Zmapujeme světový oceán a neviditelný život v něm. Tak zněl cíl, který si vytkli otcové grandiózní expedice Tara Oceans. Výzkumná loď Tara  poprvé vyplula v září 2009 a její cesty trvaly tři roky. Nyní týmy vědců z celého světa (a i tři Češi) složili první účty – formou série článků v časopisu Science. Docela bohatých na překvapení.

Většinu suchozemského života známe již poměrně dobře, stejně jako velké mořské živočichy. Ale život drobných organismů žijících pod mořskou hladinou dosud pozornosti lidstva unikal. Přitom má mořský plankton, s nímž plavou v jednom šiku triliony virů, bakterií, prvoků a dalších organismů, zásadní význam pro Zemi.

Miliony tun živé hmoty produkují tolik kyslíku jako všechny lesy na pevnině dohromady. Plankton zároveň vstřebává oxid uhličitý z atmosféry, čímž ovlivňuje podnebí na celé planetě včetně vnitrozemí. Věda však dosud planktonnímu životu se složitou sítí potravních, ekologických, příbuzenských či symbiotických vztahů rozuměla pramálo.

Do všech moří

Velkorysý projekt Tara Oceans se rozhodl tento tristní stav změnit. Opakované expedice se v letech 2009 až 2013 vydávaly do všech světových moří.

 

Plachetnice Tara a mořský život pod hladinou. Fotomontáž:  N. Lebescotc, de Vargas, EPEP, CRNS, Roscoff. Tara-expeditions.

Plachetnice Tara a mořský život pod hladinou. Fotomontáž: N. Lebescotc, de Vargas, EPEP, CRNS, Roscoff. Tara-expeditions.

V „sítích“ vědců skončily miniaturní okem neviditelné bakterie, viry, protisté, ale i drobní korýši či rybí larvy. Porce vzorků, které vědecké týmy během expedic nalovily, je obrovská – ve více než 300 planktonních společenstvech ve všech mořích posbírali 35 tisíc vzorků a z nich vygenerovali 800 milionů sekvencí.

„Jen méně než procento nově identifikovaných genotypů se shodovalo s již popsanými genetickými typy ve veřejných databázích, “ říká v rozhovoru pro Science Colomban de Vargas z CNRS (Národní výzkumné centrum se sídlem v Paříži), „a třetina všech sekvencí nemohla být zařazena mezi známé eukaryotické organismy. To znamená, že naprostou většinu těchto organismů dosud nikdo nepopsal.“

Příklad organismu, který má své jméno: Platynereis Dumereii , Jižní Pacifik. Foto: Eric Roettinger Kahikai, Tara Oceans, 2011.

Příklad vyloveného druhu, který má své jméno: Platynereis Dumereii, Jižní Pacifik. Foto: Eric Roettinger Kahikai, Tara Oceans, 2011.

 

Rozsivka. Příklad dosud neznámého organismu. Foto:  John Dolan, Tara Oceans.

Rozsivka. Příklad dosud nepopsaného organismu. Foto: John Dolan, Tara Oceans.

Expedice Tara Oceans

Expedice Tara Oceans s se odehrály v letech 2009–2013. Propluly Středozemním a Rudým mořem, Indickým, Atlantským a Tichým oceánem, polárním kruhem. Zkoumaly plankton v různých oblastech – v tropech, ledových vodách, v okolí korálových útesů, v místech zasažených civilizací a znečištěných odpady, v mořských pouštích, chudých na jakýkoli život, v lokalitách, kde vystupují hlubinné mořské proudy na povrch, i v zónách, kde již nadměrný přísun oxidu uhličitého vedl k okyselení vody.

Den co den výzkumníci nabírali a filtrovali stovky a tisíce litrů mořské vody. Sbírali vzorky planktonu v různých hloubkách a zaznamenávali chemické a fyzikální vlastnosti prostředí, ve kterém se vyskytuje.

Získaná data poskytují světové vědecké komunitě bezprecedentní zdroje informací, včetně katalogu milionů nových genů, ale také informací, které pomohou vytvářet modely klimatických změn i ukládání oxidu uhličitého v oceánech.

Deset expedic, 3OO tisíc kilometrů.  Mapa výzkumných cest   plachetnice Tara s vědci na palubě. Zdroj: N. Le Bescot, EPEP/SB Roscoff/CNRS, 2015.

Deset expedic, 3OO tisíc kilometrů. Mapa výzkumných cest plachetnice Tara s vědci na palubě. Zdroj: N. Le Bescot, EPEP/SB Roscoff/CNRS, 2015.

Vědci odhadují, že mořský plankton obsahuje kolem 150 tisíc genetických typů eukaryot, z nichž každý může ukrývat několik biologických druhů. Celkové číslo se tak pravděpodobně pohybuje kolem jednoho miliónu druhů eukaryotického planktonu. Doposud jich bylo v odborné literatuře popsáno asi 11 tisíc.

Proč to nešlo dříve?

Proč trvalo tak dlouho, než oceány vydaly tajemství o své rozmanitosti? To vysvětluje de Vargas takto: kromě mikroskopické velikosti planktonu a extrémní dynamiky společenstev organismů, jež ho vytvářejí, i obrovské proměnlivosti a nepředvídatelnosti vynořování a mizení oblak planktonu, bránily dosud hlubšímu poznání mořského života zcela pragmatické důvody.

Standardní oceánografické lodi jsou příliš neohrabané, nepružné a drahé (až 40 tisíc dolarů denně), aby je bylo možné použít k masivnímu, systematickému sběru vzorků planktonu na této planetě. Naštěstí se objevila plachetnice Tara.

