20/01/2021
Грибы — одни из самых старых и живучих организмов в мире. Ученые собираются использовать уникальные свойства грибов для производства текстиля, гаджетов и других материалов. Рассказываем, какие свойства грибов позволят использовать их в технологиях будущего.
Зачем и как применять грибы?
Для начала стоит уточнить, что грибы, в первую очередь — царство живой природы, объединяющее эукариотические организмы. Уникальность грибов в том, что они сочетают в себе некоторые признаки как растений, так и животных. Грибы изучает наука микология, которая считается разделом ботаники, поскольку ранее их относили к царству растений. Понятие о грибах как об отдельном царстве сформировалось в науке только к 1970-м годам.
Все, начиная от шампиньонов до плесени на потолке — грибы.
Совместное исследование при участии Университета Западной Англии (UWE Bristol), Mogu Srl, Итальянского института технологий (IIT) и Открытого университета Каталонии (Universitat Oberta de Catalunya, UOC) продемонстрировало, что грибы обладают невероятными свойствами. Они позволяют им воспринимать и обрабатывать такие внешние раздражители, как свет, растяжение, температура, присутствие химических веществ и даже электрические сигналы.
Ученые уверены — это проложит путь к появлению новых грибковых материалов с множеством интересных характеристик, включая устойчивость, долговечность, ремонтопригодность и приспособляемость. Изучая потенциал грибков в качестве компонентов носимых устройств, исследование подтвердило возможность использования этих биоматериалов в качестве эффективных датчиков с бесконечным количеством возможных применений. Напомним, носимые устройства — это своего рода миниатюрные компьютеры: браслеты, очки, часы и даже предметы одежды с беспроводным локальным или удаленным подключением к другим компьютерам. Как правило, такие устройства оснащены датчиками, отслеживающими различные формы физической активности или параметры среды, в которой находится пользователь.
Грибы делают умные носимые устройства еще умнее
Люди вряд ли сочтут грибки подходящим материалом для производства гаджетов, особенно умных устройств, таких как шагомеры или мобильные телефоны. Носимым устройствам требуются сложные схемы, которые подключаются к датчикам и имеют хотя бы некоторую вычислительную мощность. Это достигается с помощью сложных процедур и специальных материалов. Грубо говоря, именно они и делают их «умными». Сотрудничество профессора Эндрю Адацки и доктора Анны Николайду из UWE, Антони Гандиа, технического директора Mogu Srl, профессора Алессандро Чиолерио из IIT и доктора наук Мохаммада Махди Дехшиби, исследователя из UOC продемонстрировало, что к списку этих материалов можно добавить грибы.
На что способны грибы?
В самом деле, в недавнем исследовании «Реагирующий грибок, пригодный для ношения» (Reactive fungal wearable), представленное в журнале Biosystems, изучалась способность вешенок ощущать внешние раздражители, которые могут исходить, например, от человеческого тела. Чтобы проверить способность гриба реагировать как биоматериал, исследование анализирует и описывает его роль как биосенсора, способного различать химические, механические и электрические раздражители.
«Грибы составляют самую большую, наиболее широко распространенную и самую старую группу живых организмов на планете», — объясняет доктор Дехшиби, добавив: «Они очень быстро растут и связываются с субстратом». По словам исследователя из UOC, грибы даже способны обрабатывать информацию так, как это делают компьютеры.
Программирование грибов
Ученый уверен, что грибы можно даже «программировать» — а именно их геометрию и теоретико-графическую структуру сетей мицелия. Затем электрическую активность грибов уже можно использовать для реализации вычислительных схем. Звучит нереалистично? Разберем, что такое мицелий.
Мицелий представляет собой вегетативное тело гриба, которое обладает способностью изменять свое строение, формируя при этом специальные органы, обеспечивающие надежное прикрепление к субстрату, питание и последующее размножение. На самом деле мицелий — это не что иное, как привычная всем грибница. С нее собственно и начинает произрастать гриб, поэтому взяв, к примеру, грибницу белого гриба или масленка, можно весьма успешно вырастить их в любом, приспособленном для этого месте. А меняя его структуру у самых истоков — изменить «поведение гриба».
Кстати, грибы не только реагируют на стимулы и запускают сигналы. Их строение позволяет ученым манипулировать ими для выполнения вычислительных задач, другими словами, для обработки информации. В результате возможность создания реальных компьютерных компонентов из грибкового материала больше не научная фантастика. Фактически компоненты грибов будут способны улавливать внешние сигналы и реагировать на них так, как никогда раньше.
Зачем использовать грибы?
