Tara: okeanska odiseja Understand article

Prevela Nina Portolan (Biološki fakultet Univerziteta u Beogradu). Posle četiri godine putovanja oko sveta, brod Tara se vratio, sa ogromnom količinom naučnih rezultata.

Sada je oktobar 2011. i ja radim noćnu smenu na brodu Tara dok on plovi kroz tamne i naizgled beskonačne vode Pacifičkog okeana. Sutra izgleda daleko, ali dve stvari me drže budnim: miris soli u vazduhu i tačkice svetlosti koje svetlucaju za našim brodom. Ove “zvezde mora” su u stvari bioluminescentni plankton – plutajući mikroorganizmi koji izgledaju toliko čudno da su neki od njih bili inspiracija za stvorenja u filmu Alien iz 1979. Pa opet, ma koliko sićušni i čudni bili, plankton čini devet desetina mase živog sveta u okeanima i gradi osnovu globalne mreže ishrane. Preko fotosinteze, oni generišu polovinu kiseonika koji udišemo, odvlače ugljenik iz atmosfere u morske dubine i imaju ključnu ulogu u globalnom ciklusu kruženja azota.

U zoru, paluba vrvi od naučnika koji prečešljavaju gornje slojeve vode u potrazi za planktonom, pomoću tankih mreža, pumpi za vodu i “rozete”, instrumenta koji uzima vodu na različitim dubinama i meri njena svojstva (uglavnom temperaturu, pritisak i salinitet). Oni hvataju najrazličitije vrste planktona, od majušnih virusa prečnika 0.02 mikrometara, do životinja “velikih” čak dva milimetra. Ovo je odnos veličina otprilike kao loptica za golf prema deset olimpijskih bazena! Pomorski biolozi prebacuju primerke koje su uhvatili mrežama, u epruvete, obeležavaju ih i zamrzavaju da bi izbegli hemijsku i  enzimsku degradaciju.

Dole u “suvoj laboratoriji”, kabini punoj mikroskopa i komjuterskih ekrana, ekspert za imidžing, Jérémie, postavlja kap uzorkovane vode pod mikroskop. Iznenada, brod je uhvaćen u talase koji celu laboratoriju pretvaraju u klatno koje se njiše. Tražim ivicu stola, bilo šta, da održim ravnotežu, dok se Jérémie, naizgled nesvestan potpunog haosa oko nas, njiše zajedno sa svojim mikroskopom. Očaran je onim što vidi ispod stakla – ova jedna jedina kapljica vrvi od neverovatnih životnih formi….

Eksplozija podataka

Tokom Tarine  okeanske odiseje (2009-2013), više od dve tone zaleđenog genetičkog materijala iz planktona poslato je širom sveta u različite laboratorije na analizu. U ovim laboratorijama, istraživači su koristili hemikalije da razore uzorke i izvuku njihove DNK molekule. Skenirali su lance veoma velikom brzinom (metodom poznatom kao “shotgun” sekvenciranje) da generišu neverovatnu listu od 7.2 triliona parova nukleotida – poznatih gradivnih blokova DNK (adenin, timin, guanin i citozin) – a potom su upotrebili specifične gene kao barkodove za identifikaciju različitih vrsta planktona, kao što su bakterije, arheje i eukarioti. Međutim, virusi nemaju univerzalni molekularni marker koji može da se upotrebi kao barkod. Umesto toga, istraživači su koristili klastere proteina – grupe sličnih sekvenci gena – da identifikuju različite virusne populacije.

Eric Karsenti, rukovodilac projekta Tara Oceans, objašnjava značaj ovog ogromnog popisa. “Podaci koje smo prikupili omogućavaju istraživačima da izuzetno detaljno posmatraju populacije, okruženje i dinamiku ključnog sistema za održavanje života okeana.” Dodaje, “Ovo je prvi globalni opis ekosistema planktona u celosti”.

