Tara: oceaniczna odyseja Understand article

Tłumaczenie: Klaudia Noga-Piętak Po czterech latach podróży po wodach naszego globu, szkuner Tara wraca z próbkami z morskiego świata – wszystko to warte naukowych badań.

Jest październik 2011 roku. Akurat pełnię nocną służbę na pokładzie szkunera Tara i podziwiam jak sunie przez ciemne wody Pacyfiku. Przed oczami rozpościera się niekończący się obraz oceanu. Następny dzień wydaje się odległy, jednak  są dwie rzeczy, które nie pozwalają mi zmrużyć oka: zapach soli w powietrzu i migoczące światełka widoczne tuż przy naszej łodzi. To tzw. ,,gwiazdy morza”, a w rzeczywistości bioluminescencyjny plankton. Te dryfujące dziwne organizmy były nawet inspiracją dla wyglądu różnych postaci z filmu Alien (1979). Obecnie plankton stanowi jedną dziesiątą organizmów żyjących w oceanie i jest częścią globalnej sieci pokarmowej. Dzięki fotosyntezie plankton produkuje połowę tlenu, którym oddychamy, redukuje obecne w atmosferze cząstki węgla i odgrywa kluczową rolę w globalnym obiegu azotu.

O świcie pokład zapełnia się naukowcami, którzy za pomocą cienkich sieci przeczesują powierzchnię oceanu w poszukiwaniu planktonu. Rozeta, przyrząd zbierający wodę z różnych głębokości, analizuje właściwości pompowanej do sieci wody (głównie jej temperaturę, ciśnienie i zasolenie). Naukowcy zbierają różne rodzaje planktonu, od małych wirusów o średnicy 0,02 micrometra do prawdziwych okazów o wielkości 2 milimetrów. To jak stosunek wielkości piłki do golfa do basenu olimpijskiego! Następnie złapane okazy są razem z wodą przelewane do próbówek, odpowiednio oznaczane i zamrażane w celu uniknięcia ich degradacji związanej z przemianami chemicznymi i enzymowymi mogącymi zajść w próbówce.

W mieszczącym się pod pokładem ,,suchym labolatorium”, pomieszczeniu wypełnionym mikroskopami i ekranami komputerów, siedzi Jérémie, specjalista od obrazowania komputerowego. Powoli umieszcza pod mikroskopem próbkę pobranej wody. Nagle łódź zaczyna być mocno bujana przez fale, a labolatorium przypomina ogromne wahadło. Kiedy ja ręką staram się złapać za brzeg stołu lub cokolwiek, co pomoże mi utrzymać równowagę,  Jérémie wydaje się być niewzruszony chaosem wokół. On i jego mikroskop zdają się nie odczuwać ani szarpiących łódź fal ani płynącego czasu. Jérémie jest urzeczony tym, co widzi pod mikroskopem – w małej kropli wody aż roi się od nieznanych form życia.

Eksplozja danych

W czasie trwania podróży po oceanie żaglowcem Tara (2009-2013), zebrano i rozesłano do badań na całym świecie ponad dwie tony zamrożonego materiału genetycznego uzyskanego z planktonu. W labolatoriach pracownicy naukowi za pomocą specjalnych substancji chemicznych dostają się do wnętrza złowionych okazów i wyodrębniają molekuły ich DNA. Następnie włókna DNA są skanowane i sekwencjonowane  przy użyciu tzw. metody ,,shotgun”. Dzięki temu powstaje zdumiewająco długa lista 7,2 miliarda par nukleotydów budujących bloki DNA (adenina, tiamina, guanina i cytozyna), a szczególne geny tworzą ,,kody paskowe” służące identyfikacji różnych rodzajów planktonu, np. bakterii, archeonów i eukariontów. Jednymi z organizmów nie posiadających uniwersalnych identyfikatorów molekularnych, które mogłyby posłużyć jako ,,kody paskowe”, są wirusy. W celu zidentyfikowania kodów dla populacji wirusów naukowcy używają grup białek o podobnej strukturze genetycznej. 

Eric Karsenti, kierownik naukowy projektu Tara, wyjaśnia znaczenie spisu organizmów żyjących w oceanie: ,,Zebrane dane pozwolą naukowcom na bardziej wnikliwe przyjrzenie się populacji, środowisku i dynamice systemu utrzymywania życia w oceanach”. Dodaje także, że to pierwszy tak dokładny opis ekosystemu planktonu na świecie.

