Miloš Barták: V labyrintu Antarktidy

Email Tisk PDF

 

Barták Miloš foto veda muni czNejen lidé, ale i rostliny pociťují stres. Výjimkou nejsou ani lišejníky vyskytující se na tak nehostinném kontinentu, jakým je Antarktida. Biolog Miloš Barták (vlevo na fotografii pracoviště MUNI) se zabývá fyziologickými mechanismy, které napomáhají přizpůsobení lišejníků na nepříznivé podmínky. V těchto organismech spatřuje i velký biotechnologický potenciál. Otvíráme novou kapitolu farmaceutického průmyslu?

 

 

 

Vzdálený, ledovcem pokrytý bílý kontinent – to je pro většinu z nás Antarktida. Není však zcela prost lidské přítomnosti. V období krátkého antarktického léta a na některých stanicích i celoročně probíhá intenzivní výzkum. Profesor Miloš Barták se zamýšlí nad tím, jak správně označovat badatele polárních oblastí. „Je faktem, že doba polárníků romanticko-dobyvatelské éry už pominula v polovině minulého století. Slovo polárník se nyní významově posouvá od prvotního expedičního dobyvatele ke specialistovi – vědci, který je trvale profesně spjat s Arktidou či Antarktidou. Pokud bychom termín polárník chápali takto, je přirozené jej v tomto významu používat v běžné i odborné mluvě,“ říká.

 

Od výstavby a otevření české stanice v Antarktidě uplynulo již 10 let. Můžete jako stálý člen antarktických expedic vypíchnout tamní české vědecké úspěchy v oboru biologie?

Česká mikrobiologická škola má ve světě dobrý zvuk. Přispívá k němu i brněnská mikrobiologie díky nově popsanému druhu antarktické bakterie Pseudomonas prosekii. Pražští a jihočeští kolegové se soustřeďují na poznání druhové diverzity sinic a rozsivek ostrova Jamese Rosse. Za nejhodnotnější výstup považuji dlouhodobé spojité měření fotosyntézy polárních autotrofů přímo v terénu. Autotrofové nebo chcete-li producenti, jsou organismy, které získávají uhlík pro tvorbu energie z anorganických látek. Patří sem i fotoautotrofové – zelené fotosyntetizující organismy, které s kolegy zkoumám. Máme k dispozici několikaletou řadu terénních dat vztahujících se k fotosyntéze mechů rodu Bryum. K obrovskému rozvoji dochází na poli mikrobiologie a v oblasti hierarchického uspořádání řas, sinic a bakterií.

 

Tyto objevy vyvracejí představu o Antarktidě coby pustém místě planety…

Život v podobě rostlinných a živočišných druhů nalezneme v Antarktidě ukrytý a v menším rozsahu než v jiných částech světa. Ve chvíli, kdy odeberete vzorky půdního substrátu, mikrobiálních povlaků či půdních krust v ekosystému polární pouště, pro kterou jsou typické kamenité a suťovité úseky, zjistíte, že povrchová vrstvička jeden až dva milimetry tlustá je „oživená“ desítkami druhů mikroorganismů. Jedná se o mikrokosmos tvořený různorodou směsí mikroorganismů.

 

V přípravě je publikace o nově popsané bakterii Pseudomonas gregormendeli, která je pojmenovaná po zakladateli genetiky Gregoru Johannu Mendelovi. Prostor k „dobývání“ zajímavých informací a nových druhů je značný. Jak probíhá výběr druhového jména?

Mikrobiologové vzorky ze sběrů sezóny 2007/2008 zpracovávají a klasifikují tak, aby je mohli hierarchicky zařadit do systému mikroorganismů. Ke správnému zařazení používají především vyspělé molekulárně-biologické metody, které upřesňují, ke kterému druhu organismu vzorek náleží, nebo zda se jedná o dosud nepopsaný druh. Bakterie Pseudomonas prosekii je pojmenovaná na počest „otce zakladatele“ první české vědecké stanice na Antarktidě – prof. Pavla Proška. Od příjmení českého vědce je odvozeno latinské druhové jméno prosekii. Vědecká nomenklatura se řídí přesnými pravidly. Druhové jméno by mělo v ideálním případě korespondovat s výrazným morfologickým, anatomickým nebo metabolickým rysem popisovaného organismu. V oboru polární mikrobiologie jsou druhová jména tohoto typu značně vyčerpána. Volí se proto zpravidla geografické označení nebo pojmenování podle významné osobnosti.

