Resistenza agli stress e sopravvivenza in ambiente spaziale di funghi criptoendolitici antartici

Abstract

Nelle McMurdo Dry Valleys, deserto dell’Antartide continentale libero dai ghiacci, coesistono condizioni ambientali particolarmente stressanti spesso paragonate a quelle esistenti su Marte ai primordi del pianeta. In tali condizioni, funghi e alghe lichenizzati, funghi neri meristematici, batteri, cianobatteri e alghe non lichenizzate sono tuttavia in grado di sopravvivere all’interno delle porosità della roccia, formando comunità criptoendolitiche “dominate dal lichene”. Tre isolati di funghi neri meristematici del genere Cryomyces, due di C. antarcticus ed uno di C. minteri, che colonizzano tali comunità, sottoposti a test specifici, hanno dimostrato un’elevata resistenza a vari fattori di stress, quali la radiazione ultravioletta, l’elevata concentrazione salina ed il disseccamento, crescendo in maniera significativa sottoposti a 10h di irraggiamento UV-B (108 KJm-2), a concentrazioni dal 3,5 al 24% di NaCl, nonché sottoposti a 7 ripetuti cicli di congelamento e scongelamento a 5 differenti temperature (da 0 a -25°C). Tale resistenza è dovuta tra l’altro alle spesse pareti melanizzate delle loro cellule isodiametriche e alla presenza, all’esterno delle ife, di sostanze polimeriche extracellulari. Per questo motivo i funghi neri meristematici ritrovati in Antartide costituiscono un modello di studio unico per saggiare i limiti ai quali la vita sulla Terra può essere ancora possibile, suggerendone l’utilizzo, insieme alle comunità criptoendolitiche dominate dai licheni, come modello di studio in esobiologia. Gli Experiment Verification Tests (EVTs) svolti presso il German Aerospace Center (DLR) di Colonia (DE), riguardanti l’applicazione di condizioni spaziali e marziane simulate sui tre isolati fungini e su frammenti di roccia antartica colonizzata, hanno dimostrato una formidabile resistenza dopo essiccamento di questi modelli sperimentali al vuoto, all’atmosfera marziana simulata e alle radiazioni; essi, infatti, hanno mostrato di sopravvivere sia a prove di simulazione spaziale di vuoto (10-5 Pa per 1h e 1 settimana), ripetuti cicli di temperatura (da - 20 °C a +20 °C per due settimane), UV-C (254 nm a 10 Jm-2, 100 Jm-2 e 1000 Jm-2) e l’intero spettro UV (200-400 nm, a 1,5, 1,5×103 e 1,5×105 kJm-2), sia a condizioni ambientali di Marte (600 Pa CO2) nonché a una combinazione di questi. Le prove effettuate hanno permesso di identificare i campioni più idonei da sottoporre all’esperimento LIFE (LIchens and Fungi Experiment) nello spazio ed effettuare delle prime ipotesi sulla loro capacità di resistere a condizioni extraterrestri. Il programma LIFE, che nasce da una collaborazione tra Italia, Germania, Spagna, nell’ambito di Expose-EuTEF dell’ESA, si propone di saggiare la resistenza a lungo termine in ambiente spaziale di organismi criptoendolitici antartici e di licheni epilitici, esponendoli per un periodo di circa 1,5 anni sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS) a condizioni spaziali esterne e ambientali di Marte.

In the McMurdo Dry Valleys, ice-free desert of continental Antarctica, stressful environmental conditions coexist, often compared to those found on early Mars. In such conditions, lichenized fungi and algae, black meristematic fungi, bacteria, cyanobacteria and non lichenized algae are able to survive in the airspaces of porous rocks, forming the “lichen-dominated cryptoendolithic community”. Three strains of black meristematic fungi of the genus Cryomyces, two of C. antarcticus and one of C. minteri, that colonize such communities, were subjected to specific tests. They demonstrated an elevated resistance to several stress factors, such as ultraviolet radiation, high salt concentration and desiccation, growing significantly when exposed to 10h of UV-B irradiation (108 kJm-2), concentrations of 3.5 to 24% of NaCl, as well as 7 repeated cycles of freezing and thawing at 5 different temperatures (from 0 to -25°C). Such resistance is due, among other things, to the thick melanized walls of their isodiametric cells and to the presence of extra-cellular polymeric substances surrounding the hyphae. For this reason black meristematic fungi found in Antarctica constitute a unique model for testing the limits to which life on Earth can still be possible, thus suggesting their use, along with lichen-dominated cryptoendolithic communities, as a study model in exobiology. The Experiment Verification Tests (EVTs) carried out at the German Aerospace Center (DLR) of Cologne (DE), regarding the application of space and simulated Mars conditions on the three fungal strains and colonized Antarctic rock fragments, have demonstrated a formidable resistance after desiccation of these experimental models to space vacuum, radiations, and simulated Mars atmosphere; they, in fact, have shown to survive either to space simulation tests like vacuum (10-5 Pa for 1h and 1 week), repeated freezing and thawing cycles (from -20 °C to +20 °C for two weeks), UV-C (254 nm to 10 Jm-2, 100 Jm-2 and 1000 Jm-2) and total UV (200-400 nm, at 1,5, 1,5×103 and 1,5×105 kJm-2), to Martian environmental conditions (600 Pa CO2), and also to a combination of these. The tests carried out have allowed to identify the more suitable samples to be used in the LIFE experiment (LIchens and Fungi Experiment) in space, and to formulate the first hypotheses on their ability to resist to extraterrestrial conditions. The LIFE program, born from a collaboration between Italy, Germany, and Spain (within Expose-EuTEF of the ESA) proposes to assess the long term resistance of Antarctic cryptoendolithic organisms and epilithic lichens, by exposing them for a period of approximately 1.5 years on the International Space Station (ISS) to Martian external space and environmental conditions.