Tara: μια οδύσσεια των ωκεανών Understand article

Μετάφραση από: Νέλλη Δέλλιου (Nelli Delliou) - Φοιτήτρια Βιολογίας, ΑΠΘ και Παναγιώτη Κ. Στασινάκη (Panagiotis K. Stasinakis) - Εκπαιδευτικός, Βιολόγος, MEd, PhD, Πανελλήνια Ένωση…

Είναι Οκτώβριος του 2011 και βρίσκομαι σε νυχτερινή βάρδια στην σκούνα Tara, καθώς γλιστρά στα σκοτεινά και φαινομενικά απέραντα νερά του Ειρηνικού Ωκεανού. Το αύριο φαντάζει μακριά, αλλά δυο πράγματα με κρατάνε ξύπνιο: η μυρωδιά του αλατιού που αιωρείται στον αέρα και τα στίγματα φωτός που σπινθηρίζουν στα απόνερα του σκάφους μας. Αυτά τα «αστέρια της θάλασσας» είναι στην πραγματικότητα πλαγκτόν που παράγει βιοφωτισμό- παρασυρόμενοι μικροοργανισμοί με τόσο παράξενη όψη που κάποιοι από αυτούς ενέπνευσαν το σχεδιασμό πλασμάτων στην ταινία Alien του 1979. Όσο μικροσκοπικοί και παράξενοι και αν φαίνονται, οι οργανισμοί του πλαγκτού αντιπροσωπεύουν τα εννέα δέκατα της έμβιας μάζας στους ωκεανούς και σχηματίζουν τη βάση του παγκόσμιου τροφικού δικτύου. Μέσω της φωτοσύνθεσης, παράγουν το μισό από το οξυγόνο που αναπνέουμε, απομακρύνουν τον άνθρακα από την ατμόσφαιρα στα βάθη της θάλασσας και παίζουν ζωτικό ρόλο στον παγκόσμιο κύκλο του αζώτου. 

Την αυγή, το κατάστρωμα είναι γεμάτο με επιστήμονες που χτενίζουν τον άνω ωκεανό αναζητώντας πλαγκτόν με λεπτά δίχτυα, αντλίες νερού και μια ροζέττα, ένα όργανο που παγιδεύει νερό σε διαφορετικά βάθη και μετράει τις ιδιότητές του (κυρίως θερμοκρασία, πίεση και αλατότητα). Πιάνουν όλα τα είδη πλαγκτού, από μικροσκοπικούς ιούς με διάμετρο 0,02 μικρόμετρα, μέχρι ‘μεγάλα’ ζώα της τάξεως των δύο χιλιοστών. Αυτή είναι περίπου η αναλογία του μεγέθους μιας μπάλας του γκολφ σε δέκα πισίνες Ολυμπιακών διαστάσεων! Οι υδροβιολόγοι διοχετεύουν τα δείγματα που πιάνονται στα δίχτυα σε δοκιμαστικούς σωλήνες, τα χαρακτηρίζουν/περιγράφουν και τα παγώνουν για να αποφύγουν τη χημική και ενζυμική αποδόμηση.

Κάτω στο ‘στεγνό εργαστήριο’ (dry lab), μια καμπίνα γεμάτη με μικροσκόπια και οθόνες υπολογιστών, ο εμπειρογνώμονας της απεικόνισης, Jérémie, εναποθέτει μια σταγόνα νερού από το δείγμα κάτω από ένα μικροσκόπιο. Ξαφνικά το σκάφος αντιμετωπίζει κύματα, που μετατρέπουν ολόκληρο το εργαστήριο σε ένα ταλαντευόμενο εκκρεμές. Ψάχνω την άκρη ενός τραπεζιού, οτιδήποτε για να κρατήσω την ισορροπία μου, ενώ ο Jérémie, φαινομενικά αγνοώντας εντελώς την καταστροφή γύρω μας, ταλαντεύεται μαζί με το μικροσκόπιό του. Είναι αιχμαλωτισμένος από αυτό που βλέπει κάτω από τους φακούς – αυτό το μοναδικό σταγονίδιο είναι γεμάτο με απίθανες μορφές ζωής….

