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放射性真菌は、放射合成と呼ばれる生物学的プロセスを実行できる真菌であり、これは電離放射線を主なエネルギー源として代謝を促進することを意味します。放射性真菌は、チェルノブイリ原子力発電所のような極限環境で発見されたと主張されています。[ 1 ] [ 2 ]
ほとんどの放射線栄養性真菌は、生存のために何らかの形でメラニンを利用している。 [ 3 ]放射線とメラニンをエネルギーとして利用するプロセスは放射合成と呼ばれ、嫌気呼吸に類似していると考えられている。[ 4 ]しかし、光合成や化学合成などの多段階プロセスが放射合成に利用されているかどうかは不明である。
破壊されたチェルノブイリ原子力発電所周辺から多くの真菌が分離されており、その中には、災害による放射性黒鉛に向かって菌糸の成長方向を定めているものも観察されている。これは「放射線指向性」と呼ばれる現象である。[ 5 ] [ 1 ]研究では、真菌コロニーを引き付ける資源として炭素の存在は否定され、実際には、一部の真菌はベータ線およびガンマ線電離放射線の発生源の方向に優先的に成長するが、この効果の背後にある生物学的メカニズムを特定することはできなかったと結論付けられている。[ 1 ]また、稼働中の他の原子炉の冷却水からメラニンを豊富に含む他の真菌が発見されたことも観察されている。真菌の細胞膜にある光吸収化合物は、水を黒くする効果があった。 [ 6 ]極限環境生物（放射性発電所のような過酷な条件下でも生存できる生物）の事例は数多くあるが、仮説上の放射線指向性真菌は、放射線にもかかわらずではなく、放射線のおかげで成長するだろう。[ 7 ]
アルバート・アインシュタイン医科大学で行われたさらなる研究では、メラニンを含む3種類の真菌（Cladosporium sphaerospermum、Wangiella dermatitidis、Cryptococcus neoformans）が、通常の環境よりも放射線レベルが500倍高い環境でバイオマスが増加し、酢酸をより速く蓄積することが示されました。特にC. sphaerospermumは、チェルノブイリの原子炉で発見された種であるため選ばれました。Dadachovaらは、 C. neoformans細胞をこれらの放射線レベルにさらすと、生物はメラニンの化学的性質を急速に（曝露後20～40分以内に）変化させ、メラニンを介した電子伝達速度（ NADHによるフェリシアン化物の還元として測定）を、曝露されていない生物と比較して3～4倍に増加させることを発見しました。ただし、各培養は、各真菌に少なくとも限られた栄養素を与えて行われました。バイオマスの増加やその他の影響は、細胞が電離放射線から直接エネルギーを得るか、放射線によって細胞が従来の栄養素をより効率的にまたはより迅速に利用できるようになるかのいずれかによって引き起こされる可能性がある。[ 7 ]
実験室での研究以外では、生物が非電離放射線に曝露された後、メラニンの電子輸送能力に同様の影響が見られました。著者らは、光や熱の放射線が真菌に同様の影響を与えるかどうかについては結論を出していません。 [ 7 ]
メラニンは、放射線遮蔽特性を持つ、暗色の天然色素の一種です。これらの色素は分子構造により電磁波を吸収し、その結果暗色になります。この特性から、メラニンは放射線耐性菌を電離放射線から保護するのに役立つ可能性があると考えられます。メラニンの放射線遮蔽特性は、水の放射線分解中に生成されるフリーラジカルを捕捉する能力によるものと考えられています。 [ 8 ]メラニンの生成は、多くの極限環境での生存を助けることができるため、菌類にとって有利です。これらの環境の例としては、チェルノブイリ原子力発電所[ 2 ]、国際宇宙ステーション[ 4 ]、南極横断山脈[ 9 ]などが挙げられます。メラニンは菌類が放射線を代謝するのを助ける可能性もありますが、さらなる証拠と研究が必要です。[ 3 ]
メラニン化は、真菌細胞にとって何らかの代謝コストを伴う可能性がある。放射線がない場合、メラニン化していない真菌（メラニン経路で突然変異を起こしたもの）は、メラニン化した真菌よりも速く成長した。真菌細胞壁内のメラニン分子による栄養素の取り込みの制限、またはメラニン生合成で生成される毒性中間体が、この現象に寄与していると考えられている。[ 7 ]これは、多くの真菌がメラニンを生成する能力を持っているにもかかわらず、メラニンを構成的に（つまり常に）合成するのではなく、多くの場合、外部刺激に応答して、または発達のさまざまな段階でのみ合成するという観察と一致する。[ 10 ]真菌の成長のための有機化合物またはその他の代謝物のメラニンに基づく合成における正確な生化学的プロセス、真菌細胞内の化学中間体（天然の電子供与体および受容体分子など）、およびこのプロセスの場所と化学生成物については不明である。放射性栄養菌類は、冥王代にはより広範囲に分布し、数も多く、自然発生的な核分裂反応がより頻繁に起こっていたと考えられている。放射性合成の経路は、他のいくつかの古代生物において、一種の遺伝的付属器官として休眠状態で存在している可能性がある。
放射線栄養性真菌は、特に深宇宙における宇宙飛行士の保護のために、電離放射線を減衰させる生物学的遮蔽材として使用できる可能性があると仮説が立てられている。[ 4 ]現地資源利用（ISRU）と放射線防護のためのバイオテクノロジーの可能性を検証するために、 2018 年 12 月から 2019 年 1 月にかけて国際宇宙ステーション（ISS）で実験が行われた。この実験では、黒色真菌Cladosporium sphaerospermumを培養し、約 26 日間（622.5 時間）にわたってその成長と減衰能力を観察した。[ 4 ]
軌道上での結果は、地球上の地上対照と比較して宇宙環境で質的にも量的にも成長の優位性があることを示しており、放射線適応反応の可能性を示唆している。[ 4 ]厚さ約1.67 mmの真菌成長層の直下で測定された放射線レベルは、成長のないネガティブコントロールの下よりも低いことがわかった。[ 4 ]実験の初期段階では、有意なバイオマスが形成される前は、2つのグループ間で放射線カウントに測定可能な差はなかったが、記録された電離事象のより大きな減少は、真菌バイオマスとメラニン含有量が成熟した後の実験の後期段階と相関していた。[ 4 ]
実験用ハードウェアの制限、特に深宇宙で支配的な高エネルギーの銀河宇宙線(GCR)ではなく、低エネルギー波動放射 ( X 線とガンマ線) に非常に敏感なフォトダイオードセンサーの使用のため、巨視的な線量測定外挿にはさらなる検証が必要です。[ 4 ]それにもかかわらず、この研究では、メラニン化した生物学的化合物が、エネルギー粒子に対する有望な受動遮蔽材料であると結論付けました。[ 4 ]天然のメラニンはバイオテクノロジーで生産できるため、ISRU を通じて容易に入手できます。[ 4 ]構造および遮蔽目的で密度を高めるために、火星の「バイオリス」の概念に類似して、真菌バイオマスまたはメラニンを火星のレゴリスなどの豊富な現地資源と統合することができます。[ 4 ]さらに、メラニンの層を繊維、樹脂、または繊維複合材に組み込んで、紫外線による表面損傷から保護するために、 EVA スーツや膨張式宇宙船インフラストラクチャに適用することができます。[ 4 ]
「この黒い菌類は、放射線を『飲み込む』ことでチェルノブイリを治癒しているのかもしれない」と、ある生物学者は説明する。