蘑菇擁有你未曾想過的神奇魔力

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安德森(Jim Anderson)的腳下正躺著一個怪物。早在波斯王薛西斯(Xerxes)向古希臘宣戰之時,它就一直存活著。重量超過三條藍鯨。它的胃口非常大,能吞下大片森林。但它並不是希臘神話中被遺忘的野獸,它是一朵蘑菇。

安德森正在密歇根北部半島的克里斯特福爾斯(Crystal Falls),探索當地一片平淡無奇的林地。此行的目的是探訪林地生存著的微生物有機體,距離安德森團隊首次發現它已經30多年了。它的學名叫做高盧蜜環菌(Armillaria gallica)。

在亞洲、北美和歐洲的溫帶林地裏,都能找到高盧蜜環菌的蹤跡。它們生長在枯木和將死的樹木上,加速腐蝕分解的過程。這種蘑菇只有子實體暴露在地表,最高能長到10厘米。子實體呈鱗片狀的黃褐色,外表與毒蕈類似。

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Image caption 安德森團隊發現的這朵巨型真菌,已經在密歇根北部半島森林地底生長了2500年(Credit: Getty Images)

20世紀80年代末,安德森團隊來到了克里斯特福爾斯,在森林地面的覆蓋層和表層土壤下,發現了大量高盧蜜環菌群。最初以為是一個豐富的蘑菇群落,後來發現,菌群是一個巨大的真菌體。團隊估計,這個真菌體佔地至少91英畝,質量約達100噸,至少生長了1500年時間。它的發現,刷新了俄勒岡州高盧蜜環菌保持的最大真菌的世界紀錄。

安德森表示:「當時引起了不小的轟動。報道正是在愚人節發佈的,所以很多人覺得我們在開玩笑。2015年的時候,我們決定再回去看看,驗證當時所見的就是高盧蜜環菌單個個體的推測。」

2015年至2017年間,安德森的團隊多次回到此地,從林地的各個角落採集樣本,並利用多倫多大學的實驗室,通過測序儀對採集的DNA樣本進行分析。自上世紀80年代以來,基因分析技術已經有了長足進步,新技術使這一分析過程變得更加容易、處理速度更快,而且能提供更多的信息。

分析了最新樣本之後,確認這朵高盧蜜環菌就是單個個體,而且比之前預測的體積還要大,生長時間還要長。最新的分析結果是,這朵蘑菇比預測的要大4倍,生長年限要再往前推1000年。如果能秤重,整個蘑菇大概能達400噸左右。

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Image caption 真菌合成的菌絲體狀若靜脈,人們已經將它運用到許多方面,如醫療繃帶、建築材料等(Credit: Getty Images)

然而,分析研究有一項重大的發現,其中含有的物質,能幫助人類用來抗衡現代醫學界最大的敵人之一——癌症。

高盧蜜環菌因何能存活這麼長時間和長得這麼巨大?加拿大的研究人員發現了其中的秘密:這種菌菇的變異率極低,這就意味著菌菇的基因編碼極少會發生改變。

個體生長時,體內的細胞會一分為二,誕生出新的細胞。隨著時間的推移,細胞內的DNA可能會損傷,導致蛋白質合成時產生錯誤,這個過程叫做變異,變異會改變基因編碼。一般認為衰老就是這種機制產生的。

在克里斯特福爾斯發現的高盧蜜環菌中,有一種內在的抵抗DNA損傷的能力。團隊在森林的不同地方採集了15個樣本進行了測序,結果發現,在1億個高盧蜜環菌的基因編碼之中,發生改變的只有163個基因編碼。

安德森說:「變異率遠遠低於我們的想像。除非每分裂一次,這朵蜜環菌就長大一米,否則這樣低水平的變異率是不可能達到的。但是,細胞是十分微小的東西——每個細胞大概只有幾微米。因此,要長大一米,大概需要分裂出數百萬個細胞才行。」

安德森團隊認為,這種真菌體內有一種機制,能夠抵制DNA損傷,只有這樣才能讓它的基因組如此穩定。雖然無法給出確切解釋,但高盧蜜環菌驚人的穩性,給了人們啟發,為人類健康提供了新的視角。

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Image caption 感染蟬若蟲的真菌會產生一種化合物,能夠被轉化為阻斷性免疫抑製藥物(Credit: Mike Dickison/Wikimedia Commons)

在某些癌症中,當檢查和修復DNA的正常人體機制被破壞時,細胞內的突變可能會失控。

安德森說:「高盧蜜環菌的某些成分,似乎能與癌症的不穩定性抗衡。觀察一組培養了相同時間的癌細胞和蜜環菌細胞,癌細胞由於幾經變異,已經無法辨識。而高盧蜜環菌則恰恰相反,我們可以觀察到它是如何變化成現在這樣,並與癌細胞進行比較。」