 

Z důvodu ohrožení polárních oblastí globálním oteplováním se této problematice připisuje prioritní význam. Sledujeme změny v tloušťce ledovců, tání trvale zmrzlé půdy čili permafrostu. Můžete tento trend dokumentovat i na výsledcích experimentů z tzv. open top chambers – komor s otevřeným vrcholem?

elké Británie, Chile a Argentiny jednoznačně potvrzují nárůst teploty v oblasti Antarktického poloostrova, který se dle lokality pohybuje v rozmezí 1,5 až 2,5 ˚C v průměrných ročních teplotách. Jako stresoví fyziologové tyto klimatické procesy navozujeme přímo v terénu pomocí komor s otevřeným vrcholem, jakýchsi malých skleníků. Experimenty podporují hypotézu o rozrůstání vegetace; tam, kde je dostatek kapalné vody, se plocha vegetačního krytu vlivem oteplování zvětšuje. Odpověď vegetace je však dvojsečná a závisí na spolupůsobících faktorech, z nichž limitujícím je právě zásobenost vodou. V sušších oblastech může dojít ke snížení druhové diverzity a v krajním případě i k úbytku vegetace.

 

Dají se tyto dílčí závěry aplikovat na chování celé planety nebo se jedná o příliš odvážné zobecnění?

Polární ekosystémy jsou vzdálené civilizačním centrům a aplikace výsledků se neděje přímo. Oblasti kolem pólů Země fungují jako obrovské tepelné výměníky; vyrovnávají krátkodobé extrémy i dlouhodobé cykly ve změně klimatu. Ty však v posledních deseti letech výrazně akcelerují. To, co bylo vědci před patnácti lety považováno za katastrofický scénář, se v některých polárních oblastech nejen naplnilo, ale bylo realitou překonáno. Plocha i mocnost jednoročního ledového zámrzu jsou spolu s trvalým zaledněním negativně ovlivněny klimatickými změnami, což má dopad i na jevy celoplanetární. V případě Antarktidy souvisí například s fenoménem El Niño v důsledku ovlivnění proudění a teploty vzdušných i vodních mas.

 

Poloha ostrova ležícího na závětrné straně Antarktického poloostrova spoluurčuje klimatickou variabilitu. Skýtá specifické badatelské možnosti?

Pro český polární výzkum je geografická poloha stanice velkou devizou. Většina pobřežních stanic se nachází v oblasti tzv. vlhké, oceánické Antarktidy, kde pozorujeme bohatou biodiverzitu mechů, lišejníků, zelených mikroorganismů a na ně navázaných živočichů. Část stanic je lokalizována v kontinentální Antarktidě. Zázemí českých vědců se nalézá v odledněné přechodové oblasti mezi těmito dvěma, přičemž suchozemská společenstva zde tvoří velice pestrou mozaiku, jež nám umožňuje zkoumat jejich druhovou různorodost.

 

Vaší doménou je studium ekologicko-fyziologických vlastností vegetace. V čem spatřujete hlavní důvod výzkumu primárních producentů polárních pouští?

Orientuji se na organismy, které úspěšně přežívají na samém prahu podmínek existence. Výzkum primární produkce a fyziologických procesů, které k ní vedou, má velký význam z hlediska funkce polárních ekosystémů a jejich stability. Na základě získaných výsledků chceme s kolegy předvídat reakci jednotlivých ekosystémů na oteplování. Říct, do jaké míry budou antarktické vegetační oázy či jejich komponenty stabilní.

 

Jednou ze specifických nik arktických druhů řas jsou duté chlupy ledního medvěda, který je pak díky nim nazelenalý. Kde všude řasy, sinice a lišejníky nalezeme na Antarktidě?

S troškou nadsázky se dá říct, že řasy a sinice naleznete úplně všude, jen je třeba umět hledat. Mezi neobvyklá, avšak velmi zajímavá místa patří kameny a v nich skrytá vegetace. Drobné řasy a sinice jsou pozorovateli skryty v hloubce 2 až 4 milimetrů. Po rozštípnutí kamene uvidíte tenkou zelenou vrstvičku indikující přítomnost autotrofa, který dokáže využít velice malé dávky záření pronikajícího do takového místa. Ale není tam sám. Ve štěrbinách mezi minerálními zrny kamene najdeme desítky druhů řas, sinic, ale i hub a bakterií.

