για τη μεταφορά τέτοιων αντικειμένων από τη Γη είναι να βρεθεί ένας τρόπος παραγωγής οικοδομικών υλικών από τον ρηγόλιθο που υπάρχει ήδη στον πλανήτη. Για την Jin, οι λειχήνες είναι η τέλεια λύση. Αλλά ένα φυσικό είδος μπορεί να μην λειτουργήσει απαραίτητα.
Ένα πείραμα επί του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού έχει δείξει ότι οι λειχήνες μπορούν να είναι εξαιρετικά ανθεκτικοί, επιβιώνοντας για περισσότερους από 18 μήνες στο διάστημα ESA
«Θέλουμε να συνδυάσουμε τους μύκητες με ορισμένα φωτοσυνθετικά είδη όπως τα κυανοβακτήρια. Μπορούν να μετατρέψουν το ηλιακό φως και το νερό σε οργανικά θρεπτικά συστατικά και να κατακρημνίσουν ανθρακικό ασβέστιο», λέει. «Λειτουργεί ως κόλλα για να δεσμεύσει τα σωματίδια του εδάφους στον Άρη σε μια συνεκτική δομή». Αυτό το βιοϋλικό μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί σε έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή για την παραγωγή οικοδομικών υλικών – δάπεδα, χωρίσματα, τοίχοι, έπιπλα, ό,τι θέλετε. Το μεγαλύτερο μέρος αυτού που χρειάζεστε, είτε ηλιακό φως, διοξείδιο του άνθρακα, νερό, θρεπτικά συστατικά ή τεράστιες ποσότητες βασαλτικού βράχου, βρίσκεται ήδη εκεί στον Άρη.
Η δουλειά της Jin έδειξε πρόσφατα ότι οι λειχήνες είναι υποσχόμενοι υποψήφιοι για τη μετατροπή του ρηγόλιθου του Άρη σε οικοδομικό υλικό και για την παραγωγή άλλων βιομεταλλευμάτων και βιοπολυμερών. Οι λειχήνες είναι σκληροί και ορισμένοι πρόθυμοι φουτουριστές τους θεωρούν καλούς υποψηφίους για να βοηθήσουν στην τροποποίηση του Κόκκινου Πλανήτη. Αλλά ακόμη και αν δεν υπήρχαν μέτρα προστασίας του πλανήτη που πρέπει να τηρηθούν, οι λειχήνες δεν μπορούν να αναπτυχθούν στην επιφάνεια του Άρη, εκτεθειμένοι στα στοιχεία της φύσης. Ο Άρης δεν έχει μαγνητικό πεδίο και οποιαδήποτε ζωή στην επιφάνεια πρέπει να προστατεύεται από την σκληρή ακτινοβολία. Έτσι, η Jin οραματίζεται τους λειχήνες της Άρη να αναπτύσσονται σε καταφύγια.
Το μέλλον των κατασκευών
Ωστόσο, η αποίκιση άλλων πλανητών απέχει πολύ και η Jin συνειδητοποίησε ότι οι λειχήνες της είχαν έναν πιο άμεσο ρόλο στη Γη. Υπάρχουν πολλές περιπτώσεις όπου θα ήταν χρήσιμο να δεσμευθούν τα ερείπια και να φτιαχτεί ένα χρησιμοποιήσιμο οικοδομικό υλικό. Σκεφτείτε τα κατεστραμμένα κτίρια που άφησαν πίσω τους φυσικές και ανθρωπογενείς καταστροφές. Επιπλέον, ένας τρόπος δέσμευσης άνθρακα κατά τη διαδικασία κατασκευής σκυροδέματος θα βοηθούσε στον μετριασμό του τεράστιου αποτυπώματος άνθρακα. Και τι θα γινόταν αν μπορούσαμε να παράγουμε αυτοθεραπευτικό σκυρόδεμα; Τα κτίρια και οι κατασκευές θα ήταν φθηνότερα στη συντήρηση και θα είχαν επίσης μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Προηγούμενες προσπάθειες χρήσης μικροβίων για την εκτέλεση αυτών των λειτουργιών έχουν αποτύχει επειδή το σκυρόδεμα είναι ένα αφιλόξενο μέρος για να ζήσει κανείς. Αλλά αν οι λειχήνες μπορούν να τα καταφέρουν στο διάστημα, σκέφτηκε η Jin, σίγουρα μπορούν να τα καταφέρουν με το σκυρόδεμα.
Η Jin και οι συνάδελφοί της έδειξαν ότι μια προσέγγιση βασισμένη σε λειχήνες, που συνδυάζει μύκητες με κυανοβακτήρια, δημιουργεί μια συν-καλλιέργεια που μπορεί να αναπτυχθεί σε σκυρόδεμα. Όχι μόνο αυτό, ο συνθετικός λειχήνας της κατακρημνίζει ανθρακικό ασβέστιο – το ορυκτό που σχηματίζει κιμωλία, ασβεστόλιθο και μάρμαρο – θεραπεύοντας ρωγμές στη δομή. «Δοκιμάσαμε νηματοειδείς μύκητες και κυανοβακτήρια και διαπιστώσαμε ότι έχουν καλύτερη επιβίωση [από άλλα μικρόβια] υπό τις ξηρές και φτωχές σε θρεπτικά συστατικά συνθήκες στο σκυρόδεμα», λέει. «Τα πάνε καλά μεταξύ τους και η διαδικασία είναι αυτόνομη και έχουν επίσης [μια] πολύ καλή ικανότητα κατακρήμνισης ανθρακικού ασβεστίου». Σε αντίθεση με τις προσεγγίσεις ενός είδους, η συν-καλλιέργεια δεν απαιτεί την προσθήκη εξωτερικών θρεπτικών συστατικών, επειδή ο συνθετικός λειχήνας εξάγει άζωτο από τον αέρα και φτιάχνει το δικό του λίπασμα.
