蘑菇拥有你未曾想过的神奇魔力

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安德森(Jim Anderson)的脚下正躺着一个怪物。早在波斯王薛西斯(Xerxes)向古希腊宣战之时,它就一直存活着。重量超过三条蓝鲸。它的胃口非常大,能吞下大片森林。但它并不是希腊神话中被遗忘的野兽,它是一朵蘑菇。

安德森正在密歇根北部半岛的克里斯特福尔斯(Crystal Falls),探索当地一片平淡无奇的林地。此行的目的是探访林地生存着的微生物有机体,距离安德森团队首次发现它已经30多年了。它的学名叫做高卢蜜环菌(Armillaria gallica)。

在亚洲、北美和欧洲的温带林地里,都能找到高卢蜜环菌的踪迹。它们生长在枯木和将死的树木上,加速腐蚀分解的过程。这种蘑菇只有子实体暴露在地表,最高能长到10厘米。子实体呈鳞片状的黄褐色,外表与毒蕈类似。

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Image caption 安德森团队发现的这朵巨型真菌,已经在密歇根北部半岛森林地底生长了2500年(Credit: Getty Images)

20世纪80年代末,安德森团队来到了克里斯特福尔斯,在森林地面的覆盖层和表层土壤下,发现了大量高卢蜜环菌群。最初以为是一个丰富的蘑菇群落,后来发现,菌群是一个巨大的真菌体。团队估计,这个真菌体占地至少91英亩,质量约达100吨,至少生长了1500年时间。它的发现,刷新了俄勒冈州高卢蜜环菌保持的最大真菌的世界纪录。

安德森表示:“当时引起了不小的轰动。报道正是在愚人节发布的,所以很多人觉得我们在开玩笑。2015年的时候,我们决定再回去看看,验证当时所见的就是高卢蜜环菌单个个体的推测。”

2015年至2017年间,安德森的团队多次回到此地,从林地的各个角落采集样本,并利用多伦多大学的实验室,通过测序仪对采集的DNA样本进行分析。自上世纪80年代以来,基因分析技术已经有了长足进步,新技术使这一分析过程变得更加容易、处理速度更快,而且能提供更多的信息。

分析了最新样本之后,确认这朵高卢蜜环菌就是单个个体,而且比之前预测的体积还要大,生长时间还要长。最新的分析结果是,这朵蘑菇比预测的要大4倍,生长年限要再往前推1000年。如果能秤重,整个蘑菇大概能达400吨左右。

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Image caption 真菌合成的菌丝体状若静脉,人们已经将它运用到许多方面,如医疗绷带、建筑材料等(Credit: Getty Images)

然而,分析研究有一项重大的发现,其中含有的物质,能帮助人类用来抗衡现代医学界最大的敌人之一——癌症。

高卢蜜环菌因何能存活这么长时间和长得这么巨大?加拿大的研究人员发现了其中的秘密:这种菌菇的变异率极低,这就意味着菌菇的基因编码极少会发生改变。

个体生长时,体内的细胞会一分为二,诞生出新的细胞。随着时间的推移,细胞内的DNA可能会损伤,导致蛋白质合成时产生错误,这个过程叫做变异,变异会改变基因编码。一般认为衰老就是这种机制产生的。

在克里斯特福尔斯发现的高卢蜜环菌中,有一种内在的抵抗DNA损伤的能力。团队在森林的不同地方采集了15个样本进行了测序,结果发现,在1亿个高卢蜜环菌的基因编码之中,发生改变的只有163个基因编码。

安德森说:“变异率远远低于我们的想象。除非每分裂一次,这朵蜜环菌就长大一米,否则这样低水平的变异率是不可能达到的。但是,细胞是十分微小的东西——每个细胞大概只有几微米。因此,要长大一米,大概需要分裂出数百万个细胞才行。”

安德森团队认为,这种真菌体内有一种机制,能够抵制DNA损伤,只有这样才能让它的基因组如此稳定。虽然无法给出确切解释,但高卢蜜环菌惊人的稳性,给了人们启发,为人类健康提供了新的视角。

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Image caption 感染蝉若虫的真菌会产生一种化合物,能够被转化为阻断性免疫抑制药物(Credit: Mike Dickison/Wikimedia Commons)

在某些癌症中,当检查和修复DNA的正常人体机制被破坏时,细胞内的突变可能会失控。

安德森说:“高卢蜜环菌的某些成分,似乎能与癌症的不稳定性抗衡。观察一组培养了相同时间的癌细胞和蜜环菌细胞,癌细胞由于几经变异,已经无法辨识。而高卢蜜环菌则恰恰相反,我们可以观察到它是如何变化成现在这样,并与癌细胞进行比较。”