Μια έκρηξη δεδομένων

Κατά τη διάρκεια της ωκεάνιας οδύσσειας της Tara (2009-2013), περισσότεροι από δύο τόνοι κατεψυγμένου γενετικού υλικού από πλαγκτόν μεταφέρθηκαν για ανάλυση σε διαφορετικά εργαστήρια ανά τον κόσμο. Στα εργαστήρια, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν χημικά για να σπάσουν και να ανοίξουν τα δείγματα, ώστε να εξάγουν τα μόρια DNA τους. Σάρωσαν τους κλώνους σε ένα εξαιρετικά υψηλό ρυθμό (μια μέθοδος που είναι γνωστή ως shotgun αλληλούχιση) για να παράξουν μια εκπληκτική λίστα 7,2 τρισεκατομμύριων ζευγών νουκλεοτιδίων- τα γνωστά δομικά στοιχεία του DNA (αδενίνη, θυμίνη, γουανίνη και κυτοσίνη) – και έπειτα χρησιμοποίησαν ειδικά γονίδια σαν ραβδοκώδικες (barcodes) για να ταυτοποιήσουν διαφορετικά είδη πλαγκτού, όπως βακτήρια, Αρχαία και ευκαρυώτες. Οι ιοί, ωστόσο, δεν έχουν έναν καθολικό μοριακό δείκτη για να χρησιμοποιηθεί ως ραβδοκώδικας. Αντ’αυτού, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν πρωτεϊνικά σύμπλοκα – ομάδες παρόμοιων γενετικών αλληλουχιών – για να ταυτοποιήσουν διαφορετικούς ιικούς πληθυσμούς.

Ο Eric Karsenti, επιστημονικός διευθυντής του project Tara Oceans, εξηγεί τη σημασία αυτής της ογκώδους απογραφής. «Τα δεδομένα που συλλέξαμε επιτρέπουν στους ερευνητές να κοιτάξουν με πρωτοφανή λεπτομέρεια τους πληθυσμούς, τα περιβάλλοντα και τη δυναμική του υποστηρικτικού συστήματος της ζωής των ωκεανών». Προσθέτει, «Αυτή είναι η πρώτη παγκόσμια περιγραφή ολόκληρου του πλαγκτονικού οικοσυστήματος».

Ειδικοί από διαφορετικούς τομείς ανέλυσαν τα αλληλουχημένα δεδομένα χρησιμοποιώντας προηγμένη απεικόνιση, βιοπληροφορική και τις τελευταίες τεχνολογίες φυσικής μοντελοποίησης – τεχνικές που σπάνια χρησιμοποιούνται μαζί. «Αυτή είναι η ανάδυση μιας νέας μορφής έρευνας στις βιοεπιστήμες», λέει ο Eric. «Πέντε χρόνια πριν, αυτό ήταν επιστημονική φανατασία!» Και μαζί, οι ερευνητικές ομάδες έχουν ξεκινήσει να καταπιάνονται με ερωτήματα που οι ερευνητές του παρελθόντος δεν θα μπορούσαν καν να ονειρευτούν να ασχοληθούν: Τι τύποι πλαγκτού κατοικούν στους ωκεανούς μας; Πώς αλληλεπιδρούνε μεταξύ τους και με το περιβάλλον τους; Πώς θα αντιδράσουν στην κλιματική αλλαγή και πώς αυτό θα επηρεάσει εμάς;

Πίσω στην ξηρά

Τα εργαστήρια του Ευρωπαϊκού Εργαστηρίου Μοριακής Βιολογίας στην Χαϊδελβέργη, στη Γερμανία, ενδεχομένως να φαίνονται ένα απίθανο μέρος για μελέτες των ωκεανών-βρίσκονται σε απόσταση έξι ωρών από την πλησιέστερη ακτογραμμή. Αλλά εδώ ο Shinichi Sunagawa, ένας ερευνητής της υπολογιστικής βιολογίας, βοήθησε να δημιουργηθεί ένας κατάλογος ωκεάνιων μικροβιακών γονιδίων, 40 εκατομμυρίων γονιδίων από το μικροβιακό πλαγκτόν, 80% των οποίων είναι καινούρια στην επιστήμη, υποδηλώνοντας μια τεράστια βιοποικιλότητα άγνωστου πλαγκτού στους ωκεανούς μας. Οι επιστήμονες βρήκαν μια ισχυρή συσχέτιση μεταξύ των ειδών που βρέθηκαν και της θερμοκρασίας του ενδιαιτήματος, αναγνωρίζοντας τη θερμοκρασία του νερού ως τον κύριο περιβαλλοντικό παράγοντα στη διαμόρφωση των ωκεάνιων μικροβιακών κοινοτήτων. Περαιτέρω μελέτες θα καθορίσουν πώς οι αλλαγές στην θερμοκρασία του νερού θα μπορούσαν να επηρεάσουν τα οικοσυστήματα των ωκεανών μας, και συνεπώς, το περιβάλλον του πλανήτη μας.

