研究室で栽培された地衣類が火星に居住地を建設するのにどのように役立つのか

私が地衣類を観察するときは、いつも森の中で、木の枝に生えたフリル状の成長物を手持ちのレンズで見つめています。あるいは、アルプスの高いところにある露出した岩の上、古い墓石、または岩だらけの海岸の上で、海藻の成長が止まり、より大きな陸上植物が引き継ぐ前にゾーンにあります。私は共生に関する本の研究中に地衣類をたくさん見てきましたが、これまで見たことがなかった場所は、培養器の中で渦を巻いている実験室のフラスコの中でした。そして、地衣類が過去について何を語っているかについてはよく考えますが、地衣類が未来について何を語っているかについては最近まで考えていませんでした。

私が保育器の中で見ている緑色の濁った液体は、私たちが考える地衣類とはまったく異なります。地衣類は菌類と藻類の共生関係です。 「それは、これが合成地衣類だからです」と、ここインペリアル・カレッジ・ロンドンの持続可能なタンパク質のためのベゾスセンターの所長であるロドリゴ・レデスマ・アマロは言う。この液体は、真菌 (酵母) とシアノバクテリアの 2 種の共培養物です。天然の地衣類と同様に、真菌は細菌の宿主構造である足場を提供し、細菌は光、水、二酸化炭素を使った光合成によって糖を作り、それを真菌に供給します。

一体なぜそのようなポーションを作ろうとしたのでしょうか？なぜなら、レデスマ＝アマロ氏によれば、酵母を遺伝子編集して、あらゆる種類の有用な製品（食品、燃料、化学薬品、材料、医薬品）を生産できるようになり、光合成によってその生産を推進できれば、それらのものを持続的に生産できるからです。そのため、合成地衣類はバイオテクノロジー業界だけでなく、それを超えた分野でも興奮を引き起こしています。地衣類は、建物の修復、気候危機との戦い、さらには火星に居住地を建設するために利用できる可能性があることが判明した。

「合成地衣類は天然地衣類の共生を再現しますが、成長がはるかに速く、酵母をパートナーとして使用することで、あらゆる種類の高価値化合物を持続的に生産することができます」とレデスマ＝アマロ氏は言う。酵母は、「プログラム可能」で簡単に大規模に増殖できる、よく知られた工業化された生物です。私が見た合成地衣類では、レデスマ・アマロ氏と彼のチームは、製薬、化粧品、燃料産業で応用される化合物であるカリオフィレンを生成するように遺伝子操作された酵母を使用している。近い将来、抗生物質、バイオ燃料、合成パーム油など、さまざまな有用な製品が登場すると彼は予想しています。別の形態の合成地衣類は、二酸化炭素を捕捉して貯蔵するように設計される可能性がある。他の科学者は、世界中の老朽化したコンクリート構造物を修復するために地衣類が配備されているのを観察しています。地衣類に対する野心は高く、私たちの地球を超えてまで広がっています。月と火星では、NASA と民間宇宙企業は、人工宇宙地衣類（正しくは人工生命体材料として知られている）を使用して、レゴリス上で成長し、建物や家具を建設するための材料を作ることを計画しています。

一緒に暮らす

見た目は控えめで成長が遅い地衣類は、共生の典型的な例であり、これは「一緒に生きる」ことを意味し、2 つの異なる種の共生を指します。地衣類の場合、教科書的な説明では、真菌のパートナーがフォトビオントとして知られる別の種の個体を宿主としている。通常、これは藻類ですが、時には細菌であり、光合成によって食物を作り、それを宿主と共有します。パートナーの真菌は、とりわけ、風雨からの優れた保護を提供するため、地衣類は他にほとんど生計を立てることができない極限状態でも生き残ることができます。一部の科学者が地衣類を再利用し、独自の合成バージョンを作成しているのはこのためです。

