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为解决太空旅行中种子受辐射影响活力和发芽率的问题，印度研究人员开展纳米黑色素对种子辐射防护研究。结果显示黑色素能有效保护种子，该研究对太空农业及极端环境农业意义重大，值得科研读者一读。
在浩瀚宇宙中开启星际旅行，是人类长久以来的梦想。然而，太空环境却充满了重重挑战，其中高能量的电离辐射，就像隐藏在黑暗中的 “宇宙杀手”，严重威胁着生命的存在。这种辐射包括极端紫外线、X 射线和伽马射线等，当活细胞暴露在其 “攻击范围” 内时，就会引发一系列 “灾难”：产生具有强氧化性的活性氧物种、羟基自由基，还会使水发生电离，最终对细胞内的 DNA、脂质、蛋白质以及众多代谢产物造成氧化损伤 。
对于太空旅行中的 “生命保障系统” 而言，种子的保护至关重要。毕竟在漫长的太空之旅中，宇航员的食物供给很大程度上依赖种子的发芽和生长。可太空辐射、紫外线、真空以及剧烈的温度变化等恶劣条件，就像一道道 “关卡”，会让种子的 DNA 或细胞受损，导致其活力下降甚至失去发芽能力。比如火星表面，相比地球，它暴露在更强的 UVC 辐射（波长小于 280nm）和更高剂量的 UVB 辐射（波长 280 - 315nm）之下，这对种子的生存是极大的考验。所以，找到一种有效的方法保护种子，确保它们在太空环境中的活力和发芽率，成为了太空探索亟待解决的问题。
为了解决这一难题，研究人员把目光投向了黑色素（一种广泛存在于许多生物体中的深色天然色素，由动物体内酪氨酸或低等生物体内酚类化合物氧化聚合而成 ）。在切尔诺贝利核反应堆的废墟中，一种黑色真菌在高强度的伽马辐射背景下顽强生长，这一奇特现象引起了科学家们的浓厚兴趣，他们开始深入研究黑色素在抵御电离辐射方面的作用。研究发现，像新型隐球菌（Cryptococcus neoformans）和荚膜组织胞浆菌（Histoplasma capsulatum）这些人类致病真菌，其黑色素化的细胞在面对 0 - 0.22kGy 剂量范围的外部伽马辐射时，比没有黑色素的细胞表现出更强的抗性。要知道，0.005kGy 的辐射剂量对人类来说可是致命的，这更凸显了黑色素的神奇之处。
但问题来了，大多数来源的黑色素，包括真菌产生的黑色素，都不溶于水，这就像给研究人员戴上了 “枷锁”，限制了对其抗伽马辐射功效的实验测试。虽然有一些合成的和微生物产生的可溶性黑色素被报道，但它们能否大规模生产用于实际应用还存在疑问。就在这时，来自印度的研究人员发现了一种名为粘头霉（Gliocephalotrichum sp. MTCC 5489）的真菌，它能大量产生胞外溶解态的黑色素。基于此，研究人员在《Scientific Reports》期刊上发表了题为 “Nanomelanin from Gliocephalotrichum sp. MTCC 5489 protects seeds from gamma radiation” 的论文，试图探究用这种真菌产生的黑色素制备的涂料，能否保护植物种子免受伽马辐射的伤害。经过一系列研究，他们得出结论：黑色素涂料能有效保护多种植物种子免受伽马辐射，提高种子的发芽率和存活率。这一发现对于太空农业以及在极端环境下的农业发展有着重要意义，为未来太空探索中的食物保障提供了新的可能。
研究人员在开展这项研究时，运用了几个关键的技术方法。首先，他们通过离心、过滤、酸化等一系列操作，从粘头霉（Gliocephalotrichum sp. MTCC 5489）发酵液中提取并纯化黑色素，然后利用动态光散射（DLS）技术测量黑色素颗粒的大小和 zeta 电位。接着，将不同浓度的黑色素与织物涂料混合，涂抹在培养皿上，放入水稻（Oryza sativa）、芥菜（Brassica nigra）、绿豆（Vigna radiata）和黑吉豆（Vigna aconitifolia）的种子，分别用 Cs - 137 和 Co - 60 辐射源对种子进行不同剂量的辐射处理。辐射处理后，把种子放在湿润的滤纸上，在适宜的环境中培养，计算种子的发芽指数（GI，是衡量种子发芽速度的指标，着重考量第一天的发芽情况，之后天数的考量比例逐渐降低 ）和发芽率，以此来评估黑色素对种子的保护效果。最后，运用双向方差分析（two - way ANOVA）对实验数据进行统计分析，判断不同辐射剂量和黑色素浓度对种子发芽指标的影响是否显著。