Ο Khakhar προσπαθεί επίσης να φτιάξει λειχήνα ταχείας ανάπτυξης επιλέγοντας μικρόβια που είναι ήδη ταχείας ανάπτυξης, πριν τα τροποποιήσει και τα συνδυάσει για να γίνουν σαν λειχήνες. Το εργαστήριό του, σε εργασίες παρόμοιες με της Jin, έχει φτιάξει έναν συνθετικό λειχήνα στον οποίο το μυκητιακό συστατικό μεταλλεύεται. «Οι νηματοειδείς μύκητες τρέφονται από τα κυανοβακτήρια που είναι ενσωματωμένα σε αυτούς και αναπτύσσουν ένα μυκήλιο που έχει έναν πέτρινο εξωσκελετό», λέει. «Στο μέλλον, αυτό θα επιτρέψει τη βιώσιμη βιομηχανική παραγωγή οικοδομικών υλικών». Αποκαλεί το επεξεργασμένο προϊόν μυκοϋλικά.
Οι έρευνές μου για τη συμβίωση έχουν εμβαθύνει την εκτίμησή μου για τους λειχήνες ως δυναμικά μίνι οικοσυστήματα, ένα ζωντανό μάθημα για την πραγματικότητα της αλληλεξάρτησης, όπως και η κατανόηση της δυνατότητάς τους στην επιστημονική φαντασία στη δημιουργία των υλικών του αύριο. Έτσι, την επόμενη φορά που θα δείτε αυτές τις διακλαδούμενες αναπτύξεις σε ένα δέντρο, μια ταφόπλακα ή ένα παλιό παγκάκι, ίσως αφιερώσετε μια στιγμή για να κάνετε μια παύση – και να σκεφτείτε τι θαυμαστό πράγμα που διαμορφώνει το μέλλον βλέπετε.
Τι είναι οι συνθετικοί λειχήνες;
Οι συνθετικοί λειχήνες είναι μια καινοτόμος προσέγγιση στην παραγωγή βιώσιμων υλικών και στην εξερεύνηση του διαστήματος. Είναι δημιουργημένοι στο εργαστήριο με σκοπό να αντικαταστήσουν ή να βελτιώσουν τις ιδιότητες των φυσικών λειχήνων.
Πώς λειτουργούν οι συνθετικοί λειχήνες;
- Αναπαράγουν τη συμβίωση φυσικών λειχήνων, συνήθως συνδυάζοντας έναν μύκητα (όπως ζύμη) με ένα κυανοβακτήριο.
- Ο μύκητας παρέχει δομή και προστασία, ενώ το κυανοβακτήριο πραγματοποιεί φωτοσύνθεση, παράγοντας τροφή.
- Γενετική τροποποίηση επιτρέπει την παραγωγή χρήσιμων ουσιών όπως φάρμακα, καύσιμα και οικοδομικά υλικά.
Πιθανές εφαρμογές των συνθετικών λειχήνων;
- Κατασκευή στον Άρη: Δημιουργία οικοδομικών υλικών από τον ρηγόλιθο, το τοπικό έδαφος του πλανήτη.
- Επισκευή κτιρίων: Δημιουργία αυτοθεραπευόμενου σκυροδέματος που δεσμεύει άνθρακα.
- Βιώσιμη παραγωγή: Παραγωγή φαρμάκων βιοκαυσίμων και φοινικέλαιου.
Γιατί είναι σημαντική η έρευνα για τους συνθετικούς λειχήνες;
- Προσφέρουν μια βιώσιμη λύση για την παραγωγή υλικών.
- Έχουν τη δυνατότητα να αλλάξουν τον τρόπο που χτίζουμε και ζούμε.
- Μπορούν να βοηθήσουν στην εξερεύνηση και αποίκιση του διαστήματος.
Παραδείγματα χρήσης συνθετικών λειχήνων
- Σκυρόδεμα που αυτοθεραπεύεται και δεσμεύει το διοξείδιο του άνθρακα.
*Παραγωγή υλικών για κατασκευή κτιρίων στον Άρη.
*Παραγωγή βιοκαυσίμων από τα κυανοβακτήρια.
Συχνές Ερωτήσεις (Συχνές Ερωτήσεις)
1. Μπορούν οι συνθετικοί λειχήνες να αναπτυχθούν απευθείας στην επιφάνεια του Άρη;
Όχι, λόγω έλλειψης μαγνητικού πεδίου και έντονης ακτινοβολίας, χρειάζονται προστατευμένο περιβάλλον.
2. Είναι ασφαλής η χρήση συνθετικών λειχήνων;
Η έρευνα βρίσκεται σε εξέλιξη για να διασφαλιστεί η ασφάλεια των συνθετικών λειχήνων και η εφαρμογή των κατάλληλων μέτρων προστασίας του περιβάλλοντος.
3. Πότε θα μπορέσουμε να χρησιμοποιήσουμε συνθετικούς λειχήνες στην κατασκευή;
Αρκετά χρόνια ερευνών και πειραμάτων είναι απαραίτητα, όμως η έρευνα είναι πολύ υποσχόμενη.