Mikroorganismy z Arktidy mohou ovlivnit světové klima i biotechnologie

Permafrost, dlouhodobě zmrzlá půda, se v Arktidě vlivem globálního oteplování ohřívá. Tím se pravděpodobně aktivují i půdní mikroorganismy, které mohou vytvořit skleníkové plyny a urychlit změny klimatu. Jana Voříšková z Mikrobiologického ústavu Akademie věd v Praze nyní díky podpoře Grantové agentury ČR zkoumá, co může aktivita arktických mikroorganismů způsobit zbytku světa.

V Arktidě se v průběhu tisíciletí hromadila odumřelá biomasa – rostliny, mikroorganismy i zemřelá zvířata – a v důsledku nízkých teplot se prakticky nerozkládala. Nynější rostoucí teploty v této oblasti prospívají místním mikroorganismům, které jsou schopny tuto biomasu rychle rozkládat. V důsledku toho vznikají plyny, zejména oxid uhličitý a metan, jež v atmosféře zvyšují skleníkový efekt.

Jak významný příspěvek ke globálnímu oteplování to bude? „To zatím nedokážeme přesně určit. Existuje i jiná, zřejmě méně pravděpodobná hypotéza, že naopak vyšší teplota v některých oblastech vysuší půdu a místní mikroorganismy, zvyklé na chlad a vlhkost, utlumí, takže skleníkových plynů pak tolik nevytvoří. Musíme zjistit, co z toho platí. Ale zatím se teprve postupně dozvídáme, jaké mikroorganismy a s jakými vlastnostmi vlastně v Arktidě žijí. Tato oblast je téměř neprobádaná,“ konstatuje doktorka Voříšková.

Skleníky a sněhové zábrany

Klimatické modely předpokládají, že se v příštích desetiletích v arktických oblastech v letním období výrazně zvýší teploty a v zimě budě intenzivněji sněžit. Vrstva sněhu slouží jako izolace, takže vyšší sněhová pokrývka způsobuje, že půda pod ní je v zimě i o několik stupňů teplejší. Také to může ovlivnit mikroorganismy, které se tam vyskytují.

Aby výzkumníci mohli ověřit, zda tyto předpoklady budou doopravdy platit, potřebují připravit experimenty. Využívají malé skleníky z plexiskla beze střechy, které pokládají na půdu. Střecha chybí, aby se pod ní půda nevysušila. Toto zařízení zvýší v létě teplotu uvnitř průměrně o dva stupně.

Badatelé také stavějí sněhové zábrany. V místě jejich experimentů fouká vítr vždycky od moře. V zimě se tedy na jedné straně zábrany vytvoří izolační vrstva sněhu o několik desítek centimetrů vyšší než kdekoli jinde.

Po několika letech se výzkumníci vracejí a odebírají vzorky půdy ze skleníků a od sněhových zábran, a také z běžného terénu, aby mohli porovnat, jak se změnilo druhové složení mikroorganismů v místech, kde bylo tepleji. „Jiní kolegové tam používají detektory, které sledují produkci oxidu uhličitého v té ohřáté půdě, a data pak dáváme dohromady. Ale mým tématem jsou mikroorganismy,“ doplňuje Jana Voříšková.

Experimentální plochy – skleníky a sněhové zábrany pro výzkum vlivu klimatických změn na mikroorganismy.

Snímek Jana Voříšková

Nadějná oblast výzkumu

K výzkumu arktické tundry se dostala po studiu Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy v Praze. Diplomovou práci i práci doktorskou dělala v Mikrobiologickém ústavu Akademie věd ČR na téma mikroorganismů v lesních půdách. Postdoktorskou pozici získala v Dánské a grónské národní geologické službě (GEUS), kde se ve spolupráci s kolegy z Kodaňské univerzity začala zabývat vlivem klimatických změn na mikroorganismy v Arktidě a dvakrát kvůli tomu cestovala do Grónska.

„Mikroorganismy v Arktidě ještě nejsou dobře probádané, přišlo mi to jako zajímavá oblast vědeckého výzkumu, kde se dá zjistit něco úplně nového,“ vysvětluje.

Chtěla však poznat také vědu ve Spojených státech. Podařilo se jí získat postdoktorskou stáž v Lawrenceově národní laboratoři v kalifornském Berkeley. Tam se rovněž zajímala o mikroorganismy z extrémních končin, tentokrát však z opačného konce spektra, z tropické Panamy.

„Pobyt v USA byla zajímavá zkušenost. Kodaň, v níž jsem pracovala předtím, je příjemné město k žití, Dánsko má dobře nastavenou rovnováhu mezi pracovním a soukromým životem, všude dojedete na kole. Zato Kalifornie je hektická, bez auta se nedostanete nikam. Je tam úžasné neformální, hodně inspirativní prostředí, pořád se něco děje, potkáváte se se světovými kapacitami. Když se nám tam ovšem narodilo dítě, už jsme s manželem směřovali zase do Prahy, protože podmínky pro matky ve Spojených státech jsou nastaveny drsně, mateřská dovolená prakticky neexistuje,“ vypráví.

