Nấm

Sự đa dạng

Nấm phân bố trên toàn thế giới và phát triển ở nhiều dạng môi trường sống khác nhau, kể cả sa mạc, nơi tập trung nồng độ muối cao hay có phóng xạ ion hóa, cũng như trầm tích biển sâu. Đa phần nấm sống ở trên cạn, nhưng một số loài sống ở môi trường nước (như Batrachochytrium dendrobatidis - ký sinh và làm suy giảm số lượng động vật lưỡng cư toàn cầu). Nấm thủy sinh còn sống ở vùng nhiệt dịch đại dương. Nấm và vi khuẩn là những sinh vật phân huỷ chính có vai trò quan trọng đối với các hệ sinh thái trên cạn trên toàn thế giới. Dựa theo sự theo tỉ lệ giữa số loài nấm với số loài thực vật ở trong cùng một môi trường, người ta ước tính giới Nấm có khoảng 1,5 triệu loài. Khoảng 100.000 loài nấm đã được các nhà phân loại học phát hiện và miêu tả, tuy nhiên kích cỡ thực sự của tính đa dạng của giới Nấm vẫn còn là điều bí ẩn. Đa phần nấm phát triển dưới dạng các sợi đa bào gọi là sợi nấm, cấu tạo nên thể sợi (hay khuẩn ty), trong khi những loài khác thì lại phát triển dưới dạng đơn bào. Cho đến gần đây, nhiều loại nấm đã được miêu tả dựa trên những đặc điểm hình thái, như kích cỡ và hình dạng các bào tử hay quả thể, hay dựa trên khái niệm loài sinh vật với sự trợ giúp của các công cụ phân tử, như phương pháp Dideoxy, đã gia tăng mạnh cách thức và khả năng ước tính sự đa dạng của nấm trong phạm vi các nhóm phân loại khác nhau.

Sinh thái

Dù không dễ thấy, nhưng nấm lại có mặt ở tất cả các môi trường trên Trái Đất và đóng một vai trò rất quan trọng trong hệ sinh thái. Cùng với vi khuẩn, nấm là sinh vật phân hủy chính ở hầu hết các hệ sinh thái trên cạn (và một số là ở dưới nước), bởi vậy nên chúng cũng có vai trò quan trọng các chu trình sinh địa hóa và ở nhiều lưới thức ăn. Khi sống hoại sinh hay cộng sinh, chúng phân hủy những vật chất hữu cơ thành những phân tử vô cơ, rồi sau đó những chất này sẽ được đồng hóa ở thực vật hay những sinh vật khác .

Cộng sinh

Nấm có mối quan hệ cộng sinh với hầu hết tất cả các giới . Quan hệ của chúng có thể hỗ trợ hoặc đối nghịch nhau, hay với những nấm hội sinh thì không đem lại bất cứ lợi ích hay tác hại rõ ràng nào đối với vật chủ .

Với côn trùng

Nhiều côn trùng có mối quan hệ hỗ trợ với nhiều loại nấm. Vài loại kiến trồng những loài nấm thuộc bộ Nấm mỡ (Agaricales) để làm nguồn thức ăn chính, trong khi đó những loài bọ cánh cứng Ambrosia trồng nhiều loài nấm trong lớp vỏ cây mà chúng cư trú . Loài mối ở xavan châu Phi cũng được biết có khả năng trồng nấm .