地衣類には有利な 2 つの性質があります。まず、共生生物として、全体は部分の合計よりも大きくなります。言い換えれば、それぞれの地衣類は、真菌だけでは、または光生物だけではできないことを行うことができます。遠くから見ると、地衣類は控えめな外観かもしれませんが、近くで見ると、複雑で豊かなカリスマ的な生物です。また、自然の地衣類は、教科書的な菌類と藻類の 2 種のパートナーシップをはるかに超えています。多くの場合、これら 2 つの微生物に加えて、酵母の形をした二次真菌と追加の細菌種が存在し、4 つの微生物のコミュニティを形成します。しかし、それさえも過小評価です。 「自然界では、私たちが口語的に『地衣類』と呼んでいるものは、実際には多数の、数十から数百の、さまざまな微生物のコミュニティです」と、コロラド州立大学で合成地衣類を製造している生物学者のアルジュン・カハルは言う。 「同じように見えてすぐ隣り合っている 2 つの地衣類は、大きく異なるメンバーを持っている可能性があります。」新鮮な地衣類組織のさまざまな分析により、1グラムあたり100万から1億個の細菌が含まれていることが判明しました。

地衣類の特徴の 2 つ目は、地衣類が丈夫であることです。彼らは最も過酷な条件でも生きて光合成することができます。北極圏のはるか内側にあるスバールバル諸島には、約 700 種の地衣類が生息しています。彼らは、低温、乾燥、強い紫外線に対処します。海岸では、他のほとんどの陸上植物が耐えられない、塩水への繰り返しの浸漬に耐えます。いくつかの種は岩の内部で成長します（「内石質」地衣類、文字通り「岩の内部」）。彼らの生態のどのような側面が乾燥や極端な気温に対処できるのかについては未解決の疑問です。

コロラド州のカーハー氏は、地衣類の回復力は糸状菌が生成する生体分子によるもので、それが地衣類のコミュニティ全体を保護していると示唆している。 「それが作ることができるユニークな分子は、コミュニティ全体にタスクを分散することによって細菌と真菌の両方の生化学を活用する地衣類の能力によるものである可能性があります」と彼は言います。たとえば、フォトバイオントの成分はクロロフィルを使ってさまざまな色素を作ることができ、真菌はカロテノイド（ニンジン、熟したトマト、秋の葉に含まれる色素）やメラニン（私たちの肌を着色する）などの化合物を合成することで日焼け止めを作ることができます。共生する地衣類群集は、一緒に、単一の生物が生産できるよりも広範囲の化合物にアクセスできるようになり、これによって地衣類のスーパーパワーが解き放たれます。物理的にも、真菌成分は温度と湿度の変動からコミュニティを緩衝するのに役立ちます。さらに、成長が遅いため、最小限の資源で生きていくことができます。

宇宙の地衣類

これらの属性は、NASA を興奮させるのに十分でした。地衣類は、シミュレートされた空間条件と実際の空間条件の両方にさらされても生き残ることができます。 2014 年から、 チルキナリア・ギローサ 彼らは国際宇宙ステーションの外側の棚で18か月間生き、少なくとも死ななかった。室内に戻して水を与えたところ、成長を始めました。地衣類が岩石の中で成長し、宇宙の条件に耐えられるという事実は、微生物が小惑星の惑星間を移動できるという考えであるリソパンスペルミアの支持者を興奮させている。

テキサス A&M 大学の生体材料を専門とするエンジニアであるコングルイ ジンは、最終的に火星に到達するときはいつでも、火星に居住および作業できる場所を構築する効率的な方法を見つけることを目的とした先進的な NASA プロジェクトのために、地衣類の可能性について考え始めました。地球外住宅の提案の中には、空気で満たされた住宅を作るのに必要な材料を少なくするという考えから、膨張可能な構造に依存するものもあります。しかし、ロケットで輸送されるプレハブ材料の各品目は依然として高価です。このような物品を地球から持ち上げるより安価な代替案は、すでに地球上にあるレゴリスから建築材料を生産する方法を見つけることです。ジンにとって、地衣類は完璧な解決策です。しかし、自然に存在する種が必ずしも機能するとは限りません。