V Mikrobiologickém ústavu navázala na dřívější spolupráci s Kodaňskou univerzitou, a když získala prestižní grant JUNIOR STAR od Grantové agentury ČR, založila si pětičlennou výzkumnou skupinu a mohla se do Grónska vypravit potřetí. Navíc pro svůj výzkum obdržela i grant Marie Curie financovaný Evropskou unií.

Přes rozbouřené vody

Na její zatím poslední cestu do Grónska v létě roku 2021 ji doprovázela kolegyně z Mikrobiologického ústavu doktorka Camelia Algora, která pochází ze Španělska. Až příliš dobře při tom poznaly, co dokáže příroda. Popis jejich cesty je poněkud jazykolomný. Z Prahy přes Kodaň doletěly na největší grónské letiště Kangerlussuaq a pak dalším letadlem do města Ilulissat. Odtud je trajekt přepravil do cílové destinace, do městečka Qeqertarsuaq s necelou tisícovkou obyvatel na stejnojmenném ostrově.

Městečko Qeqertarsuaq ve střední části západního pobřeží Grónska, v jehož blízkosti probíhají výzkumy.

Snímek Jana Voříšková

„Strašně pršelo a foukalo, na trajektu jsme my dvě byly jedinými pasažéry. Místní asi věděli, proč ten den nikam nepluli,“ vzpomíná Jana Voříšková. „Několikametrové vlny s trajektem pořádně házely. Dopravní společnost naštěstí loď vybavila dostatečným množstvím pytlíků pro případ nevolnosti. Plavba, podle jízdního řádu dvouhodinová, se protáhla na dvojnásobek. Kapitán několikrát hlásil, že se kvůli velkým vlnám budeme muset vrátit. Pak oznámil, že vypadl jeden z motorů, takže bude líp se nevracet, protože cílový přístav je blíž. I kapitán pak říkal, že to byla nejhorší plavba sezóny. Když pak druhý den přicestovali účastníci expedice z Kodaňské univerzity, měli už cestu docela příjemnou.“

Medvědi nehrozí, komáři ano

Ani odběr vzorků v přírodě neprobíhá v Grónsku úplně jednoduše. Není to tam ale tak dramatické jako na arktickém souostroví Špicberky, kde vědci nesmějí vyrazit do přírody bez pušky, aby se případně mohli bránit útoku ledního medvěda.

„V Grónsku medvědi také žijí, ale naštěstí v naší oblasti, zhruba v polovině západního pobřeží, se výjimečně vyskytují v zimě, ne v létě. Žádný kurz střílení medvědů jsem neabsolvovala,“ směje se Jana Voříšková. Pak zvážní: „Zato komáři nás sice neohrožovali na životě, ale byli strašní. V červenci, když svítí slunce a nefouká vítr, bývá v oblasti našeho výzkumu počasí i na kraťasy, v srpnu se ochlazuje a koncem září už padá první sníh. Ale kraťasy si nemůžete ani v červenci obléct, protože by vás komáři sežrali. Žádný repelent nepomáhá. Potřebujete pevné oblečení s dlouhými rukávy, které komár neproštípne, a ještě přes hlavu ochrannou síťku.“

Výzkumníci vždy brzy ráno vyráželi do terénu a odebrali vzorky půdy. Odpoledne na stanici, kterou provozuje Kodaňská univerzita, vzorky zpracovali, navážili do zkumavek a pozdě v noci zamrazili. V termoboxu, aby nerozmrzly, pak vzorky putovaly do Prahy.

Potenciál pro biotechnologie

Další měsíce a měsíce trvá práce v laboratoři. Složení mikroorganismů v nasbíraných vzorcích půdy vědci zjišťují pomocí metod molekulární biologie. „Extrahujeme všechnu DNA z půdy a podle typických markerů poznáme, které její sekvence patří mikroorganismům. U některých po porovnání s databázemi určíme druh, u jiných nám vychází, že jsou ještě neznámé,“ říká Jana Voříšková.

Arktida je stále velmi málo probádaná a nabízí vědcům ještě hodně objevů. Tamní mikroorganismy přežívající v extrémních podmínkách mohou obsahovat geny, které jednou třeba půjde využít i v moderních biotechnologiích. Je užitečné o nich vědět.

RNDr. Jana Voříšková, Ph.D.

Vystudovala Přírodovědeckou fakultu Univerzy Karlovy v Praze. Postdoktorské pobyty strávila v Dánské a grónské národní geologické službě (GEUS) v Kodani a pak v Lawrenceově národní laboratoři v kalifornském Berkeley. Nyní působí v Mikrobiologickém ústavu Akademie věd ČR v Praze a zabývá se výzkumem arktických mikroorganismů.