Časopis Science dnes uplyne deset let od zveřejnění prvního kompletního lidského genomu. Redakční sloupek, několik komentářů předních vědců a jako dezert vědecký článek představující genom jiného druhu. Tentokrát Dafnie, milovaná všemi vodními ekology.
Dafnie neboli vodní blecha je malý korýš, kterého zná mnoho lidí. Majitelé akvárií jimi krmí své ryby. Ve vodárenských laboratořích se používají k testování kvality vody. A pro vědce pracující na jezerech a jiných vodních plochách je to „modelový“ druh.
Proč jsou dafnie tak milovány vědeckým světem? Za prvé, korýši rychle rostou a množí se. To znamená, že můžete rychle provádět experimenty.
Za druhé, v dobrých podmínkách se korýši rozmnožují partenogenezí. To znamená, že samice se ve skutečnosti klonují a jejich potomci jsou od sebe geneticky nerozeznatelní. To je velmi výhodné pro experimentátory. Je možné získat stovky geneticky identických zvířat a porovnat jejich reakce na různé faktory.
Za třetí, mohou se rozmnožovat nejen partenogenezí, ale také obvyklou sexuální metodou.
Za čtvrté, dafnie jsou neobvykle plastická zvířata. V reakci na různé faktory prostředí mění tvar a barvu, narůstají jim kníry a páteř. Všechny tyto změny mají nejčastěji ekologické vysvětlení – takto zvyšují svou adaptabilitu na podmínky prostředí. Za páté.
Obecně platí, že v ekologii existuje spousta důvodů, proč si vybrat Dafnie jako modelový druh. Vědci ale ke genetice přistupují již dlouho. Genom Daphnia, který byl dnes zveřejněn, obsahuje více než 30 000 genů – více než je počet genů v lidském genomu. Tato velikost genomu je z velké části způsobena velkým počtem „opakujících se“ genů. Genom dafnie obsahuje celé shluky identických genů. Nesouvisí to s jejich plasticitou a přizpůsobivostí podmínkám prostředí?
Dnes už zveřejnění dalšího genomu do vědecké komunity nepronikne. Článek proto spolu s genem samotným uvádí i příklady jeho využití pro ekologické a evoluční studie. Nyní je biologie postavena před úkol propojit makro a mikroúroveň. Tady je to například dafnie, o které víme, jak roste a rozmnožuje se. Ale existuje 30 000 genů, z nichž každý něco řídí. V ideálním případě bychom měli na genetické úrovni rozumět tomu, jak ke konkrétnímu účinku dochází. Například změna teploty způsobí, že se dafnie rozhodne pohlavně rozmnožovat.
Pro názornost uvedu následující příklad. Řekněme, že vaše auto nenastartuje. A vůbec nerozumíte jeho struktuře. Můžete vyjít ven a kopnout do kol, prásknout dveřmi. Je docela možné, že poté auto nastartuje. Otřes způsobil, že se potřebný kontakt někde uzavřel.
Dnes to fungovalo, ale zítra ne. Pokud auto znovu nenastartuje, budete muset kontaktovat servisní středisko, aby specialisté znovu připojili jeden vodič.
Stroj je v pořádku – příklad je primitivní a samotný stroj jako mechanismus není složitá věc. Pokud jde o živé bytosti, stále „kopeme“ v naději, že možná.
A nakonec krásný obrázek. Mapa obecného metabolismu u dafnie. Nepřipomíná to moc mikroobvod? Jen to není obvodová deska pro elektronické zařízení, ale jasný příklad toho, jak funguje živý organismus.
Stejný pokus porozumět jeho struktuře, aby v případě poruchy mohl být opraven ne kopnutím, ale utažením potřebné kabeláže.
Dříve v blogu Science o genomickém výzkumu:
- Genom
- Neandrtálský genom
- Skvěle-pra-pra-skvěle. děda za 100 babek!
- “Kolik stojí vytvoření genomu?”
