Швейцарские исследователи продвигают идею создания биогибридов лесных деревьев, обладающих способностью к биолюминесценции, а помогает им в этом гриб опенок ссыхающийся.
Чтобы бросить вызов изменению климата и короеду, в швейцарских лесах высаживают больше лиственных деревьев. Если возможно, их древесину следует использовать несколько раз, прежде чем она превратится в дрова, тем самым высвобождая ранее связанный CO₂ обратно в атмосферу. Однако в настоящее время твердая древесина все еще слишком часто используется напрямую для отопления.
Поэтому необходимы инновационные идеи для более устойчивого каскадного использования. Одна из возможностей - оснастить природный материал новыми свойствами (в техническом плане: функциональностью) и превратить его, например, в магнитную, водонепроницаемую или генерирующую электричество древесину.
Команда под руководством исследователя грибов Фрэнсиса Шварце из Empa (Швейцарские федеральные лаборатории по испытанию и исследованию материалов для промышленности, строительства и торговли) в Санкт-Галлене в настоящее время занимается другой идеей нового типа композитного материала на основе твердой древесины: светящейся древесины. Помимо применения в технических областях, светящуюся древесину можно перерабатывать в дизайнерскую мебель или ювелирные изделия.
Это достигнуто благодаря паразиту: гриб-опенок Armillaria tabescens вызывает белую гниль на деревьях, и, следовательно, фактически является вредителем древесины, однако, некоторые виды этого гриба вырабатывают натуральное вещество люциферин, которое стимулирует свечение в двухэтапном ферментативном процессе. Древесина, пронизанная грибными нитями, излучает зеленый свет.
«Естественно светящееся дерево было впервые описано около 2400 лет назад греческим философом Аристотелем», - говорит Шварце. Строго говоря, переплетенную структуру гриба и дерева можно описать как естественный биогибрид, комбинацию живых материалов.
Функциональность биолюминесцентной древесины была подтверждена шахтерами в 18 веке, которые использовали светящиеся деревянные подпорки в качестве ориентира вместо факелов. Свет, излучаемый в шахтах, исходил как раз от мицелиальных нитей (ризоморфов), производимых опёнком ссыхающимся (Armillaria sp). Название биолюминесцентной древесины «лисий огонь» -«foxfire» - происходит от старого французского слова faux, что означает ложный, в отношении биолюминесцентного свечения, имитирующего огонь. И Аристотель (384–322 гг. до н.э.), и Плиний Старший (23–79 гг. н.э.) сообщали о подобном свечении в древние времена
«Искусственно созданные композитные материалы такого рода были бы интересны для многих типов приложений», - говорит исследователь Empa. Но то, чего природа, кажется, достигает без усилий, до сих пор было слишком сложным для биотехнологии. Теперь, впервые, команде в Empa удалось вызвать и контролировать этот процесс в лабораторных условиях. Результаты опубликованы в журнале Advanced Science.
Биотехнолог Фрэнсис Шварце выследил светящиеся грибы в природе, проанализировал их в лаборатории и расшифровал их генетический код. Особенно мощным оказался опенок десармиллярия (Desarmillaria tabescens). После предварительных испытаний с различными видами древесины Шварце начал с дерева Бальсы (Ochroma pyramidale) с ценной древесиной с особенно низкой плотностью.
Используя спектроскопию, исследователи наблюдали, как гриб разрушает лигнин в образцах бальсовой древесины, который отвечает за жесткость и прочность на сжатие. Однако рентгеноструктурный анализ показал, что стабильность древесины в результате этого не снижается: целлюлоза, которая обеспечивает прочность на растяжение в древесине, осталась нетронутой.
Около 20 мкм тонких грибных нитей Desarmillaria tabescens под конфокальным микроскопом. Фото: Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology.
Биогибрид гриба и древесины развивает максимальную светимость при инкубации в течение трех месяцев. Десармиллярия любит особенно влажную среду: образцы бальсового дерева впитывают в восемь раз больше влаги за это время. Ферментативная реакция в древесине наконец запускается при контакте с воздухом.
Свечение раскрывает свое полное великолепие примерно через 10 часов, испуская зеленый свет с длиной волны 560 нанометров, как определила исследователь Empa Джорджия Джованнини из лаборатории биомиметических мембран и текстиля во время анализа флуоресцентной спектроскопии. Увлекательный процесс в настоящее время длится около 10 дней. «Сейчас мы оптимизируем лабораторные параметры, чтобы в будущем еще больше увеличить светимость», - говорит исследователь Empa.
В природе биолюминесценция встречается у самых разных организмов. Свет вырабатывается благодаря химическим процессам, которые высвобождают энергию в виде света и тепла. Если сравнивать реакции генерации света в природе на основе их так называемого квантового выхода, то победителем оказывается светлячок со значением 40%, светящиеся медузы достигают 17%, а светящиеся грибы — 2%.
Более 70 видов грибов демонстрируют биолюминесценцию. Они производят свечение, известное как «лисий огонь» в гниющей древесине. Термин представляет собой французско-английский гибрид «faux» и «fire» для «ложного огня». Цель биолюминесценции у грибов не совсем ясна. Возможно, она заключается в привлечении насекомых для распространения спор гриба.
Трудно найти люминесцентную древесину в природе, поскольку вездесущие искусственные источники света ночью затрудняют ее обнаружение. Исследователь Фрэнсис Шварце советует искать мертвую древесину под влажными осенними листьями безлунной осенней ночью в смешанном буковом лесу. При некоторой удаче гриб и его светящийся древесный ужин можно обнаружить.
Светящийся кальмар
Маленький кальмар Watasenia scintillans имеет длину всего 8 сантиметров, но он отлично маскируется: светоизлучающие клетки разбросаны по всей его нижней части. Эти фотофоры сбивают с толку хищных рыб, обитающих на морском дне. Если посмотреть вверх на поверхность воды, светящийся кальмар не будет замечен хищниками.
Светлячки
Эти насекомые, достигающие 2 сантиметров в размере, находят друг друга для спаривания благодаря своему свету. У светлячков не только полупрозрачное брюшко, но и отражающий слой на внутренней стороне. Это «встроенное зеркало» также отражает биолюминесценцию наружу. Это делает Lampyris noctiluca яркой звездой среди биолюминесцентных существ.
Гигантский опёнок
Опёнок - одно из самых удивительных созданий на Земле. Он может незаметно прорастать на лесной подстилке в классической форме гриба, украшенного только декоративной полоской вокруг стилистика, как браслет, что и дало ему латинское название «Armillaria».
Однако гораздо более впечатляющей является его паутина из черных нитей, которую он тянет по дереву и земле. Грибные нити образуют толстые, метровые пучки, окруженные черным защитным слоем, содержащим меланин. Эти так называемые ризоморфы ищут новые места обитания и источники пищи.
Самый большой живой организм в мире, 2400-летняя сеть опёнка, покрывает площадь в несколько квадратных километров в штате Орегон. Самый большой гриб в Европе можно найти в Швейцарии на перевале Офен. Этот 1000-летний опёнок покрывает площадь размером с 50 футбольных полей.
Источник: Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology. Автор: Андреа Сикс.
Заглавное фото: Медведева Анна, AgroXXI.ru.