這樣的研究,不僅能讓科學家更了解癌細胞變異的機理,還可能提供治癒癌症的新思路。

安德森團隊的研究,發現了真菌能幫助人類這塊尚未觸及的領域,但他們並不准備展開研究,他們希望有更年輕、更專業的團隊來做這項工作。這樣的團隊才更了解癌症遺傳的複雜性。

真菌是地球上最常見的生物之一,這些微小生物的總生物量超過地球上所有動物的總和。人們還在不斷發現新的真菌。據估計,生物界約有380萬種真菌,其中有超過90%都尚未被發現。僅2017年,科學家就新發現了2189種真菌。

倫敦英國皇家植物園(Royal Botanic Gardens Kew)最新發表的一份報告中強調,真菌目前已經有數百種用途。從造紙到清洗髒衣服。就疫苗和生物製劑來說,原材料中有大約15%來自真菌。乙肝疫苗製劑是一種復合蛋白,是在酵母細胞中培養而成的。而酵母則是真菌的一種。

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Image caption 由真菌產生的酵素被添加到洗衣粉中,在洗滌時酵素能分解棉線上的蛋白質,有助於去除頑固污漬(Credit: Getty Images)

知名抗生素盤尼西林,其實是在常見的家庭霉菌中發現的,是生長在麵包上的一種霉菌。還有很多抗生素,也是用真菌製成的。治療偏頭痛和治療心臟疾病的他汀類藥物也是從真菌中提取出來的。用於治療多發性硬化症的新型免疫抑製劑,其主要化學成分提取自某種感染蟬若蟲的真菌。

普雷斯科特(Tom Prescott)是英國皇家植物園的一名研究員,主要研究植物和真菌的各種應用。他說:「真菌會侵入昆蟲體內,取而代之。真菌能分泌一種化合物,抑制昆蟲免疫系統發揮作用。我們發現,這種化合物對人類也同樣有效。」

研究人員認為菌類給人帶來的幫助,如今發現的只是冰山一角。

林納科斯基(Riikka Linnakoski)是芬蘭自然資源研究所的一名森林病理學家,他說:「已經發現真菌能夠抵禦病毒性疾病。"真菌合成的某些化合物,能消除多種病毒,」例如流感病毒、脊髓灰質炎病毒、腮腺炎病毒、麻疹病毒和腺熱病毒等。人們還發現,真菌合成的化合物中,有些成分能夠治療目前無法治癒的疾病,如艾滋病毒和寨卡病毒。

林納科斯基說:「我相信,生物活性化合物還有很大的開發空間。真菌富含的大量生物活性分子,在未來可能會被製成各種抗病毒藥物。」

他參與的一個研究小組,主要研究哥倫比亞紅樹林中的某種真菌能否製成新型抗病毒藥物。目前尚未有突破性進展。許多研究證明了真菌能夠抵禦細菌攻擊,是很好的抗生素來源,但是用真菌製作抗病毒藥物的提議還未被通過。

林納科斯基認為,科學界的明顯疏忽有兩個原因。一是從自然界採集和培養數量巨大的真菌並不容易;二是真菌學家和病毒學家長久以來缺乏溝通。但他相信,利用真菌製作抗病毒藥物,並進入臨牀使用,只是時間問題。

林納科斯基還認為,在極端的環境中尋找真菌物種,比如深海海牀沉積處、生存條件多變的紅樹林,其所含有的化學成分可能更令人興奮。

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Image caption 許多疫苗都需要用酵母作為「生產工廠」,以合成複雜的分子(Credit: Getty Images)

他說:「人們認為,在極端條件下會刺激真菌產生獨特的、結構上前所未有的次生代謝物,次生代謝物十分罕見,在結構上是前所未有的。但不幸的是,能夠產生這種新型生物活性化合物的許多生態環境如紅樹林,都在以驚人的速度消亡。」

真菌除了能應用於醫療,還能幫助人們解決其他問題。

在巴基斯坦伊斯蘭堡郊區垃圾填埋場,發現了一種生活在土壤中的真菌,能夠解決海洋塑料污染問題。伊斯蘭堡真納大學(Quaid-I-Azam University)的微生物學家哈桑(Fariha Hasan)發現,這種塔賓曲霉菌能夠迅速分解聚氨酯塑料。

現在許多產品都是用聚氨酯塑料製成的,包括家具泡沫、電子產品外殼、粘合劑和薄膜等。如果棄置於土壤或海洋,很多年都無法分解。但塔賓曲霉菌能在幾周內將其分解乾淨。哈桑的團隊目前正研究如何利用真菌降解塑料垃圾。生長在腐爛的常青藤葉上擬盤多毛孢屬的孢子菌,這種真菌能夠大量分解塑料。人們希望利用它們,解決日益嚴重的的廢物處理問題。