Dinh dưỡng và khả năng tự dưỡng

Sự phát triển của nấm dưới dạng sợi nấm ở những môi trường rắn cũng như dưới dạng đơn bào ở môi trường nước, đều được điều chỉnh để hút các chất dinh dưỡng hiệu quả nhất từ môi trường, bởi chúng đều có tỉ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cao. Sự thích nghi hình thái đã được bổ sung bởi những enzym thủy phân trong những môi trường tiêu hóa có phân tử hữu cơ lớn, như polysaccarit, protein, lipit và những chất nền dinh dưỡng khác. Những phân tử này bị thủy phân thành những phân tử nhỏ hơn, sau đó trở thành những chất dinh dưỡng được hấp thụ vào tế bào nấm.
Thông thường nấm được coi là những sinh vật dị dưỡng, tức những cơ thể chỉ có thể lấy cacbon từ những sinh vật khác cho quá trình trao đổi chất. Tuy nhiên, nấm đã tiến hóa khả năng chuyển hoá mà cho phép chúng sử dụng đa dạng những loại chất nền hữu cơ để phát triển, bao gồm các hợp chất đơn giản như nitrat, amoniac, axetat hay êtanol. Những nghiên cứu gần đây cho thấy khả năng rằng nấm đã sử dụng sắc tố melanin để lấy năng lượng từ những phóng xạ ion hóa, như tia gamma, gọi nôm na là "vô tuyến dưỡng". Người ta cho rằng quá trình này có điểm tương đồng với quá trình quang hợp ở thực vật. Tuy nhiên, hiện nay đang thiếu những bằng chứng sinh hóa có giá trị ủng hộ cho giả thuyết này.

Vai trò đối với con người

Nấm đã được con người sử dụng để chế biến và bảo quản thức ăn một cách rộng rãi và lâu dài: nấm men được sử dụng cho quá trình lên men để tạo ra rượu, bia và bánh mì, một số loài nấm khác được sử dụng để sản xuất xì dầu (nước tương) và tempeh. Trồng nấm và hái nấm là những ngành kinh doanh lớn ở nhiều nước. Nhiều loại nấm được sử dụng để sản xuất chất kháng sinh, gồm các kháng sinh β-lactam như penicillin và cephalosporin. Những loại kháng sinh này đều được sử dụng rộng rãi trong việc chữa trị các bệnh do vi khuẩn gây ra như: lao, phong cùi, giang mai và nhiều bệnh khác ở đầu thế kỷ XX, tiếp tục đóng một vai trò quan trọng trong hóa học trị liệu kháng khuẩn. Môn khoa học nghiên cứu về lịch sử ứng dụng và vai trò của nấm được gọi là nấm học dân tộc.

Chế biến thực phẩm

Nấm men bánh mì với loài chính là Saccharomyces cerevisiae, một nấm đơn bào, được sử dụng rộng rãi trong việc làm bánh mì và những sản phấm từ bột mì khác, như pizza hay bánh bao . Trong quá trình lên men rượu dưới điều kiện yếm khí, nấm men sẽ sản sinh ra rượu etanol và khí cacbonic (CO₂) có vai trò làm nở bột mì. Một số loài nấm men của chi Saccharomyces cũng được sử dụng để sản xuất đồ uống có cồn, như bia hay rượu vang thông qua quá trình lên men rượu. Nấm men và vi khuẩn acetic được sử dụng trong quá trình chuẩn bị Kombucha, một loại trà ngọt lên men. Những loại men tìm thấy trong trà rất đa dạng, như Brettanomyces bruxellensis, Candida stellata, Schizosaccharomyces pombe, Torulaspora delbrueckii và Zygosaccharomyces bailii. Ngoài ra, Vegemite và Marmite, những chiết xuất nấm men, đã được sử dụng rộng rãi làm gia vị để chế biến thức ăn trong đời sống.
Một số loài nấm sợi thường được sử dụng để sản xuất sinh khối protein. Mốc Aspergillus oryzae được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước, như sản xuất nước tương (xì dầu), súp miso và rượu sake ở Nhật Bản hay làm tempeh ở Java. Mốc hoa cau được dùng để sản xuất tương, loại thực phẩm phổ biến ở Việt Nam, cũng chính là A. oryzae, tuy nhiên tương sản xuất thủ công lại có độ an toàn không cao, bởi những loại mốc tốt và không độc như A. oryzae và Aspergillus sojae lại rất dễ lẫn lộn với những loại mốc nguy hiểm có độc tố gây ung thư khác là A. flavus và A. parasiticus. Quorn là loại thực phẩm giàu protein được sản xuất từ mốc Fusarium venenatum, và được dùng trong việc chế biến đồ ăn chay. Nhiều loại thực phẩm khác cũng được chế biến bởi mốc như chao (ủ nhờ mốc Actinomucor elegans, Mucor racemosus hay Rhizopus), ang-kak (gạo lên men với mốc đỏ Monascus purpureus), salami (một loại xúc xích, lên men nhờ P. nalgiovense, P. chrysogenum). Trong sản xuất pho mát, một kinh nghiệm thông thường là cấy bào tử nấm vào sữa đông để tạo mốc, việc này sẽ cho ra hương vị và kết cấu đặc biệt độc nhất của pho mát. Ở những loại pho mát xanh, như Stilton hay Roquefort, thì những vân xanh được tạo ra bởi loài nấm Penicillium roqueforti.