Eksperci z różnych dziedzin przeanalizowali wyselekcjonowane dane, używając zaawansowanego obrazowania komputerowego, bioinformatyki i najnowszych technik modelowania, które razem używane są bardzo rzadkie. ,,To nowy typ badań na polu nauk przyrodniczych” mówi Eric ,,pięć lat temu mogliśmy o tym tylko pomarzyć!”. Zespół ekspertów ma teraz odpowiednie narzędzia, aby znaleźć odpowiedź na pytania, których poprzedni badacze nie śmiali nawet zadać: jakiego rodzaju plankton zamieszkuje nasze oceany? Jak poszczególne typy planktonu wpływają na siebie i na środowisko, w którym żyją? Jak plankton zareaguje na zmiany klimatyczne i jaki będzie to miało na nas wpływ?

Na suchym lądzie

Europejskie Labolatorium Biologii Molekularnejw Heidelbergu (EMBL, Niemcy) nie kojarzy się z miejscem, gdzie prowadzi się badania oceanu – jego budynki mieszczą się około sześć godzin drogi od najbliższego wybrzeża. Jednak to tam Shinichi Sunagawa, ekspert od biologii obliczeniowej, pomógł w utworzeniu katalogu genów mikrobów. Katalog zawiera około 40 milionów genów planktonicznych mikrobów, z których ponad 80% to zupełnie nowe odkrycia. To tylko podkreśla ogromną bioróżnorodność nadal nie do końca poznanego planktonu zamieszkującego nasze oceany. Naukowcy odkryli, że występowanie odkrytych gatunków jest mocno związane z temperaturą środowiska, w którym żyją i wskazali temperaturę wody jako główny czynnik kształtujący mikrobowe społeczności oceanu. Kolejne badania pomogą ustalić jak zmiany temperatury wody wpływają na ekosystem oceanów, a w konsekwencji, na środowisko całej planety.

Większość genów z katalogu stworzonego przez Shinichiego pochodzi z rodziny eukariontów – organizmów, których DNA zwinięte jest w jądrze komórkowym. Jądro, złożona i stabilna struktura komórkowa, stanowi bardzo ważny element ewolucji. Dzięki niemu powstają istoty wielokomórkowe, a same eukarionty posiadają wyjątkowe właściwości. Na przykład jednokomórkowe organizmy takie jak okrzemki w niskich temperaturach potrafią syntetyzować ochronną warstwę szkła, którą pokryty jest dany pojemnik. Człowiek potrafi dokonać tego jedynie w wysokiej temperaturze! Colomban de Vargas, biolog morski uczestniczący w ekspedycji oraz badający zebrany materiał, zidentyfikował w sumie 150 000 typów genetycznych eukariontów – 100 razy więcej niż dotąd przypuszczano. Kluczem do takiej hiperróżnorodności jest właśnie międzygatunkowa interakcja zachodząca w oceanie.

Sieci społeczne w oceanie

Na pokładzie Tary naukowcy nadali poznanym okazom imiona, był m.in protista Hubert i okrzemek Diana. Następnie Gipsi Lima-Mendez, doktor z Uniwersytetu Leuven w Belgii, badała relacje ,,społeczne” między Hubertem, Daną i ich przyjaciółmi. Stworzyła pewnego rodzaju oceaniczną sieć społeczną, Facebook dla planktonu, dzięki któremu możemy dowiedzieć się, które planktony się przyjaźnią (wtedy można je spotkać razem), a które nie. Następnie Gipsi użyła wygenerowanych komputerowo modeli pomocnych w przewidywaniu specyficznych relacji między wyodrębnionymi gatunkami, np. relacji symbiotycznej między płazińcem a fotosyntetycznymi mikroglonami. W tym przypadku alga żyje wewnątrz płazińca, z dala od mogących jej grozić drapieżników. W zamian syntezuje składniki pokarmowe dla chroniącego ją gospodarza. Relacja ta została zaobserwowana także później, gdy próbki z ekspedycji Tara były badane pod mikroskopem w labolatorium na lądzie.

Relacji w oceanie na pewno nie można opisać jako ,,selekcja naturalna”. Według Erica ,,80% interakcji między organizmami w oceanie jest pozytywnych”, co oznacza, że organizmy pomagają sobie nawzajem, żeby przetrwać. ,,To zmienia sposób w jaki patrzymy na ewolucję” mówi Eric “współpraca także przyczynia się do rozwoju życia na Ziemi i sprawia, że jest ono bardziej złożone”.