事實上,人類所產生的污染物菌菇有很強的吞噬力。已經發現一些菌菇,它們能清除土壤中的油污、降解有害重金屬、消耗農藥殘留,有的甚至還能吸收輻射。

然而菌菇還能夠幫助減少塑料製品的使用。

世界各地的許多研究團體,正試圖利用真菌產生的類似血管狀菌絲體的這一重要特徵,來製造可以替代塑料包裝的材料。真菌在生長時,這些菌絲體會向外伸展,深入土壤的角落和縫隙,並與土壤結合在一起。這就是天然的粘合劑。

2010年,Ecovative設計公司開始研究,如果利用這種特性,並結合天然的廢棄物,如稻殼、木屑等,來生產一種代替聚苯乙烯的包裝材料。在他們的早期工作中研製出了真菌復合材料,利用麻類植物作為基礎材料生產產品包裝。

人們把真菌孢子、麵粉和可重覆使用的模具放在一起,讓它們生長9天。這個過程中會產生一種酵素開始消化廢物。一旦材料形成所需的形狀,將其加熱處理使材料乾燥,防止其繼續生長。由此得到的菌菇包裝是可生物降解的,這種材料已經被戴爾等公司用於包裝計算機。

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Image caption 真菌菌絲體在玉米殼等廢棄的農作物上生長時,能產生輕質、可降解的包裝材料(Credit: Getty Images)

該公司還研發出一種泡沫,也是利用菌絲體長成的。可以用這種泡沫做運動鞋、絶緣材料,還能用於仿皮革面料。Bolt Threats是一家堅持可持續發展理念的紡織公司,Ecovative設計公司與之合作,將廢玉米秸稈與菌絲體的結合物塑形後,進行鞣制、壓縮的工序,最終製造出墊子。整個過程需要數天時間,而不是動物皮革需要數年。

設計師麥卡特尼(Stella McCartney)正在尋找利用菌菇皮革和鞋履設計師西奧卡羅(Liz Ciokajlo)使用菌絲體,來製造一個20世紀70年代月亮靴潮流的現代新形像。

阿塔納蘇(Athanassia Athanassiou)就職於意大利熱那亞理工學院,是一名材料科學家。他一直在利用真菌,開發治療慢性創面的新型繃帶。

他發現,通過改變菌絲體所消化物質,可以改變菌絲體的性質。真菌消化的物質越硬,如比木屑而不是馬鈴薯皮,所得到的菌絲體材料就會越堅實。

這就將真菌的應用推廣到了更廣闊的平台。

總部位於美國加州MycoWorks的公司,一直在開發以菌菇為原料生產建築材料。他們用木材作為菌菇的消耗基,製造出了比傳統的混凝土更加阻燃、更加堅硬的磚塊。

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Image caption 變色栓菌一般可以在樹上找到,人們用這種真菌製造出的磚塊,有阻燃、防白蟻、隔音的效果(Credit: Tien Huynh)

澳大利亞墨爾本理工學院的生物技術專家黃恬(Tien Huynh)一直在進行一項研究,他的團隊將菌絲體與稻殼和碎玻璃混合在一起,製造出了類似的真菌磚塊。

他說,這種建築材料不僅造價低廉,而且更加環保。同時也解決了澳大利亞和世界各地許多家庭遇到的白蟻問題。每年白蟻給房屋造成的損失超過十億美元,而稻殼和玻璃中含有的二氧化硅不能為白蟻所食用。

黃恬說:「我們也利用真菌生產各種酵素,並且打造不同屬性的新生物結構,包括隔音性、強度和韌性等。」他的團隊還在研究利用真菌生產甲殼素,這種物質廣泛應用於食品增稠和化妝品行業。

他說:「甲殼素通常是由貝殼類生物加工而成的,存在過敏可能。而真菌生產的甲殼素是不會引起過敏的。今年我們預計還會推出更多基於真菌生產的產品。真菌資源真的很迷人,而且幾乎沒有被開發過。」

真菌還可以與傳統建築材料結合使用,生產出一種能夠自我修復的「智能混凝土」。如果有裂縫出現,真菌的生物活動會分泌出碳酸鈣(混凝土的主要成分),將裂縫填滿、修補建築損傷。

卡利塔(Gitartha Kalita)是印度古瓦哈提阿薩姆唐博斯科大學的生物工程師。他和同事們利用真菌和乾草廢物,研製出了建築木材的替代品。他說:「使用菌絲的可能性是無限的。在人們眼中的農業廢棄物,實際是真菌生長的資源。我們的生存環境已經退化了,所以我們要用可持續的方式來替代現有的材料。真菌可以把廢物變成對我們真正有價值的東西。"

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