下面来看看具体的研究结果：
- 黑色素的特性：研究人员发现，从粘头霉中提取的黑色素颗粒直径在 7 - 15nm 之间，D50 为 7.4nm，D90 为 10.3nm，平均 zeta 电位为 - 23.2mV，这表明黑色素颗粒在溶液中具有一定的稳定性。
- Cs - 137 辐射对种子的影响及黑色素的保护作用：Cs - 137 辐射对水稻种子的发芽指数影响显著。未受辐射的水稻种子发芽指数为 187，而在没有黑色素保护的情况下，受到 2kGy 辐射的种子发芽指数骤降至 35。随着培养皿上黑色素涂层量的增加，种子的发芽指数显著提高，例如涂有 9mg/cm2 黑色素的培养皿中的种子，发芽指数达到 117。同时，辐射剂量的增加也严重影响了水稻种子的最终发芽率，未辐射的种子发芽率为 100%，而受 2kGy 辐射的种子发芽率仅为 28%，黑色素同样能提高其发芽率，在 2kGy 辐射下，涂有 3mg/cm2 黑色素的培养皿中的种子发芽率可达 53%，涂有 9mg/cm2 黑色素的种子发芽率为 67%。相比之下，Cs - 137 辐射对芥菜和绿豆种子发芽指数的影响较小，且几乎不影响它们的最终发芽率，但黑色素依然能显著保护芥菜和绿豆种子的发芽指数。
- Co - 60 辐射对种子的影响及黑色素的保护作用：Co - 60 辐射对绿豆、芥菜和黑吉豆种子的发芽指数影响较大。以绿豆种子为例，未辐射时发芽指数为 385，受到 0.1kGy 辐射后降至 196，0.5kGy 辐射时更是低至 88。黑色素对这些种子的发芽指数有明显的保护作用，在 0.1kGy 辐射下，55.7mg/cm2 浓度的黑色素能使绿豆种子发芽指数达到 376；在 0.5kGy 辐射下，该浓度的黑色素能使发芽指数提升至 238。在种子存活率方面，0.1kGy 的 Co - 60 辐射对大部分种子存活率影响不大，但 0.5kGy 辐射会使绿豆、芥菜和黑吉豆种子的存活率大幅下降，分别降至 58%、67% 和 53%。而黑色素能有效保护种子的存活率，在 55.7mg/cm2 黑色素的保护下，绿豆、芥菜和黑吉豆种子的发芽率分别可达 90%、96% 和 95% 。
综合上述研究结果，研究人员在讨论部分指出，种子的生存和发芽能力对于太空旅行至关重要，而伽马辐射会以不同方式影响种子，不同植物种子对辐射的敏感程度存在差异。水稻种子对辐射最为敏感，芥菜和绿豆种子对 Cs - 137 辐射有较强抗性，对 0.1kGy 的 Co - 60 辐射也有一定抗性。这种抗性差异可能与种子的化学组成和结构有关，比如芥菜种子中可能含有较多的非氮黑色素和木质素，绿豆种子富含酚类和黄酮类化合物。
黑色素在保护种子免受辐射伤害方面表现出色，它不仅能提高受辐射种子的发芽指数，还能提升种子的存活率。而且，黑色素作为一种纳米颗粒，可能通过阻挡辐射来保护种子，就像给种子穿上了一层 “纳米防护衣”。在实际应用中，可以将种子储存在涂有含黑色素涂料的容器中，用于长途太空旅行或在月球永久基地储存种子，以确保种子的活力。
这项研究为太空农业和极端环境农业的发展带来了新的希望。它表明，纳米黑色素可以成功地融入涂料中，为植物种子提供有效的辐射防护。未来，研究人员还计划进一步探索黑色素保护植物的具体机制，包括生理机制（如抗氧化酶系统和酚类物质的作用）、遗传机制（如对 DNA 双链断裂的影响）以及辐射引起的植物表型和解剖结构变化。同时，他们还打算在加拿大温哥华的 TRIUMF 辐照设施中，用类似太空辐射的中子和质子照射种子，进一步研究含黑色素材料对种子的辐射防护效果。相信随着研究的不断深入，黑色素在保护太空生命方面将发挥更大的作用，为人类探索宇宙的征程提供更坚实的保障。