 

Jaký faktor je z hlediska výskytu antarktických řas, sinic, lišejníků a mechů zcela zásadní?

Polární fotosyntetizující organismy odolávají široké škále fyzikálních faktorů pro člověka těžko představitelných. Limitním činitelem je však dostupnost vody. Pokud se jí nedostává, využijí řadu adaptačních mechanismů jak přežít. Při vyschnutí přechází do neaktivního stavu, aniž by se poškodily. Na přítomnost vody pak reagují její rychlou absorpcí a obnovením základního metabolismu.

 

Některé organismy se umějí zdárně vyhnout stresu nebo se s ním „sžít“. Jakým mechanismům se věnuje výzkum aklimace a adaptace?

Některé fotosyntetické mikroorganismy mohou dlouhé roky přežívat bez metabolické aktivity v podobě spor v půdním profilu či v ledu. V příznivých teplotních a hydrických podmínkách spouštějí svou aktivitu, množí se a reagují na fyzikálně-chemické změny. My se orientujeme na biochemické mechanismy, zejména syntézu látek, které mají specifický ochranný úkol proti konkrétnímu negativnímu faktoru prostředí. V podmínkách, kdy na lišejník dopadá zvýšené množství UV záření, se organismus musí chránit před jeho negativními účinky. K tomuto účelu vytváří desítky látek, které jsou schopné pohltit nadměrné dávky záření z UV i viditelné části spektra. Představte si to jako opalovací krém s UV filtrem, který si rostliny dokážou samy vyrobit. Jestliže je kapacita těchto obranných mechanismů vyčerpána, organismus se vyhýbá stresu například formou vyschnutí, kdy je rezistentní proti extrémním podmínkám.

 

Jaká je cesta vzorků do laboratoře?

Cestujeme i 14 dní, takže se vzorky snažíme ochránit proti teplotnímu stresu, kterým by mohly být poškozeny. Například psychrofilní, chladnomilné bakterie usmrcuje již teplota nad 5 ˚C, proto se takové vzorky před cestou fixují v tuhých živných médiích, tzv. agarech, případně se ochladí či zamrazí. Vzorky řas, lišejníků a nárůstových společenstev vysoušíme a převážíme v suchém stavu. Před experimentem proto musíme vzorek „oživit“ pomocí řízené rehydrace; pomalu vzorek namáčíme do vody. Nejprve proces probíhá ve tmě v řádu několika hodin a poté 48 hodin na mírném světle, pro laiky ve velmi mírném polostínu, tak, aby se voda dostala do všech buněčných struktur. Tímto postupem jsou spuštěny metabolické mechanismy, které v organismu probíhají na jeho přirozeném stanovišti. Taková rehydrace zajišťuje, že všechny biologické procesy budou postupně reaktivovány a i na nejnižších stupních v měřítku molekul dojde k reparaci poškozených částí.  

 

Existují nějaké limity pro odběry vzorků v Antarktidě či legislativní omezení?

Před expedicí je namístě důkladné plánování s přesností na několik kilogramů či gramů, podle charakteru vzorků. Většina biologických disciplín vystačí s gramovými množstvími experimentálních vzorků. V průběhu expedice vyhotovíme přesný seznam, který posíláme přes satelit na ministerstva životního prostředí zemí, kterými projíždíme. Jedná se o nutný krok, protože například Argentina eviduje vývoz veškerého genetického materiálu, tudíž musíme čekat na souhlas. Řada vzorků cestuje v chlazených boxech náročných na energii. Materiál pro vědecké zpracování je nejen vzácný, ale i relativně drahý, když bereme v potaz náklady na jeho sběr a dopravu.

 

Jak z hlediska aplikovaného výzkumu těžíte z vysoké míry odolnosti rostlin a lišejníků?