Dược liệu và chiết xuất

Nhiều loại nấm ăn đã được sử dụng trong y học truyền thống hàng ngàn năm nay. Những loại nấm như nấm múa, nấm hương (đông cô), nấm chaga, nấm linh chi... đã được tập trung nghiên cứu bởi khả năng chống ung thư, chống virus và tăng cường hệ miễn dịch của chúng. Loài nấm Đông trùng hạ thảo (Cordyceps sinensis) được coi là một dược liệu quý hiếm và đã được sử dụng ở Trung Quốc từ lâu . Loài nấm cổ linh chi (Ganoderma applanatum) cũng từng được coi là một "thần dược" ở Việt Nam, mặc dù không có bằng chứng cụ thể nào về khả năng trị bệnh của nó . Psilocybin và LSD, những chất gây ảo giác được chiết xuất từ nấm, có thể dùng để chữa các bệnh về tâm thần, như chứng rối loạn ám ảnh cưỡng chế (OCD), và cũng được dùng (với lượng nhỏ) để chấp dứt những cơn nhức đầu hàng loạt (cluster headache) hay đau nửa đầu. LSD mạnh gấp 100 lần psilocybin , được tổng hợp vào năm 1938, và là một loại ma túy quen thuộc.
Trong số 12.000 loại kháng sinh được biết năm 1995 có khoảng 22% được sản xuất từ nấm sợi. Trong số đó, kháng sinh Penicillin, được Alexander Fleming tổng hợp từ nấm Penicillium chrysogenum vào năm 1928, được sử dụng rất rộng rãi trong chữa trị y học thế kỷ XX. Chúng có thể chữa được các bệnh vi khuẩn như bạch hầu, viêm phổi, viêm màng não, hôi miệng, giang mai, lậu và kể cả vi khuẩn Staphylococcus gây ra nhiễm trùng huyết . Một loại kháng sinh β-lactam phổ biến khác, Cephalosporin, cũng được tổng hợp năm 1948 từ nấm Cephalosporium acremonium.
Áp dụng công nghệ ADN tái tổ hợp, nhiều gen đã được chuyển vào những loại nấm như nấm men S. cerevisiae, Pichia pastoris, Schizosaccharomyces pombe, Kluyveromyces lactis, Candida albicans, Hansenula polymorpha, Yarrowia lipolytica.. và nấm sợi Aspergillus niger, A. nidulans, A. oryzae, Neurospora crassa, Trichoderma reesei... với mục đích sản xuất công nghiệp. Nhờ khả năng phát triển nhanh, chúng được nuôi trồng và cho ra nhiều loại sản phẩm protein đa dạng giá trị rất lớn trong y học như insulin, vắc-xin viêm gan B, interferon, nhân tố tăng trưởng biểu bì, hemoglobin người, superoxide dismutase, interleukin... Ngoài ra các nấm chuyển gen cùng với các vi khuẩn còn những nguồn chính cho các enzym sử dụng trong công nghệ thực phẩm.
Việc nuôi cấy nấm men trong sản xuất công nghiệp ngoài những sản phẩm có được do chuyển gen, còn có rất nhiều sản phẩm khác sử dụng trong thực phẩm, dinh dưỡng và y tế như cồn, các axít hữu cơ (axít citric, axetic, lactic, malic, gluconic, fumaric, itaconic..), vitamin (β-carotene, riboflavin, axít béo thiết yếu), enzym (protease, amylase, glucoamylase, men dịch vị..), pullulan, các este, polysaccarít, lipid, glycolipid, các hoạt chất thứ cấp như kháng sinh, chất ức chế miễn dịch (Ciclosporin A từ Tolypocladium inflatum), chất làm giảm cholestrol (lovastatin, pravastatin), chất chống ung thư (Taxol), chất màu... và nhiều chất hóa học khác. Thậm chí những cellulase và xylanase mà nấm tiết ra còn được sử dụng trong sản xuất quần jeans stone-washed cũng như trong công nghiệp sản xuất giấy và bột giấy. Ngành công nghiệp nuôi cấy nấm đã trở thành một bộ phận quan trọng trong nền công nghiệp toàn cầu.