这样的研究,不仅能让科学家更了解癌细胞变异的机理,还可能提供治愈癌症的新思路。

安德森团队的研究,发现了真菌能帮助人类这块尚未触及的领域,但他们并不准备展开研究,他们希望有更年轻、更专业的团队来做这项工作。这样的团队才更了解癌症遗传的复杂性。

真菌是地球上最常见的生物之一,这些微小生物的总生物量超过地球上所有动物的总和。人们还在不断发现新的真菌。据估计,生物界约有380万种真菌,其中有超过90%都尚未被发现。仅2017年,科学家就新发现了2189种真菌。

伦敦英国皇家植物园(Royal Botanic Gardens Kew)最新发表的一份报告中强调,真菌目前已经有数百种用途。从造纸到清洗脏衣服。就疫苗和生物制剂来说,原材料中有大约15%来自真菌。乙肝疫苗制剂是一种复合蛋白,是在酵母细胞中培养而成的。而酵母则是真菌的一种。

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Image caption 由真菌产生的酶被添加到洗衣粉中,在洗涤时酶能分解棉线上的蛋白质,有助于去除顽固污渍(Credit: Getty Images)

知名抗生素盘尼西林,其实是在常见的家庭霉菌中发现的,是生长在面包上的一种霉菌。还有很多抗生素,也是用真菌制成的。治疗偏头痛和治疗心脏疾病的他汀类药物也是从真菌中提取出来的。用于治疗多发性硬化症的新型免疫抑制剂,其主要化学成分提取自某种感染蝉若虫的真菌。

普雷斯科特(Tom Prescott)是英国皇家植物园的一名研究员,主要研究植物和真菌的各种应用。他说:“真菌会侵入昆虫体内,取而代之。真菌能分泌一种化合物,抑制昆虫免疫系统发挥作用。我们发现,这种化合物对人类也同样有效。”

研究人员认为菌类给人带来的帮助,如今发现的只是冰山一角。

林纳科斯基(Riikka Linnakoski)是芬兰自然资源研究所的一名森林病理学家,他说:“已经发现真菌能够抵御病毒性疾病。"真菌合成的某些化合物,能消除多种病毒,”例如流感病毒、脊髓灰质炎病毒、腮腺炎病毒、麻疹病毒和腺热病毒等。人们还发现,真菌合成的化合物中,有些成分能够治疗目前无法治愈的疾病,如艾滋病毒和寨卡病毒。

林纳科斯基说:“我相信,生物活性化合物还有很大的开发空间。真菌富含的大量生物活性分子,在未来可能会被制成各种抗病毒药物。”

他参与的一个研究小组,主要研究哥伦比亚红树林中的某种真菌能否制成新型抗病毒药物。目前尚未有突破性进展。许多研究证明了真菌能够抵御细菌攻击,是很好的抗生素来源,但是用真菌制作抗病毒药物的提议还未被通过。

林纳科斯基认为,科学界的明显疏忽有两个原因。一是从自然界采集和培养数量巨大的真菌并不容易;二是真菌学家和病毒学家长久以来缺乏沟通。但他相信,利用真菌制作抗病毒药物,并进入临床使用,只是时间问题。

林纳科斯基还认为,在极端的环境中寻找真菌物种,比如深海海床沉积处、生存条件多变的红树林,其所含有的化学成分可能更令人兴奋。

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Image caption 许多疫苗都需要用酵母作为“生产工厂”,以合成复杂的分子(Credit: Getty Images)

他说:“人们认为,在极端条件下会刺激真菌产生独特的、结构上前所未有的次生代谢物,次生代谢物十分罕见,在结构上是前所未有的。但不幸的是,能够产生这种新型生物活性化合物的许多生态环境如红树林,都在以惊人的速度消亡。”

真菌除了能应用于医疗,还能帮助人们解决其他问题。

在巴基斯坦伊斯兰堡郊区垃圾填埋场,发现了一种生活在土壤中的真菌,能够解决海洋塑料污染问题。伊斯兰堡真纳大学(Quaid-I-Azam University)的微生物学家哈桑(Fariha Hasan)发现,这种塔宾曲霉菌能够迅速分解聚氨酯塑料。

现在许多产品都是用聚氨酯塑料制成的,包括家具泡沫、电子产品外壳、粘合剂和薄膜等。如果弃置于土壤或海洋,很多年都无法分解。但塔宾曲霉菌能在几周内将其分解干净。哈桑的团队目前正研究如何利用真菌降解塑料垃圾。生长在腐烂的常青藤叶上拟盘多毛孢属的孢子菌,这种真菌能够大量分解塑料。人们希望利用它们,解决日益严重的的废物处理问题。