Τα περισσότερα γονίδια από τον κατάλογο του Shinichi ανήκουν σε ευκαρυώτες – οργανισμοί (όπως εμείς) των οποίων το DNA είναι περιελιγμένο εντός ενός πυρήνα. Αυτή η πολύπλοκη και σταθερή κυτταρική δομή αποτέλεσε ορόσημο στην εξέλιξη, επιτρέποντας τον σχηματισμό πολυκύτταρων όντων, και ως αποτέλεσμα κάποιοι ευκαρυώτες έχουν καταπληκτικές ιδιότητες. Τα διάτομα, για παράδειγμα, είναι μονοκύτταροι οργανισμοί οι οποίοι συνθέτουν ένα προστατευτικό στρώμα από γυαλί σε χαμηλές θερμοκρασίες, κάτι το οποίο εμείς μπορούμε να κάνουμε μόνο χρησιμοποιώντας θερμότητα! Ο Colomban de Vargas, ένας υδροβιολόγος που συμμετείχε τόσο στην αποστολή όσο και στις αναλύσεις, ταυτοποίησε ένα σύνολο 150.000 γενετικών τύπων ευκαρυωτών-εκατό φορές περισσότερη ποικιλότητα από ότι ήταν προηγουμένως γνωστό. Το κλειδί για αυτήν την υπερ-διαφοροποίηση έγκειται στις αλληλεπιδράσεις των ειδών.

Ένα ωκεάνιο κοινωνικό δίκτυο

Στο σκάφος Tara, οι επιστήμονες έδωσαν παρατσούκλια στα δείγματα που ‘συνάντησαν’ κάτω από το μικροσκόπιο: ήταν ο Hubert το πρώτιστο και η Dana το διάτομο. Αργότερα, η Gipsi Lima-Mendez, μία μεταδιδακτορική στο πανεπιστήμιο του Leuven, στο Βέλγιο, αποκάλυψε τις ‘κοινωνικές’ αλληλεπιδράσεις μεταξύ των Hubert, Dana και των φίλων τους βοηθώντας να δημιουργηθεί ένα ωκεάνιο αλληλεπίδρωμα (interactome): μια μορφή πλαγκτονικού Facebook το οποίο μας λέει ποια είδη πλαγκτόν είναι ‘φίλοι’ – πάντα βρίσκονται μαζί –  και ποια όχι. Μετά, χρησιμοποίησε υπολογιστικά μοντέλα για να προβλέψει συγκεκριμένες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ειδών, όπως η συμβιωτική σχέση μεταξύ ενός πλατυέλμινθα και ενός φωτοσυνθετικού μικροφύκους: το μικροφύκος διαβιεί μέσα στον πλατυέλμινθα, ασφαλές από τους θηρευτές, και σε αντάλλαγμα συνθέτει θρεπτικά για να θρέψει τον ξενιστή του. Αυτή η προβλεπόμενη αλληλεπίδραση παρατηρήθηκε αργότερα χρησιμοποιώντας προηγμένη μικροσκοπία από δείγματα της αποστολή της Tara.

Η ωκεάνια αλληλεπίδραση απέχει πολύ από την ‘επιβίωση των καλύτερα προσαρμοσμένων (αρμοστικότητα)’. Σύμφωνα με τον Eric, «το 80% των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των οργανισμών στον ωκεανό είναι θετικές», εννοώντας ότι οι περισσότεροι οργανισμοί βοηθούν ο ένας τον άλλο να ευδοκιμήσουν. «Αυτό αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο βλέπουμε την εξέλιξη. Η συνεργασία επίσης, κάνει την ζωή να εξελιχθεί και να γίνει πιο περίπλοκη στη Γη».  

Ο πιο άφθονος τύπος πλαγκτόν είναι επίσης και ο πιο ασύλληπτος: ιοί-τόσο μικροσκοπικοί που δεν μπορούσαμε να τους δούμε με τα μικροσκόπια στο σκάφος. Δέκα εκατομμυρία από αυτούς μπορούν να στριμωχτούν σε μία μόνο σταγόνα θαλασσινού νερού, και ο αντίκτυπός τους είναι τεράστιος: διαμορφώνουν τους πληθυσμούς που μολύνουν, οδηγούν την εξέλιξη μεταφέροντας γονίδια σε διαφορετικά είδη, και «έχουν παγκόσμιες επιδράσεις στην ανακύκλωση των θρεπτικών, της οργανικής ύλης και των ατμοσφαιρικών αερίων», λέει η Jennifer Brum, μια μεταδιδακτορικός στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, στις ΗΠΑ, που συμμετείχε στην ταυτοποίηση παραπάνω από 5000 ιικών πληθυσμών, 99% των οποίων ήταν καινούριοι. Είναι σαν να ανακαλύπτεις έναν καινούριο υποθαλάσσιο πλανήτη εξωγήινης ζωής! Το επόμενο βήμα είναι να καθοριστεί ποιοι ιοί μολύνουν ποιους οργανισμούς.   