Phục hồi sinh học

Thuật ngữ phục hồi sinh học bằng nấm (mycorestoration) đã được nhà nấm học Paul Stamets sử dụng trong cuốn sách Mycelium Running: How Mushrooms Can Help Save the World (Ten Speed Press, 2005) , trong đó ông nêu 4 dạng: lọc sinh học bằng nấm (mycofiltration), lâm nghiệp bằng nấm (mycoforestry), cải tạo sinh học bằng nấm (mycoremediation) và thuốc trừ sâu bằng nấm (mycopesticide). Về nấm được dùng làm thuốc trừ sâu sinh học, có thể xem ở điều khiển sinh học bằng nấm.
Cải tạo sinh học được hiểu là sử dụng các vi sinh vật, nấm hay cây xanh để đưa môi trường tự nhiên bị ô nhiễm trở về trạng thái ban đầu. Nấm tiết ra bên ngoài các enzym và axít có khả năng phân giải lignin và cellulose, hai thành phần chính của gỗ, và có cấu trúc tương tự với nhiều chất ô nhiễm hữu cơ. Một số loại nấm, đặc biệt là nấm mục trắng (Phanerochaete chrysosporium), có thể phân giải các chất độc hại cho môi trường như thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, pentachlorophenol, creosote, nhựa than đá và những nhiên liệu nặng thành CO₂, nước và những nguyên tố cơ bản . Chúng có thể phân giải hay loại trừ các nguyên tố độc hại như chì, asen, xêzi, cadmi, thủy ngân, những vũ khí và chất độc hóa học như thuốc nổ TNT, chất độc thần kinh VX và sarin. Những nghiên cứu gần đây cho thấy nấm có khả năng bao bọc urani vào trong những dạng khoáng.

Điều khiển sinh học

Nấm rất tích cực trong cạnh tranh về dinh dưỡng và không gian với những sinh vật khác, thông qua định luật Gause (nguyên tắc ức chế cạnh tranh), và điều này đôi khi có lợi cho con người. Ví dụ, nấm có thể ngăn chặn sự tăng trưởng hay loại trừ kẻ thù nguy hiểm của thực vật và con người, như kiến đục gỗ, mối, châu chấu, muỗi, ve bét , cỏ dại, giun tròn hay nấm khác mà có thể gây hại cho mùa màng và nhà cửa . Khả năng điều khiển sinh học các loài gây hại cho nông nghiệp của nấm đã được quan tâm và ứng dụng thực tế. Loài nấm ký sinh côn trùng đã được sử dụng làm thuốc trừ sâu sinh học vì khả năng ký sinh và tiêu diệt côn trùng của chúng . Một số ví dụ về những nấm loại này là Beauveria bassiana, Metarhizium anisopliae, chi Hirsutella, chi Paecilomyces và Verticillium lecanii. Có ít nhất 14 loại nấm có khả năng chống rệp . Loài nấm thuộc chi Trichoderma cũng có khả năng ngăn chặn những loài nấm gây bệnh cho cây .
Những loài nấm sống trong cây thuộc chi Neotyphodium như N. coenophialum tiết ra các ancaloit có độc tính với các loài động vật ăn thực vật có xương sống hay không xương sống, mặc dù một số chất có thể độc với những loài gia súc như cừu . Đặc tính của các loại nấm này đã được sử dụng trong các chương trình gây giống cây, nhằm tăng khả năng chống chịu và phòng ngự của cây trồng với các loài ăn thực vật.

