Radiosyntes är den teoretiska infångningen och metabolismen av joniserande strålningsenergi av levande organismer, i analogi med fotosyntes . I likhet med fotosyntes, som använder energin från synligt ljus, produceras kemisk energi . Bevis för radiosyntes har dock ännu inte tillhandahållits.
Denna process beskrevs först teoretiskt 1956 i en publikation av den sovjetiske mikrobiologen Sergei Ivanovich Kuznetsov (1900-1987). [1] Efter olyckan vid kärnkraftverket i Tjernobyl 1986 hittades mer än 200 arter av svampar [2] innehållande pigmentet melanin på väggarna i reaktorhallen och i den omgivande jorden. Melaniner är pigment som kan absorbera joniserande strålning. Ytterligare tester på en art visade att de växer oftare beroende på bestrålning, det vill säga att de är radiotrofa svampar . [3] [4] Betydelsen av melanin för den radiotrofiska effekten kunde också visas.
Sådana "melaniserade" svampar har också hittats i näringsfattiga områden på hög höjd utsatta för höga nivåer av ultraviolett strålning. Efter de ryska resultaten började ett amerikanskt team vid Albert Einstein College of Medicine vid Yeshiva University i New York experimentera med strålningsexponering av melanin och melaniserade svampar. De fann att joniserande strålning ökade melaninets förmåga att stödja en viktig metabol reaktion, och att Cryptococcus neoformans- svampar växte tre gånger snabbare än normalt. Mikrobiologen Yekaterina Dadacheva föreslog att sådana svampar skulle kunna fungera som mat och en strålskyddskälla för interplanetära astronauter som skulle utsättas för kosmisk strålning . 2014 fick ett amerikanskt forskarlag patent på en metod för att öka tillväxten av mikroorganismer genom att öka melaninhalten. Uppfinnarna av denna process hävdade att deras svampar tillämpade radiosyntes och antog att radiosyntes kan ha spelat en roll i det tidiga livet på jorden genom att tillåta melaniserade svampar att fungera som autotrofer . Från oktober 2018 till mars 2019 genomförde NASA ett experiment ombord på den internationella rymdstationen för att studera radiotrofiska svampar som en potentiell strålbarriär mot skadlig strålning i rymden. Radiotrofa svampar har också många möjliga användningsområden på jorden, potentiellt inklusive en metod för bortskaffande av kärnavfall eller användning som biobränsle eller kraftkälla på hög höjd .
Melaniserade svampars förmåga att använda elektromagnetisk strålning för fysiologiska processer är av stor betydelse för studiet av biologiska energiflöden i biosfären och för exobiologi , eftersom det ger nya mekanismer för överlevnad under utomjordiska förhållanden.
Svampar, såsom Cryptococcus neoformans , som orsakar allvarliga infektioner hos AIDS-patienter, har lager av melanin på sina membran. Melanin är rikt på radikaler - molekylära regioner med mycket reaktiva oparade elektroner - som kan hjälpa till att avvärja attacker från immunsystemet hos alla organismer som svampen försöker infektera. Melaniserade svampar migrerar till radioaktiva källor, vilket verkar öka deras tillväxt. Kylvatten i vissa kärnreaktorer i drift blir svart på grund av kolonier av melaninrika svampar. [5] Detta fenomen, kombinerat med den kända förmågan hos melanin att absorbera ett brett spektrum av elektromagnetisk strålning och omvandla denna strålning till andra former av energi , höjer möjligheten att melanin också är involverat i att skörda sådan energi för biologiskt bruk. Radiotrofa svampar använder pigmentet melanin för att omvandla gammastrålning till kemisk energi för tillväxt. Denna föreslagna mekanism kan likna de anabola vägarna för syntes av reducerat organiskt kol (som kolhydrater ) i fototrofa organismer, som omvandlar fotoner från synligt ljus med hjälp av pigment som klorofyll , vars energi sedan används vid fotolys av vatten för att bilda användbar kemisk energi (som ATP ) under fotofosforylering eller fotosyntes. Det är dock inte känt om melanininnehållande svampar använder samma flerstegsväg som fotosyntes eller några av kemosyntesvägarna .
Dessa svampar verkar utnyttja både förändringar i den kemiska strukturen hos melanin och fenomenen paramagnetism [6] , såväl som egenskaper hos melatonins kemiska sammansättning och dess rumsliga arrangemang [7] .
I ett experiment fann forskare att gammastrålar orsakade en fyrfaldig ökning av melaninets förmåga att katalysera redoxreaktionen som är typisk för cellulär metabolism.
De testade också svaret av melanin på gammastrålar med hjälp av elektronspinresonans, en teknik som liknar kärnmagnetisk resonansspektroskopi. Gammastrålar har förändrat fördelningen av oparade elektroner i en molekyl.
Dessa resultat tyder på att gammastrålar exciterar några av melaninelektronerna, vilket initierar en ännu okänd process som så småningom kommer att leda till generering av kemisk energi; detta kan likna hur fotosyntes ger energi till växter. Forskarna föreslår att melanin kan skörda energi inte bara från gammastrålar, utan också från lågenergistrålning som röntgenstrålar eller ultravioletta strålar . "Jag tror att det här bara är toppen av ett isberg", säger mikrobiologen Arturo Casadeval vid Albert Einstein College of Medicine i New York. [5] Även om några av detaljerna om hur melaninrelaterad energitransduktion fungerar kan bestämmas genom att länka olika observationer och indirekta data, är de specifika detaljerna fortfarande dåligt förstådda.
| metabolism hos bakterier | |
|---|---|
| Jäsning | |
| Fotosyntes | |
| Kemosyntes | |
| Anaerob andning |
|