Celosvětově je výzkum orientován k poznání kapacity syntézy látek, které mají významnou biologickou aktivitu, například léčivý účinek. Problematika těchto tzv. sekundárních metabolitů má velký potenciál i šíři záběru od farmaceutického využití až po biotechnologickou praxi. Zajímavou skupinou látek je celá škála pigmentů, které jsou schopné zachytit sluneční energii a chránit tak organismus před nadbytečným a škodlivým zářením. Naproti tomu antioxidanty zhášejí kyslíkové radikály tvořené ve fotosyntetickém aparátu při silném stresu. Organismus tím chrání před negativním vlivem reaktivního kyslíku, který ničí pigmenty, poškozuje proteiny a další skladebné součásti organismu. Největší možnosti spatřuji v antibakteriálních a antimykotických účincích sekundárních metabolitů. Jelikož se díky těmto látkám dokáže lišejník bránit proti nežádoucím bakteriím a houbám, jedná se o perspektivní skupinu látek, které proti patogenům bojují přirozeně.

 

A jejich reálný potenciál pro farmaceutický průmysl či biotechnologickou praxi?

Účinnost těchto látek se testuje pro využití ve farmaceutickém průmyslu. Poznání kapacity syntézy a produkce účinné látky je důležitým aspektem pro uplatnění v biotechnologiích. Jedná se o průkopnický výzkum, přičemž analogické studie probíhají i u mořských organismů, respektive jejich metabolitů. Je třeba látku izolovat, identifikovat, dokázat ji chemicky popsat a vysvětlit mechanismus účinku, což mnohdy vyžaduje složitý komplex pokusů. Z ekonomického hlediska probíhá syntéza zatím velice pomalu.

 

Do jaké míry jsou zjištění z polárních oblastí přenositelná pro základní výzkum fyziologie rostlin střední Evropy?

Výstupy z antarktického výzkumu mají dopad i na experimenty probíhající na vyšších rostlinách. V laboratoři jsme vyvinuli biofyzikální techniku, která velice rychle dokáže kvantifikovat odolnost organismu vůči mrazu. Při srovnávacích měřeních antarktických autotrofů s planými rostlinami střední Evropy jsme sice potvrdili vyšší odolnost antarktických druhů, ale překvapila nás například otužilost smetánky lékařské. Svůj listový aparát rozvíjí v časném jaře, kdy se ranní teploty pohybují kolem bodu mrazu. Mladý list, podrobený identickému protokolu měření, vykazoval podobnou rezistenci fotosyntézy vůči nízké teplotě jako polární druhy.

 

 

Slovníček pojmů

Aklimace je jedním z významných mechanismů, kterým se organismy přizpůsobují změnám vnějšího prostředí (např. teploty). Jedná se o fyziologickou změnu uskutečněnou během života jedince, která podmiňuje lepší přežití organismu. Adaptace je fyziologická změna fixovaná dědičně; předávaná z generace na generaci.

Sekundární metabolity jsou organické látky, které organismus vytváří „navíc“ nad rámec své běžné biomasy. Nejsou zahrnuté do procesu vývoje, růstu a rozmnožování. Jejich nedostatek nezpůsobuje smrt, ale odráží se na snížené odolnosti organismu. Souvisí to s jejich specializovanými funkcemi, z nichž nejvyužitelnější je funkce ochranná. Jejich prostřednictvím se jedinec brání například vůči parazitům, nemocem či predátorům.

Antioxidanty jsou látky, které omezují aktivitu kyslíkových radikálů tím, že snižují riziko jejich vzniku nebo je přeměňují do méně reaktivních či nereaktivních stavů tak, aby v organismu nezpůsobovaly oxidativní poškození buněk.

 

 

Prof. Ing.Miloš Barták, CSc. je rostlinný fyziolog, jedním ze spoluzakladatelů polárního výzkumu v České republice a vědecký koordinátor antarktických expedic, absolvent Mendelovy univerzity v Brně, který se v Ústavu experimentální biologie Masarykovy univerzity zabývá stresovou fyziologií rostlin a výzkumem fotosyntézy antarktických lišejníků, řas a sinic.

 

 

Článek byl rovněž publikován v Literárních novinách č.10

 

AddThis Social Bookmark Button

Předplatné Literárních novin můžete objednat zde.

Aktualizováno ( Pondělí, 26 Říjen 2015 11:32 )  

banner Pidivadlo

Partneři

 Divadlo v Dlouhe logo  logo Českých center

VOŠH logo v barvě
www.vosherecka.cz