Eksperti iz različitih oblasti analizirali su sekvencirane podatke koristeći napredne imidžing metode, bioinformatiku, i najnovije tehnologije fizičkog modelovanja – tehnika koje se retko koriste zajedno. “Ovo je rađanje nove vrste istraživanja u biloškim naukama” kaže Eric. “Pre pet godina, ovo je bila naučna fantastika!” I zajedno, timovi istraživača počeli su da se bave pitanjima na koja istraživači iz prošlosti nisu mogli ni da zamisle da odgovore: Koje vrste planktona nastanjuju naše okeane? Kako stupaju u međusobne interakcije i interakcije sa okolinom? Kako će reagovati na klimatske promene i kako će to uticati na nas?

Nazad na kopno

Laboratorije Evropske Laboratorije za Molekularnu Biologiju u Hajdelbergu, Nemačka (European Molecular Biology Laboratory) možda izgledaju kao neobično mesto za proučavanje okeana – nalaze se na šest sati vožnje od najbliže obale. Ali, upravo ovde je Shinichi Sunagawa, istraživač u oblasti kompjuterske biologije, pomogao da se napravi katalog gena okeanskih mikoba koji se sastoji od 40 miliona gena, 80% kojih je novo za nauku, što ukazuje na ogroman biodiverzitet nepoznatog planktona u našim okeanima. Naučnici su pronašli snažnu korelaciju između pronađenih vrsta i temperature staništa, što znači da je voda glavni faktor sredine koji oblikuje životne zajednice mikroba u okeanu. Dalje studije će utvrditi kako bi promene temperature vode mogle da utiču na ekosisteme naših okeana, i posledično na životnu sredinu na našoj planeti.

Većina gena u Shinichi-jevom katalogu pripadaju eukariotama – organizmima (poput nas) čija je DNK sadržana u nukleusu. Ova kompleksna i stabilna ćelijska struktura je bila prekretnica u evoluciji koja je omogućila da se formiraju višećelijski organizmi, i neki eukarioti imaju neverovatne sposobnost zahvaljujući tome. Dijatomeje, na primer, su jednoćelijski organizmi koji sintetišu zaštitni sloj stakla na niskim temperaturama, a to je nešto što mi možemo samo uz pomoć toplote! Colomban de Vargas, pomorski biolog koji je ućestvovao i u ekspediciji i u analizama, identifikovao je ukupno 150 000 genetičkih tipova eukariota – stotinu puta više nego što je prethodno bilo poznato. Ključ za ovu hiperdiverzifikaciju leži u interakcijama vrsta.

Okeanska društvena mreža

Na Tari, naučnici su dali nadimke primercima koje su “upoznali” kroz mikroskop: bio je tu protist Hubert i dijatomeja Dana. Kasnije, Gipsi Lima-Mendez, student postdoktorskih studija na Univerzitetu Leuven u Belgiji (University of Leuven, Belgium), je otkrila “društvene”interakcije između Huberta, Dane i njihovih prijatelja kada je pomogla da se napravi okeanski interaktom: neka vrsta planktonskog Facebook-a koja nam govori koje vrste planktona su “prijatelji” – uvek se nalaze zajedno – i koje nisu. Zatim, iskoristila je kompjuterski generisane modele da predvidi specifične interakcije između vrsta, kao što su simbiontski odnosi između pljosnatog crva i fotosintetičkih mikroalgi: mikroalge žive u crvu, bezbedne od predatora, i u zamenu sintetišu nutrijente za ishranu domaćina. Ova predviđena interakcija je kasnije uočena uz pomoć napredne mikroskopije u uzorcima sa Tara ekspedicije.

Okeanske interakcije su daleko od “opstanka najjačih”. Prema Eric-u, “80% interakcija između organizama u okeanu su pozitivne,” što znači da većina organizama pomažu jedni drugima da opstanu. “Ovo menja način na koji sagledavamo evoluciju. Saradnja takođe čini da život na Zemlji evoluira i postaje kompleksniji.