「私たちはこの菌類をシアノバクテリアのような光合成種と組み合わせたいと考えています。彼らは太陽光と水を有機栄養素に変換し、炭酸カルシウムを沈殿させることができます」と彼女は言う。 「それは火星の土壌粒子を結合して凝集構造にする接着剤の役割を果たします。」この生体材料を 3D プリンターで使用して、床、間仕切り、壁、家具などの建築材料を製造できます。太陽光、二酸化炭素、水、栄養素、あるいは膨大な量の玄武岩など、必要なものの大部分はすでに火星に存在しています。

ジン氏の研究は最近、地衣類が火星のレゴリスを建築材料に変えたり、他の生体鉱物や生体高分子を生産したりするための有望な候補であることを示した。地衣類は丈夫で、熱心な未来学者の中には、地衣類が赤い惑星のテラフォーミングに役立つ有力な候補者であると考える人もいます。しかし、たとえ遵守すべき惑星保護措置がなかったとしても、風雨にさらされた火星の表面では地衣類は成長できません。火星には磁場がないため、火星表面の生命は過酷な放射線から身を守る必要があります。そこでジンさんは、火星の地衣類が避難所で成長している様子を想像します。

建築の未来

しかし、他の惑星への植民地化はまだまだ先のことであり、ジンは自分の地衣類が地球上でより直接的な役割を果たしていることに気づきました。瓦礫を束ねて建築資材として使えると便利な場面はたくさんあります。自然災害や人為的災害によって残された破壊された建物について考えてみましょう。それだけでなく、コンクリート製造プロセス中に炭素を隔離する方法は、その膨大な二酸化炭素排出量を抑制するのに役立ちます。そして、自己修復コンクリートを製造できたらどうなるでしょうか?建物や構造物の維持費は安くなり、寿命も長くなります。コンクリートは住みにくい場所であるため、微生物を使ってこれらの機能を果たそうとするこれまでの試みは失敗に終わった。しかし、地衣類が宇宙でも対処できるのであれば、きっとコンクリートにも対処できるだろうとジン氏は推論した。

ジンと彼女の同僚は、地衣類をベースにしたアプローチ、真菌とシアノバクテリアを組み合わせることで、コンクリート上で成長できる共培養物ができることを示しました。それだけでなく、彼女の合成地衣は炭酸カルシウム（チョーク、石灰岩、大理石を形成する鉱物）を沈殿させ、構造の亀裂を修復します。 「糸状菌とシアノバクテリアを試したところ、それらの方が生存率が高いことがわかりました」 [than other microbes] 「コンクリートの中の乾燥した栄養分に乏しい条件下で。」と彼女は言います。 [a] 炭酸カルシウムを沈殿させる非常に優れた能力を持っています。」単一種のアプローチとは異なり、合成地衣は空気から窒素を抽出し、独自の肥料を作るため、共培養では外部から栄養素を追加する必要がありません。

Khakhar氏はまた、すでに成長が早い微生物を選択し、それを微調整して組み合わせて地衣類のようなものにすることで、急速に成長する地衣類を作ろうとしている。彼の研究室は、ジンと同様の研究で、真菌成分が石化した合成地衣類を作成しました。 「糸状菌は、その中に埋め込まれたシアノバクテリアから栄養を得て、石の外骨格を持つ菌糸体を成長させます」と彼は言います。 「将来的には、これにより建築材料の持続可能なバイオ製造が可能になるでしょう。」彼はこの人工製品をマイコマテリアルと呼んでいます。

共生についての私の調査により、地衣類はダイナミックなミニ生態系であり、相互依存の現実における生きた教訓であると同時に、明日の材料を作る上での地衣類の SF 的可能性を理解することができました。したがって、次に木、墓石、または古いベンチにフリルの生えたものを見つけたら、おそらく少し立ち止まって、自分が見ているのがどのような未来を形作る驚異なのか考えてみてください。