PS. A nezapomeňte, že hlasování o nejlepší ruský vědecký blog pokračuje na webu STRF.ru
Drobní tvorové měřící jen několik milimetrů – proč je studovat? Je možné předpokládat, že obyčejná říční voda je domovem desítek, nebo dokonce stovek druhů mikroskopických korýšů, kteří mají své vlastní jedinečné vlastnosti a dokonce i styly plavání? Proč se jim říká nejstarší žijící Hyperborejci? Alexey Kotov, člen korespondent Ruské akademie věd, profesor Ruské akademie věd, hlavní vědecký pracovník Laboratoře ekologie vodních společenstev a invazí Severcovova institutu ekologie a evoluce Ruské akademie věd, pojednává o „ vesmír“ perlooček.
– Alexeji Alekseeviči, vím, že jste svůj vědecký život zasvětil drobným, doslova milimetrovým tvorům – perloočkám. Jsou toho opravdu hodni?
– Ano, samozřejmě, jsou hodni, i když moje volba je jako „životní dílo“ byla zcela náhodná. Stalo se to v prvním ročníku na biologické fakultě, když jsem přišel k Olze Iljiničně Chibisové, která předtím vedla kroužek pro školáky. Nabídla mi několik směrů na výběr. Mezi ně patřil i sladkovodní směr, do kterého jsem se vrhl hned od prvního ročníku, tedy téměř před čtyřiceti lety.
Pak mě Nikolaj Nikolajevič Smirnov, který v tomto ústavu pracoval, pozval, abych se připojil k jeho skupině. Měli k dispozici dvě pozice, to už byl rok 1994 a od té doby se tomuto tématu věnuji. Pokud jde o perloočky, jedná se o jeden z hlavních modelových vodních útvarů základní vědy. Nejznámějším zástupcem z nich jsou dafnie, na kterých se nejčastěji provádějí různé druhy experimentů.
– Dafnie je moucha Drosophila mezi hydrobionty.
– Dalo by se to tak říct. Rod Daphnia zahrnuje asi sto známých druhů a mnoho, mnoho neznámých. Existuje asi sto dalších rodů, které často vedou životní styl velmi odlišný od Daphnia. Mnohé například nejsou planktonické, sedí na dně nebo se plazí po některých rostlinách. Jsou poměrně různorodé, a jak jsem řekl výše, jedná se o modelovou skupinu pro několik oblastí biologických věd najednou.
Za prvé, je to modelová skupina pro studium biodiverzity. Dodnes je známo přibližně osm set padesát druhů perlooček, ale odhaduje se, že ve skutečnosti je jich asi třikrát tolik. Jsou rozšířeni po celé Zemi, i když žijí hlavně v kontinentálních vodách, nemají rádi mořskou vodu a existují i druhy, které se nacházejí v mořích a oceánech.
Dále jsou klasickými předměty různých ekologických, genetických a genomických studií. To je výhodné, protože životní cyklus stejné dafnie je velmi krátký, měsíc nebo dva. Proto na nich můžeme snadno provést nějakou genetickou práci. Právě dafnie je věnována 95 % všech prací o perloočkách.
– Cladocera – co to znamená? Opravdu mají rozvětvené kníry? Jakou roli hrají?
– Ve skutečnosti jsou jejich kníry antény. Spíše se jedná o analogy rukou, spíše než o kníry, i když na rozdíl od rukou se jedná o přívěsky hlavy. Antény jsou hlavním orgánem pohybu. Dafnie s nimi například plave a dělá veslařské pohyby. Navíc je legrační, že tyto pohyby lze posuzovat z hlediska plaveckých stylů. Existují například korýši perloočky, kteří plavou v motýlech, jako jsou dafnie. A jsou například tací, kteří skutečně plavou prsa.
– To je zajímavé.
– Antény se často používají k pohybu po substrátu – zdá se, že chodí po anténách po dně a s jejich pomocí se protlačují houštinami, ve kterých žijí.
– Jaké důležité vědecké objevy jste učinil při studiu těchto zvířat?