Wirusy to występujący w największej ilości, a zarazem najmniej uchwytny rodzaj planktonu. Są tak małe, że nie można ich dostrzec pod mikroskopami, które są dostępne na statku. W jednej kropli wody morskiej może zmieścić się dziesięć milionów wirusów. Ponadto mają one istotny wpływ na kształtowanie zarażonej przez nie populacji i kierują ewolucją poprzez przesyłanie danych genów do różnych gatunków. Jak mówi dr Jennifer Brum (Uniwersytet Arizony, USA) ,,wirusy mają także wpływ na obieg składników pokarmowych, materii organicznej i gazów atmosferycznych”. Brum brała udział w identyfikacji ponad 5000 populacji wirusów, z czego 99% należy do nowych odkryć. Takie badania są jak odkrywanie życia na nowej, podwodnej planecie! Następnym celem naukowców jest określenie, jakie organizmy mogą zostać zarażone przez dane wirusy.

Wszystkie badania pomagają wyznaczyć kryteria pomocne w monitorowaniu stanu oceanów w przyszłości. W trakcie ekspedycji zebrano 11,5 terabajta danych – to więcej niż zawiera Wikipedia. Dane te są przechowywane w Europejskim Archiwum Nukleotydów i dostępne publicznie, tak by mogli korzystać z nich obecni i przyszli naukowcy. Czy wiecie, że naukowcy nadal przeprowadzają badania, korzystając z próbek zebranych w 1823 roku przez Charlesa Darwina w czasie ekspedycji statkiem HMS Beagle? Kto wie, być może dane pobrane w trakcie pobytu na pokładzie Tary zawierają odpowiedzi na pytania, o których zadaniu my nawet nie marzymy.

Web References

• w1 – Więcej informacji na temat EMBL (Europejskie Labolatorium Biologii Molekularnej)..
• w2 – EIROforum to organizacja zrzeszająca osiem największych europejskich międzyrządowych  organizacji badawczych. Dane, które zbierają, kompetencje ich pracowników i możliwości labolatoryjne pozwalają na pełne wsparcie rozwoju nauk przyrodniczych w Europie. Cześcią działań EIROforum jest wydawanie pisma edukacyjnego Science in School.

Resources

• Ekspedycja Tara to organizacja non-profit używająca do badań żaglowca Tara. Organizacja na bieżąco informuje o prowadzonych badaniach naukowych, a  ich wyniki prezentuje na stronie internetowej.
• Część zespołu mająca wykształcenie pedagogiczne prowadzi także działania i projekty dla szkół..
• O szczegółach ostatnich postępów w projekcie Tara: Oceany możesz przeczytać na stronie internetowej Europejskiego Labolatorium Biologii Molekularnej.

Institutions

Author(s)

Andres Peyrot jest reżyserem filmów dokumentalnych i dziennikarzem o szwajcarsko-panamskich korzeniach. Ukończył studia na Uniwersytecie Nowojorskim na wydziale artystycznym Tisch (tzw. TSOA). Współpracował przy tworzeniu wielu dokumentów o sztuce, historii, kulturze i naukach przyrodniczych. Jesienią 2011 roku brał udział w wyprawie żaglowcem Tara na odcinku Hawaje – San Diego, przepływającym wtedy m.in. przez Wielką Pacyficzną Plamę Śmierci (dryfujące po oceanie skupisko śmieci i odpadów). Podczas podróży Andres wykonywał zdjęcia, kręcił filmy i zbierał dokumenty o tej wyjątkowej ekspedycji.

Review

Projekt Tara: Oceany połączył wiele dziedzin badawczych, które przyczyniły się do powstania imponującego Katalogu Genów Mikrobów Oceanicznych, który będzie używany do nadzorowania stanu oceanów.

Artykuł daje możliwość zrozumienia jak naukowcy charakteryzują populacje mikroorganizmów oraz jak warunki środowiskowe kształtują te eko-społeczności.

W artykule można uzyskać odpowiedzi na pytania:

• Jaką rolę pełni plankton w naszym środowisku?
• Dlaczego zamraża się próbki planktonu?
• Na czym polega generowanie kodu paskowego DNA?
• Jaki jest główny czynnik środowiskowy mający wpływ na ekosystemy oceanu?
• Czym w porównaniu do Facebooka jest Oceaniczna Sieć Społeczna?
• Dlaczego wirusy są tak ważne w ekosystemach oceanu?

Monica Menesini, Liceo Scientifico Vallisneri Lucca, Włochy

License

CC-BY-NC-ND

Download

Download this article as a PDF