В Антарктиці наші дослідники вивчають не тільки великих тварин – китів чи тюленів – а й зовсім дрібні непомітні організми, зокрема морські бактерії та мікроводорості. Вони відіграють важливу роль в багатьох процесах Південного океану. Як ці організми взаємодіють в його крижаних водах та впливають на зміну клімату, наразі досліджує вчена НАНЦ Марія Павловська.
2019 року вона отримала стипендію Наукового комітету з антарктичних досліджень (SCAR) під цей проєкт і виконує його разом із вченими Інституту морської мікробіології Макса Планка (Бремен, Німеччина), який є світовим лідером у галузі морської біології. Марія нещодавно повернулась з Бремену, де проводила молекулярно-генетичні дослідження зразків, відібраних у районі станції “Академік Вернадський” у 2019-2021 рр.
Тож що саме вивчає наша науковиця? Відомо, що Південний океан має ключову роль у глобальному циклі вуглецю, який своєю чергою впливає на клімат всієї планети. Основні гравці в регуляції циклів поживних речовин та вуглецю в океані – якраз крихітні бактерії та мікроводорості. Останні колись, мільйони років тому, створили кисневу атмосферу на Землі, і досі є одними з головних виробників атмосферного кисню. В “обмін” на кисень вони забирають з атмосфери вуглекислий газ, і в такий спосіб суттєво уповільнюють глобальне потепління.
Утім, крім кисню, деякі із мікроводоростей виділяють в атмосферу сполуки сірки, і от вони вже мають швидше негативний вплив на клімат, зокрема сприяють закисленню середовища. Який баланс цих процесів, наразі невідомо, і саме це зокрема досліджують наші науковці та науковиці. Крім того, взаємодія згаданих організмів – бактерій та водоростей – фактично регулює морські харчові мережі: від дрібних рачків до риб та гігантських китів.
Вченим важливо зрозуміти, що саме в цих глобальних процесах роблять антарктичні бактерії та мікроводорості. Для цього спочатку треба хоча б “перелічити” їх та “паспортизувати” – визначити, які ж саме групи бактерій та мікроводоростей живуть в океані за різних температурних та інших умов, та як вони кількісно співвідносяться між собою. Здавалося б, завдання просте, адже щось схоже щодня роблять лаборанти будь-якої клінічної лабораторії стосовно хвороботворних бактерій, а гідробіологи з давніх давен навчились під мікроскопом визначати та рахувати водорості. Але не так все просто, як здається.
Справа в тому, що в океані не меншу роль, ніж відносно великі мікроводорості, відіграють зовсім крихітні істоти, які часто навіть називають “нановодоростями”. Їх під мікроскопом не роздивишся так, як потрібно.
А з морськими бактеріями порівняно із “лікарняними” взагалі біда: більшість методів вивчення патогенної мікробіоти і навіть звичайної мікробіоти ґрунтів та інших звичних нам екосистем базуються на так званих культиваційних методах, тобто на посіві бактерій на поживне середовище, де вони розмножуються, аж поки їх не виросте достатньо багато для досліджень. Кожна посіяна бактеріальна клітина на поживному субстраті має породити цілу колонію, і от вже з цими колоніями вчені далі працюють. Тільки от на відміну від патогенних або грунтових, морські бактерії категорично не бажають рости на штучних субстратах! Із всього різноманіття морської мікробіоти лише менше одного відсотка піддаються культивуванню на середовищах. Решта ж 99% досі лишається для морських біологів чимось таким само недоступним, таємничим та водночас важливим для розуміння морських екосистем, як для астрофізиків Темна Матерія.
Тож як наші вчені шукають цю “Темну Матерію Океану”? Якщо морські бактерії не бажають рости “у неволі”, їх доводиться досліджувати безпосередньо у зразках відфільтрованої океанської води. А щоб відрізнити одні від інших та “паспортизувати” доводиться хитрувати – розробляти та синтезувати спеціальні флуоресцентні мітки.
Кожна мітка – одна довга штучно синтезована молекула, що складається із двох частин: “липучки”, яка чіпляється до носіїв певної послідовності ДНК, та флуоресцентного “хвоста”, який власне світиться певним кольором під час зовнішнього опромінення. На фільтри з виділеними із морської води клітинами по черзі вливають розчини міток для кожної окремої групи бактерій, і в такий спосіб різні групи мікроорганізмів по черзі фарбуються. Тобто коли вчений в такий хитрий спосіб “чіпував” кожну групу бактерій своєю міткою – лише після цього в полі зору мікроскопу може порахувати сяючі “зірки на темному небі”, і отримати дані про співвідношення між собою різних груп бактерій та мікроводоростей, кожна з яких відповідає за той чи інший процес у екосистемі – хто за фотосинтез, хто за метаболізм сірки, хто за розклад органіки, хто за синтез метану тощо. Саме це робила Марія Павловська в Інституті морської мікробіології Макса Планка.
Паралельно із цим зразки піддають дуже точному секвенуванню – розшифровуються та “прочитуються” їхні ДНК та РНК. За цими даними можна буде отримати докладну інформацію про те, які саме бактерії існували на момент відбору поруч із певними представниками мікроводоростей. Більше того – можна навіть вирахувати, які саме із генів, що контролюють той чи інший процес обміну речовин, були в цей час ввімкнені, а які гени “спали”.
Так в підсумку тривалої кропіткої роботи можна вийти на опис регуляторних сіток, тобто цілої низки взаємних “сигналів” та “команд”, якими крихітні мешканці океану у відповідь на зовнішні чинники вмикають та вимикають цілі каскади біохімічних реакцій, що в підсумку впливають на таку велику та складну систему як глобальний клімат. Саме такі процеси взаємодії живого з неживим свого часу досліджував “патрон” нашої станції Володимир Вернадський, тільки от подібних тонких та вишуканих методів в його часи ще не було. Далі буде, “розслідування” Марії лише розпочалося 🙂