A Tara na polárním kruhu. Foto: A deniaud, Tar Expeditions.

Tara na polárním kruhu. Foto: A Deniaud, Tara Expeditions.

Tara projíždí kolem New Yorku. Foto: V.Hilaire, Tara Expeditions.

Tara přijíždí do New Yorku. Foto: V.Hilaire, Tara Expeditions.

Kde se vzala Tara a kdo projekt finacoval? Více v rozhovoru s českým účastníkem expedice Tara Polar Circle prof. Juliem Lukešem, který vyšel v časopise Vesmír v březnu 2014:  Život si najde cestu všude

Další podmínkou úspěšnosti velkolepého zkoumání moří byly nové metody pro odhad biodiverzity pomocí sekvence části genu, který je společný všem eukaryotům. V projektu Tara Oceans byl vybrán 128 bází dlouhý úsek genu kódujícího ribozomální RNA. Pořadí bází je pak čteno jako genetický „čárový kód“ (genetic barcoding). „Tato metoda představuje skutečnou revoluci na poli ekologie,“ vysvětluje de Vargas.

Každý druh planktonu lze identifikovat pomocí „čárového kódu“ tohoto úseku DNA a jeho až v poslední době finančně dostupného masivního sekvenování  v extraktech DNA z planktonního společenství umožňuje vytvořit kompletní katalog všech druhů obsažených v několika litrech mořské vody.

„Vygenerovali jsme robustní systém genetického kódování, abychom pomyslně spatřili všechny eukaryoty v libovolném vzorku vody. Získali jsme zhruba dva miliony genetických kódů z každého z 300 planktonních společenství,“ vysvětluje de Vargas.

Dokonce jsme narazili na obrněnku, která má oči, ale nemá mozek!

Teď tedy bude možné zobecnit poznatky o množství, struktuře a uspořádání eukaryotického života ve světových oceánech. Ale také budeme mít mnohem lepší data pro modelování vývoje mořského života vzhledem ke změnám klimatu, množství kyslíku v atmosféře i množství oxidu uhličitého pohlcovaného oceánem.

Součástí sběru dat totiž bylo také to, jaké faktory se na množství a různorodosti planktonu v dané lokalitě podílejí. „Nejsilnějším faktorem ovlivňující skladbu bakteriálního společenství byla jednoznačně teplota. Nyní musíme rozšířit naše znalosti i o komunity eukaryot,“ říká k tomu Colomban de Vargas. Ale jsou tu i mnohé další poznatky, které pravděpodobně přepíší učebnice biologie a přispějí k nové klasifikaci planktonu.

Mořská překvapení

Mezi největší překvapení patří viry. Výprava nalezla gigantické a složité viry, s genomy většími než některé bakterie. Ukázalo se také, že rozmanitost eukaryot je významně větší než bakteriální.

Dalším poznatkem je, že většina interakcí mezi planktonními organismy, od virů po malé larvy je parazitická, nové informace „vylovené z moře“ také zpochybňují dosavadní klasické dělení planktonu na fyto- a zoo-plankton.

Kam totiž patří bakterie a prvoci, z nichž někteří fotosyntetizují a zároveň loví potravu, případně mění strategie v průběhu svého životního cyklu?

Nečekanou novinkou je i to, že dvě třetiny diverzity planktonu patří k málo známým skupinám heterotrofních protist (protisté jsou jednobuněčné eukaryotní organismy, jež nelze zařadit mezi živočichy, rostliny ani houby), které zahrnují ohromnou škálu parazitů a symbioticky žijících druhů, různých kombinací forem života.

Ještě jednou de Vargas: „Pěkná řádka protistů má genom větší než člověk. Protisté klidně kombinují fotosyntézu a fagocytózu (potravu), mají širokou škálu projevů, dokonce jsme narazili na obrněnku, která má oči, ale nemá mozek! “

Kam totiž patří bakterie a prvoci, z nichž někteří fotosyntetizují a zároveň loví potravu, případně mění strategie v průběhu svého životního cyklu?

Dalším z řady nečekaných objevů, které vědce pod hladinou moře čekalo, bylo mohutné zastoupení parazitických protist. Na jejich zkoumání se podílí i tým z Parazitologického ústavu Biologického centra AV ČR ve složení Olga Flegontova, Aleš Horák a Julius Lukeš.

Analyzoval druhovou rozmanitost, početnost a faktory podmiňujících výskyt jedné z pěti hlavních linií eukaryot, exkavát. Z jejich výsledků vyplývá, že v oceánech je tato skupina výrazně zastoupena tzv. planktonními diplonemidy, obskurními příbuznými důležitých parazitů (například trypanozom a leishmanií) a volně žijících jednobuněčných řas krásnooček.

O těchto mořských protistech dodnes nevíme téměř nic. „Na základě analýzy genetických barkódů jsme zjistili, že celkově tvoří šestou nejpočetnější a třetí druhově nejbohatší skupinu planktonu svrchní vrstvy oceánu. Víme také, že ještě mnohem četnější a druhově bohatší protisté se nacházejí v hlubinách. Z dostupných dat se domníváme, že jde nejspíš o parazity-symbionty, pravděpodobně zásadní pro funkci oceánského ekosystému,“ uvádí Aleš Horák.

K dalšímu čtení: Science, 22. května 2015

Titulní foto: C.Guiguand-Tara-Oceans

Pět důvodů, proč děkovat planktonu. O významu planktonu pro veškerý život na Zemi i vývoj člověka si můžete poslechnout video z dílny časopisu Nature:

 

Print Friendly