Συλλογικά, αυτές οι μελέτες μας δίνουν ένα σημείο αναφοράς για την παρακολούθηση της υγείας των ωκεανών μας στο μέλλον. Τα 11,5 terabytes δεδομένων από την αποστολή-περισσότερα δεδομένα από την Wikipedia – έχουν αποθηκευτεί στο Ευρωπαϊκό Αρχείο Νουκλεοτιδίων, όπου θα παραμείνουν σε δημόσια/ελεύθερη πρόσβαση, διαθέσιμα στους σημερινούς και μελλοντικούς επιστήμονες. Εξάλλου, οι επιστήμονες εξακολουθούν να δουλεύουν με δείγματα που συνέλεξε ο Κάρολος Δαρβίνος το 1823 κατά τη διάρκεια της αποστολής του με το σκάφος HMS Beagle.  Ποιος ξέρει για πόσο καιρό τα δεδομένα της Tara θα απαντούν σε ερωτήσεις που ακόμα δεν τις έχουμε καν φανταστεί.

Web References

• w1 – Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το EMBL.
• w2 – Το EIROforum είναι μια συνεργασία μεταξύ των οχτώ μεγαλύτερων διακυβερνητικών οργανισμών επιστημονικής έρευνας στην Ευρώπη, που συνδυάζει τους πόρους τους, τις εγκαταστάσεις τους και εξειδικεύεται στην υποστήριξη της Ευρωπαϊκής επιστήμης για την πλήρη επίτευξη των δυνατοτήτων της. Στο πλαίσιο των δραστηριοτήτων εκπαίδευσης και προβολής, το EIROforum δημοσιεύει το Science in School. 

Resources

• Ο μη-κερδοσκοπικός οργανισμός Tara Expeditions διαθέτει την σκούνα Tara και παρέχει πολλές ενδιαφέρουσες και διαθέσιμες πηγές των επιστημονικών του επιτευγμάτων στην ιστοσελίδα του. 
• Ειδικότερα, η παιδαγωγική τους ομάδα έχει επίσης δημιουργήσει προγράμματα και δραστηριότητες για τα σχολεία.
• Διαβάστε όλες τις λεπτομέρειες και τις πιο πρόσφατες εξελίξεις σχετικά με το Tara Oceans project στην ιστοσελίδα του Ευρωπαϊκού Εργαστηρίου Μοριακής Βιολογίας. 

Institutions

Author(s)

Ο Andres Peyrot είναι σκηνοθέτης ντοκιμαντέρ και δημοσιογράφος με καταγωγή από την Ελβετία και τον Παναμά, απόφοιτος του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης Tisch School of the Arts. Έχει συνεργαστεί σε πολυάριθμα τηλεοπτικά ντοκιμαντέρ σχετικά με την τέχνη, την ιστορία, τον πολιτισμό και τις επιστήμες. Το φθινόπωρο του 2011, ξεκίνησε ένα ταξίδι στο Tara από τη Χαβάη στο Σαν Ντιέγκο, μέσω της περιβόητης Μεγάλης Χωματερής του Ειρηνικού Ωκεανού (Great Pacific Garbage Patch). Κατά τη διάρκεια του ταξιδιού, ο Andres ντοκουμένταρε, φωτογράφισε και κινηματογράφησε αυτή την μοναδική αποστολή.

Review

Το πρόγραμμα Tara Oceans συγκέντρωσε πολλούς ερευνητικούς τομείς που μαζί παρήγαγαν τον εντυπωσιακό Γονιδιακό Κατάλογο Ωκεάνιων Μικροβίων, ο οποίος θα χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση της υγείας των ωκεανών μας.

Το άρθρο δίνει τη δυνατότητα να κατανοήσουμε πώς οι επιστήμονες μπορούν να χαρακτηρίσουν πληθυσμούς μικροοργανισμών και πώς οι περιβαλλοντικές συνθήκες διαμορφώνουν τις οικολογικές κοινότητες.

Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μελετηθούν ερωτήματα όπως:

• Ποιος είναι ο οικολογικός ρόλος του πλαγκτού;
• Γιατί τα δείγματα είναι καταψυγμένα;
• Τι είναι ο μοριακός ραβδοκώδικας;
• Ποιος είναι ο κύριος περιβαλλοντικός παράγοντας που επηρεάζει τα ωκεάνια οικοσυστήματα;
• Γιατί το ωκεάνιο Αλληλεπίδρωμα (Interactome) συγκρίνεται με το Facebook;
• Ποια είναι η σημασία των ιών στα ωκεάνια οικοσυστήματα;

Monica Menesini, Liceo Scientifico Vallisneri Lucca, Ιταλία

License

CC-BY-NC-ND

Download

Download this article as a PDF