Kẻ phá hoại

Mặc dù có rất nhiều lợi ích, nhưng nấm cũng có không ít tác hại. Ngoài mầm bệnh và chất độc, nấm còn có thể là những kẻ phá hoại ghê gớm. Dưới điều kiện độ ẩm thích hợp, nấm mốc sẽ phát triển và sinh sôi trong các căn nhà. Chúng tiết ra các enzym và acid để phân huỷ các chất hữu cơ, do đó nên chúng có thể phá hoại áo quần, tranh vẽ, phim ảnh, đồ da, sáp, chất cách điện trên dây điện hoặc dây cáp, các chất phủ máy ảnh, máy quay phim và cả chất khởi động máy bay. Chúng là nguyên nhân phổ biến gây thối rữa thức ăn dự trữ, tạo ra những sản phẩm độc hại cho con người và làm suy giảm chất lượng không khí trong nhà. Người ta ước tính có khoảng 40% gia đình ở Mỹ có vấn đề với nấm mốc.
Bởi tính năng phân giải cellulose và lignin, nên nhiều loại nấm có thể phá huỷ hay làm mục gỗ ở nhà cửa và công trình xây dựng, gây thiệt hại lớn về kinh tế hàng năm. Có ba dạng nấm làm mục gỗ chính: mục khô (dry rot), mục ẩm (wet rot) và mục mềm (soft rot) dựa theo đặc điểm của gỗ bị mục. Ngoài ra còn có mục nâu (brown rot) - chuyên tấn công và phá hủy các loại quả hạch, như đào, lê, táo, mận - và mục trắng (white rot), dựa theo màu sắc gỗ mục. Những loài nấm phá huỷ gỗ phổ biến nhất là Serpula lacrymans, Coniophora putana, chi Antrodia, Phellinus Contiguous, chi Asterostroma... Để nhằm ngăn chặn quá trình này, một trong số các phương pháp là sử dụng điều khiển sinh học như dùng thông Pinus radiata hay kể cả loại nấm như Phlebiopsis gigantea.

Nguồn gốc và phân loại

Trong một thời gian dài, các nhà phân loại học đã xếp nấm là thành viên của giới Thực vật. Sự phân loại này chủ yếu được dựa trên sự tương đồng trong cách sống giữa nấm và thực vật: cả nấm và thực vật chủ yếu đều không di động, hình thái và môi trường sống có nhiều điểm giống nhau (nhiều loài phát triển trên đất, một số loại nấm quả thể giống thực vật như rêu). Thêm nữa, cả hai đều có thành tế bào, điều mà giới Động vật không có. Tuy nhiên, hiện nay nấm lại được công nhận là một giới riêng biệt, khác biệt hẳn với thực vật hay động vật, chúng đã tách ra và xuất hiện xấp xỉ hơn một tỷ năm trước. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra những sự giống và khác về đặc điểm hình thái, sinh hóa và di truyền giữa Nấm và các giới khác. Vì những lý do đó, nấm đã được đặt vào giới riêng của mình.

Mối quan hệ với những sinh vật giống nấm khác

Bởi vì có những sự tương đồng giữa hình thái và vòng đời, nên nấm nhầy (myxomycetes) và mốc nước (oomycetes) trước đây đã được đặt vào giới Nấm. Tuy nhiên, không giống nấm thật (Eumycota), thành tế bào của những sinh vật này có chứa cellulose và thiếu kitin. Nấm nhầy cũng là Unikont giống như nấm, nhưng lại thuộc giới Amoebozoa. Mốc nước là những Bikont lưỡng bội thuộc giới Chromalveolate. Cả mốc nước và nấm nhầy đều không có quan hệ gần gũi với nấm thật và vì thế những nhà phân loại học hiện nay đã không xếp chúng vào giới Nấm. Dù vậy, ngành học nghiên cứu về myxomycete và oomycete vẫn thường được xếp nào nấm học trong những sách giáo khoa và tài liệu nghiên cứu sơ cấp.
Trước đây đã có giả thuyết cho rằng Nucleariid có thể là nhánh chị em với mốc nước, và vì thế cho rằng có thể thuộc giới Nấm. Tuy nhiên, hiện tại thì Nucleariid vẫn đang nằm trong giới Choanozoa.