事实上,人类所产生的污染物菌菇有很强的吞噬力。已经发现一些菌菇,它们能清除土壤中的油污、降解有害重金属、消耗农药残留,有的甚至还能吸收辐射。

然而菌菇还能够帮助减少塑料制品的使用。

世界各地的许多研究团体,正试图利用真菌产生的类似血管状菌丝体的这一重要特征,来制造可以替代塑料包装的材料。真菌在生长时,这些菌丝体会向外伸展,深入土壤的角落和缝隙,并与土壤结合在一起。这就是天然的粘合剂。

2010年,Ecovative设计公司开始研究,如果利用这种特性,并结合天然的废弃物,如稻壳、木屑等,来生产一种代替聚苯乙烯的包装材料。在他们的早期工作中研制出了真菌复合材料,利用麻类植物作为基础材料生产产品包装。

人们把真菌孢子、面粉和可重复使用的模具放在一起,让它们生长9天。这个过程中会产生一种酶开始消化废物。一旦材料形成所需的形状,将其加热处理使材料干燥,防止其继续生长。由此得到的菌菇包装是可生物降解的,这种材料已经被戴尔等公司用于包装计算机。

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Image caption 真菌菌丝体在玉米壳等废弃的农作物上生长时,能产生轻质、可降解的包装材料(Credit: Getty Images)

该公司还研发出一种泡沫,也是利用菌丝体长成的。可以用这种泡沫做运动鞋、绝缘材料,还能用于仿皮革面料。Bolt Threats是一家坚持可持续发展理念的纺织公司,Ecovative设计公司与之合作,将废玉米秸秆与菌丝体的结合物塑形后,进行鞣制、压缩的工序,最终制造出垫子。整个过程需要数天时间,而不是动物皮革需要数年。

设计师麦卡特尼(Stella McCartney)正在寻找利用菌菇皮革和鞋履设计师西奥卡罗(Liz Ciokajlo)使用菌丝体,来制造一个20世纪70年代月亮靴潮流的现代新形象。

阿塔纳苏(Athanassia Athanassiou)就职于意大利热那亚理工学院,是一名材料科学家。他一直在利用真菌,开发治疗慢性创面的新型绷带。

他发现,通过改变菌丝体所消化物质,可以改变菌丝体的性质。真菌消化的物质越硬,如比木屑而不是马铃薯皮,所得到的菌丝体材料就会越坚实。

这就将真菌的应用推广到了更广阔的平台。

总部位于美国加州MycoWorks的公司,一直在开发以菌菇为原料生产建筑材料。他们用木材作为菌菇的消耗基,制造出了比传统的混凝土更加阻燃、更加坚硬的砖块。

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Image caption 变色栓菌一般可以在树上找到,人们用这种真菌制造出的砖块,有阻燃、防白蚁、隔音的效果(Credit: Tien Huynh)

澳大利亚墨尔本理工学院的生物技术专家黄恬(Tien Huynh)一直在进行一项研究,他的团队将菌丝体与稻壳和碎玻璃混合在一起,制造出了类似的真菌砖块。

他说,这种建筑材料不仅造价低廉,而且更加环保。同时也解决了澳大利亚和世界各地许多家庭遇到的白蚁问题。每年白蚁给房屋造成的损失超过十亿美元,而稻壳和玻璃中含有的二氧化硅不能为白蚁所食用。

黄恬说:“我们也利用真菌生产各种酶,并且打造不同属性的新生物结构,包括隔音性、强度和韧性等。”他的团队还在研究利用真菌生产甲壳素,这种物质广泛应用于食品增稠和化妆品行业。

他说:“甲壳素通常是由贝壳类生物加工而成的,存在过敏可能。而真菌生产的甲壳素是不会引起过敏的。今年我们预计还会推出更多基于真菌生产的产品。真菌资源真的很迷人,而且几乎没有被开发过。”

真菌还可以与传统建筑材料结合使用,生产出一种能够自我修复的“智能混凝土”。如果有裂缝出现,真菌的生物活动会分泌出碳酸钙(混凝土的主要成分),将裂缝填满、修补建筑损伤。

卡利塔(Gitartha Kalita)是印度古瓦哈提阿萨姆唐博斯科大学的生物工程师。他和同事们利用真菌和干草废物,研制出了建筑木材的替代品。他说:“使用菌丝的可能性是无限的。在人们眼中的农业废弃物,实际是真菌生长的资源。我们的生存环境已经退化了,所以我们要用可持续的方式来替代现有的材料。真菌可以把废物变成对我们真正有价值的东西。"

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