Najbrojniji tip planktona  je takođe i najtajanstveniji: virusi – toliko mali da nismo mogli da ih vidimo pomoću mikroskopa na plovilu. Dest miliona njih mogu da stanu u samo jednu kap morske vode i njihov uticaj je ogroman: oblikuju populacije koje inficiraju, vode evoluciju transferom gena različitim vrstama i “imaju globalni uticaj na kruženje nutrijenata, organske materije i atmosferskih gasova” kaže Jennifer Brum, studentkinja na postdoktorskim studijama na Univerzitetu u Arizoni, SAD (University of Arizona, USA), koja je učestvovala u identifikaciji više od 5000 populacija virusa, od kojih su 99% bile nove. To je poput otkrivanja nove podvodne planete pune vanzemaljskog života! Sledeći korak je okrivanje koji virusi mogu da inficiraju koje organizme.

Kolektivno, ove studije nam daju referentnu vrednost prema kojoj treba da posmatramo stanje/zdravlje naših okeana u budućnosti. Čak 11.5 terabajta podataka sa ekspedicije – više od Vikipedije – skladišteno je u Evropsku Nukleotidnu Arhivu (European Nucleotide Archive), gde će ostati dostupni za javnost, na raspolaganju sadašnjim i budućim naučnicima. Na karaju krajeva, naučnici još uvek rade sa uzorcima koje je Charles Darwin prikupio 1823. na svojoj ekspediciji sa brodom HMS Beagle. Ko zna koliko dugo će podaci sa Tare odgovarati na pitanja koja još uvek ne možemo čak ni da zamislimo.
 

Web References

• w1 – Da naučite više o EMBL.
• w2 – EIROforum predstavlja saradnju između osam od najvećih Evropskih međuvladinih/međunarodnih istraživačkih organizacija, koje udružuju i kombinuju svoje resurse, infrastrukturu i znanje da podrže nauku u Evropi da dosegne svoj pun potencijal. Kao deo svojih edukativnih i terenskih aktivnosti, EIROforum objavljuje Science in School.

Resources

• Neprofitna organizacija Tara Expeditions poseduje brod Tara i nudi mnoštvo zanimljivih i pristupačnih izvora o njegovim naučnim postignućima na svom veb-sajtu.
• Preciznije, njihov pedagoški tim je takođe pripremio projekte i aktivnosti za škole.
• Pročitajte sve detalje o najnovijem razvoju projekta Tara Oceans na veb-sajtu Evropske Laboratorije za Molekularnu Biologiju (EMBL).

Institutions

Author(s)

Andres Peyrot je Švedsko-Panamski režiser dokumentarnog filma i novinar, i diplomac na New York University’s Tisch School of the Arts. Bio je saradnik na brojnim dokumentarnim filmovima o umetnosti, istoriji, kulturi i nauci. U jesen 2011. otisnuo se na putovanje na  brodu Tara od Havaja do San Dijega, kroz ozloglašeno “ostrvo smeća” u Pacifiku (Great Pacific Garbage Patch). Tokom putovanja, Andres je je dokumentovao, fotografisao i snimao ovu jedinstvenu ekspediciju.

Review

Projekat Tara Oceans ujedinio je mnoge naučne oblasti i zajedno su stvorili impresivni Katalog Gena Okeanskih Mikroba (Ocean Microbial Gene Catalogue), koji će biti korišćen u praćenju zdravlja naših okeana.

Članak pruža mogućnost za razumevanje načina na koji naučnici mogu da okarakterišu populacije mikroorganizama i  kako uslovi sredine oblikuju ekološke zajednice.

Može da se koristi za učenje kroz pitanja poput:

• Koja je ekološka uloga planktona?
• Zašto se uzorci zamrzavaju?
• Šta je barkodovanje DNK?
• Koji je glavnni faktor sredine koji utiče na ekosisteme okeana?
• Zašto se okeanski Interaktom poredi sa Facebook-om?
• Koja je važnost virusa u okeanskim ekosistemima?

Monica Menesini, Liceo Scientifico Vallisneri Lucca, Italija

License

CC-BY-NC-ND

Download

Download this article as a PDF