На первый взгляд может показаться, что использовать грибки — плохая идея. За ними нужно ухаживать, они разлагаются, обладают небольшой устойчивостью, могут выделять запахи и так далее. Однако большинство из этих проблем уже решены! Как отмечают ученые, работа с живыми организмами «вообще сопряжена с определенными трудностями». Имея это в виду и проанализировав все варианты, команда в конечном итоге выбрали для своего исследования базидиомицеты, подразделение царства грибов.
Непохожий на другие вид грибов — Basidiomycetes
Сегодня науке известно 36 классов грибов, объединенных в четыре отдела — высших, несовершенных, низших и грибоподобных. Базидиомицеты (лат. Basidiomycetes) или базидиальные грибы — один из главных классов высших грибов. Они отличаются от других способом питания и биологией. У них есть хорошо развитые гифы с перегородками, в их клетки входит по два ядра, а характерным признаком базидиомицетов является образование в гименофоре базидий. Это особенные органы спороношения, состоящие из вздутой терминальной клетки, с двумя или четырьмя спорами. На них экзогенно, то есть под влиянием внешней причины, зарождаются неподвижные базидиоспоры — споры полового размножения).
Эти грибы меньше связаны с болезнями и другими проблемами, вызванными их родственниками при выращивании в помещении. Более того, продукты на основе мицелия уже коммерчески используются в строительстве. Таким грибам можно придать разные формы. Такая стройка похожа на строительство из цемента, но для создания геометрического пространства понадобится всего от пяти дней до двух недель. Кроме того, грибы не наносят такой вред экологии, как производство цемента. Фактически, учитывая, что они питаются отходами чтобы расти, их можно считать экологически чистыми.
«Грибная архитектура»
«Грибная архитектура» само по себе понятие не новое. Существующие стратегии в этой области включают выращивание организма до желаемой формы с использованием небольших модулей, таких как кирпичи, блоки или листы. Затем их сушат, чтобы убить организм, оставляя устойчивое соединение без запаха.
Но, по словам эксперта, в этом направлении можно сделать еще один шаг, если сохранить мицелий и интегрировать его в наночастицы и полимеры для разработки электронных компонентов. Компьютерная подложка выращивается в текстильной форме для придания ей дополнительной структуры. За последнее десятилетие профессор Адамацки создал несколько прототипов сенсорных и вычислительных устройств, использующих слизевую форму физарума многоголового (Physarum polycephalum), включая различные процессоры вычислительной геометрии и гибридные электронные устройства.
Гений плесени Physarum Polycephalum
На первый взгляд, Physarum polycephalum не вызывает особого интереса. Растущая в основном на продуктах разложения в лесах, эта ярко-желтая плесень явно не наводит на душеспасительные мысли. Еще менее впечатляющим представляется структурное строение организма: одноклеточный, имеет лишь остаточное количество ДНК, протеинов и энзимов, к тому же разрастается с ничтожной скоростью — всего 1 мм в час.
Однако, несмотря на все перечисленные недостатки, эта плазмодиальная слизневая плесень считается в удивительной степени разумной. Преодолевая искусственные лабиринты, воссоздавая сложные, спроектированные человеком траектории, избегая при этом тенденции к повторению, данный организм сосредоточил на себе внимание множества ученых по всему миру еще в начале 2000-х годов.
Решение проблемы кратчайшим путем
В 2001 году была сформирована команда исследователей из Университета Хоккайдо (Япония), дабы изучить способность данного организма прокладывать пути через лабиринты.
Образец плесени был разделен на несколько фрагментов и затем равномерно размещен в поле лабиринта. В течение нескольких часов плесень разрослась, связав все разрозненные фрагменты и заполнив практически все возможные пути. А когда исследователи поместили небольшие кусочки овсяных хлопьев при входе и выходе из лабиринта, произошло нечто удивительное.
Медленно, но верно слизь выползла из каждого тупика лабиринта, и сконцентрировалась на наиболее эффективной траектории, ведущей к еде. «Отдельные толстые венообразные формы», как писали исследователи, «соединяющие две точки траекторией, максимально приближенной к кратчайшему пути».
Как итог эксперимента, ученые постановили, что данный организм обладает неким зачаточным подобием разума.
Способность к обучению и изменению поведения
Physarum polycephalum изучали в Университете Хоккайдо и семь лет спустя. Тогда они провели еще одно исследование, направленное на изучение возможности слизневого организма предугадывать и вспоминать события, несмотря на отсутствие мозга.
В рамках эксперимента образец плесени был помещен на лист пластика, после чего ему позволили разрастаться в специально созданных идеальных условиях (повышенная температура, влажность). Затем с равными интервалами образец подвергался внезапному воздействию холодного и сухого воздуха, в ходе которого плесень сильно замедляла интенсивность роста.
Дальше случилось нечто неожиданное: после нескольких интервалов, слизневая плесень начала «предугадывать» момент, в который она должна была подвергнуться воздействию холодного воздуха, и заранее замедляла свой рост, дабы сэкономить энергию.