– Naše skupina pracuje v několika oblastech a všechny jsou docela zajímavé a mají obecný biologický význam. Naše skupina například popsala starověké korýše perlooček. Mimo jiné jsme našli a popsali pozůstatky dafnií z lokality v Mongolsku, které patří na rozhraní období jury a křídy, jejich stáří je 145 milionů let. To je důležitý bod pro kalibraci molekulárních hodin nejen pro dafnie, ale obecně pro všechny členovce.
Náš další projekt, který v současnosti podporuje ruská vědecká nadace, se týká fylogeografie. Tento přístup zahrnuje pokusy vysledovat historii jednotlivých druhů a skupin, včetně dafnií, na základě genetických dat. To znamená, že už nehledáme nějaké pozůstatky perlooček, ale porovnáváme genové sekvence v populacích z různých oblastí planety. Na základě těchto dat budujeme tzv. fylogenetické stromy, sítě haplotypů, podle kterých identifikujeme centra osídlení jednotlivých skupin, rodinné vazby mezi různými populacemi, přítomnost reliktních linií a podobně.
Výsledkem naší práce jsme došli k závěru, že refugia, tedy úkryty v chladné fázi pleistocénu, byly nejen na jihu Eurasie (podle očekávání), ale i na severu. Bez falešné skromnosti mohu říci, že naše skupina tímto směrem ve světě vede.
– Takže přežili v mrazu?
– Ano, v oblasti moderní oblasti Archangelsk a republiky Komi existovala po sobě jdoucí řada různých nádrží, kde zvířata nevyhynula po celý pleistocén. To znamená, že se tam v nejchladnějších obdobích pleistocénu nacházely bezledové vodní plochy, ve kterých přetrvávaly sladkovodní organismy.
Naším velmi důležitým počinem je také zveřejnění klíče ke korýšům perlooček severní Eurasie, podle kterého již nemůžete používat genetické metody, ale na základě vnějších charakteristik určit, který z nich je před vámi. Obecně platí, že poměrně hodně výzkumníků studuje perloočky, nikoli v oblasti základní, ale v aplikované vědě.
– Aplikováno v jakém smyslu?
– Naše výzkumné objekty nejsou pouze potravou pro ryby v utilitárním smyslu, jejich studium je základem jakékoli rybářské vědy. Pro tento účel existují speciální ústavy, které sledují zooplankton v přírodních vodních plochách a nádržích. Děje se tak nejen pro účely rybolovu, ale také pro účely ochrany životního prostředí.
V současné době se podílíme na vývoji zásadně nového přístupu – monitoringu vodních útvarů na základě environmentálního výzkumu DNA. K tomu nechytáme žádné živočichy, ale jednoduše odebereme vzorek vody, ve které plave DNA. Z jeho analýzy nyní můžeme získat seznam druhů organismů žijících v této nádrži. Nyní na této technice pracujeme, ale již se mluví o tom, jak tato technika následně získá nějaké kvantitativní ztělesnění. Již nyní se na základě environmentálního výzkumu DNA provádějí pokusy o kvantifikaci populace studované nádrže.
To je bohužel velmi obtížné, protože různé organismy produkují různá množství DNA a je to drahé. Ale přesto jsou tyto metody velmi důležité.
– Alexeji Alekseeviči, v jednom z vašich rozhovorů jsem četl, že perloočky pocházejí z Hyperborea. Co to znamená?
– Některé jejich skupiny jsou zřejmě skutečně severního původu. Podobné příklady jsou známy pro jiné organismy, ale je jich velmi málo. Jak jsem již řekl, bylo zjištěno, že v nejchladnějších dobách byly na severu jakési úkryty, útočiště, odkud pak probíhalo přesídlení, a to i na jih. A to je úžasný závěr. Tento příběh se opakuje na Dálném východě, kde osidlování jižních území včetně Primorye probíhalo ze zóny Berengia, která byla také útočištěm a také se nacházela na severu Eurasie. To je velmi nečekaný závěr našeho týmu během jeho práce v rámci grantu RSF.
– To znamená, že ty nízké teploty nějak vydržely. Co se nyní děje v souvislosti s globálním oteplováním?