В результате исследователи установили, что изучаемый организм обладает способностью к обучению, несмотря на полное отсутствие какого-либо подобия мозга.
Способность формирования сетей
В 2010 году японские ученые вновь стал изучать Physarum polycephalum — на этот раз они хотели выяснить, способен ли данный организм формировать эффективные сети.
Они воссоздали миниатюрную версию схемы Токийского железнодорожного транспорта, используя овсяные хлопья для отметки расположения городов и образец слизневого организма на кусочке овса, представляющий собой Токио. Стоит отметить, что строительство настоящей железнодорожной сети было обусловлено особенностями естественного рельефа (горами, реками и т. д). Эти препятствия скурплезно воссоздали с помощью отдельных источников света разной интенсивности. Дело в том, что плазмодии избегают яркого освещения.
После многочисленных испытаний исследователи пришли к выводу, что плесень «показала характеристики, схожие с характеристиками железнодорожной сети с точки зрения стоимости, транспортной эффективности и отказоустойчивости», — и ей удалось этого добиться путем создания «процесса селективного усиления предпочтительных маршрутов и одновременного удаления избыточных связей».
Используя полученные результаты, команда ученых разработала биологически вдохновленную математическую модель для адаптивного проектирования сети.
«То, на что у людей ушло более 100 лет — сложная система, разрабатываемая инженерами и градостроителями — было воссоздано плесенью чуть более, чем за сутки» — заявила биолог Хизер Барнетт на конференции TED, посвященной этим организмам. «Миксомицеты — аналог биологического компьютера».
Предстоящая работа и проблемы
Несмотря на то, что у этой слизистой плесени множество преимуществ, тот факт, что она постоянно меняется, не позволяет создавать из нее долгоживущие устройства, в итоге вычислительные способности слизистой плесени ограничиваются экспериментальными лабораторными установками.
Однако, по словам Дехшиби, базидиомицеты благодаря своему развитию и поведению более доступны, менее восприимчивы к инфекциям, больше по размеру и более удобны в обращении, чем слизистая плесень. Кроме того, с Pleurotus ostreatus можно легко экспериментировать на открытом воздухе, что открывает возможности для новых применений. Это делает грибы идеальной мишенью для создания живых компьютерных устройств будущего.
Проблемы использования грибов
Исследователь UOC заявил: «На мой взгляд, нам все еще предстоит решить две основные проблемы. Первая состоит в том, чтобы действительно реализовать вычисление [грибковой системы] с определенной целью; другими словами, вычисление, которое имеет смысл. Вторая — охарактеризовать свойства грибных субстратов с помощью логического отображения, чтобы раскрыть истинный вычислительный потенциал сетей мицелия». Другими словами, хотя мы знаем, что у грибов есть потенциал, ученым все еще нужно выяснить, насколько далеко он заходит и как его можно использовать для практических целей.
Однако, возможно, ждать осталось недолго. Первоначальный прототип, разработанный командой ученых, который является частью исследования, упростит будущее проектирование и строительство зданий с уникальными возможностями благодаря грибковым биоматериалам. Этот инновационный подход способствует использованию живого организма в качестве строительного материала, который приспособлен и для вычислений. Когда проект по исследованию грибов в качестве материалов для носимых устройств завершится в декабре 2022 года, в рамках проекта FUNGAR будет построено крупное грибное здание в Дании и Италии, а также его уменьшенная версия на территории кампуса Френчай UWE Bristol.
На сегодняшний день из грибов произведены только небольшие модули — кирпичи и листы. Однако НАСА также заинтересовано в этой идее и ищет способы построить базы на Луне и Марсе, чтобы отправлять неактивные споры на другие планеты.
Что в итоге?
«Жизнь внутри гриба может показаться вам странной, но почему так странно думать, что мы можем жить внутри чего-то живого? Это означало бы очень интересный экологический сдвиг, который позволил бы нам покончить с бетоном, стеклом и деревом. Только представьте себе школы, офисы и больницы, которые постоянно растут и восстанавливаются. Это вершина устойчивой жизни».
По мнению авторов статьи, цель грибковых компьютеров не в замене кремниевых чипов. Грибковые реакции для этого слишком медленны. Скорее, они думают, что люди могут использовать мицелий, растущий в экосистеме, как «крупномасштабный датчик окружающей среды». По их мнению, грибковые сети отслеживают большое количество потоков данных как часть своего повседневного существования. Если бы мы могли подключиться к сетям мицелия и интерпретировать сигналы, которые они используют для обработки информации, мы могли бы узнать больше о том, что происходит в экосистеме.
Анастасия Никифорова
https://hightech.fm/2021/01/19/2021/01/19/fungi-wearables-devices