„Změny v areálech našich korýšů je obtížné interpretovat, protože lidská činnost se stala mnohem důležitější pro jejich přerozdělování, které nemůžeme přesně oddělit od globálního oteplování. V důsledku antropogenního vlivu skutečně zažíváme změny v areálech mnoha druhů. Například v povodí Volhy, které bylo propojeno průplavy s jinými pánvemi, nyní proudí různé cizí druhy z povodí Černého moře a ty postupují na sever a naopak z oblasti Baltského moře a tito útočníci se naopak přesouvají na jih.
– Je to dáno i šířením korýšů?
– Ano, jistě. Mezi našimi korýši jsou velmi škodlivé invazní druhy. Teď třeba někteří podobní jižní nájezdníci z ponto-kaspické pánve pronikají do Volhy, už se přesunuli do Kamy, a to dost hluboko.
– Jaká je jejich škoda?
– Jedná se o dravé perloočky, kteří požírají menší plankton a mění tak jeho strukturu. Pokud například sežerou větší dafnie, posunou si tak poměry mezi počty různých řas, které tedy dafnie žerou. Přirozená rovnováha je narušena.
Příkladem nejničivější invaze je Velká jezera v Severní Americe, kde došlo k velké invazi několika cizích druhů, včetně perlooček. Dravé druhy sežraly některé druhy „mírumilovného“ planktonu a zcela změnily složení řas v jezerech. Daphnia Lumholtz byla také zavlečena do Severní Ameriky v důsledku náhodného zavlečení lidmi (během dovozu afrických ryb pro komerční chov) z Afriky, což se stalo zvláště zákeřným škůdcem. Je velký přibližně tři milimetry, ale na přední části hlavy a na zadní straně chlopní má velmi silné jehličky. Mladá ryba se na nich zasekne a zemře. Pokud se tedy tato dafnie dostane do rybníků, úplně zabije všechny mladé ryby v nich, což způsobí v rybářství škody za miliardy dolarů.
– Může a měl by člověk v této situaci něco dělat?
– Člověk by se měl ze všech sil snažit ničeho nedotýkat, to je hlavní. V této věci lze samozřejmě dát určitá doporučení, ale obecně je záměrné vysazování některých druhů zakázáno Úmluvou o biologické rozmanitosti, kterou naše země podepsala. Máme federální zákon, který říká, že jsme se k této úmluvě připojili, to znamená, že ji musíme dodržovat.
– Jak vypadá vaše laboratorní práce s korýši?
– Nejprve odebíráme vzorky. Metoda sběru je naprosto elementární. Pokud se některý z kolegů vydá do oblasti, která je pro nás zajímavá, pak mu můžeme dát malou síť, se kterou může chytat vzorky pro náš tým. Je fixován v alkoholu. Tyto vzorky vhodné pro molekulárně genetickou analýzu jsou uchovávány v chladničce.
Vzorek je malá nádobka a zde máme pozoruhodnou výhodu oproti kolegům, kteří se například věnují studiu savců, protože v této nádobce můžeme mít třicet druhů takových korýšů. V současné době máme uloženo přes sedm tisíc vzorků, jejichž zvířata jsou druhově rozlišena a tato data jsou zanesena do speciální databáze. Pokud to uděláte s některými savci nebo rybami, nepotřebujete ani speciální muzeum, ale nějaký muzejní komplex. A ledniček máme jen pár.
– Jak často vás tato stvoření překvapí?
“Nikdy nás nepřestanou udivovat.” Ve skutečnosti jsou naše zvířata celý vesmír, který byl studován po velmi dlouhou dobu, ale záhad neubývá. Na jednu stranu jsou zcela neviditelní. Přijdete k rybníku a je to, jako by ve vodě nic nebylo. Jeden z mých přátel hodil planktonovou síť, sebral vzorek a řekl mi: “Podíval jsem se na sklenici, ale nic tam nebylo.” A podívali jsme se pod mikroskop – dvaadvacet druhů! Život je v plném proudu. A jak rozmanité!