English
Życie powstało w wodzie, a to oznacza, że w oceanach ewoluuje ono znacznie dłużej niż na lądzie. W wyniku tego procesu powstała ogromna różnorodność organizmów, zwłaszcza drobnoustrojów, takich jak bakterie i archeony. Mikroorganizmy oceaniczne pełnią kluczowe funkcje w procesach biochemicznej przemiany materii i energii, które wpływają na stan oceanu, a ostatecznie na klimat Ziemi. Dlatego tak kluczowe jest poznanie różnorodności i zrozumienie funkcji organizmów zasiedlających oceany.
Naukowcy zastosowali zaawansowaną technikę zwaną metagenomiką do zbadania DNA wszystkich organizmów obecnych w próbkach wody oceanicznej, pobranych z różnych lokalizacji i stref głębokościowych oceanów na całym świecie. Na tej podstawie stworzyli tzw. globalny genom oceaniczny. To kompletny zestaw genów wszystkich organizmów morskich – od bakterii i archeonów, poprzez grzyby i rośliny, do zwierząt – wraz z informacją, jaką te geny kodują. Stanowi on fundament morskiej różnorodności biologicznej, funkcjonowania tych ekosystemów i wszystkich procesów biogeochemicznych w nich zachodzących.
Długa historia ewolucji życia w oceanie
Ocean jest największym siedliskiem na świecie. Pokrywa ponad 70 proc. powierzchni globu i gromadzi ponad 1,3 mld km3, czyli około 97 proc. całkowitych ziemskich zasobów wody. Również w oceanie powstały pierwsze formy życia na Ziemi i miało to miejsce około 3,9 mld lat temu. Długą ewolucyjną historię życia w oceanach ilustruje fakt, że spośród 34 znanych typów zwierząt tylko jeden (pazurnice Onychophora), występuje wyłącznie na lądzie, a wszystkie pozostałe mają swoich przedstawicieli związanych również ze środowiskiem wodnym. Biorąc pod uwagę, jak długo ewoluowało życie w oceanie, nie powinno dziwić, że charakteryzuje się on ogromną różnorodnością biologiczną. Większość organizmów go zasiedlających nadal pozostaje dla nas niezbadana.
Zdecydowanie najliczniej w oceanie reprezentowane są prokarionty, czyli organizmy jednokomórkowe, bez jąder komórkowych i wyspecjalizowanych organelli, które obejmują dwie grupy: bakterie (bakterie właściwe, eubakterie) i archeony. Chociaż mają one ze sobą wiele wspólnego, ważną cechą je odróżniającą jest obecność peptydoglikanu (mureiny) w ścianie komórkowej wielu bakterii, a jej brak u archeonów. Szacuje się, że w globalnym oceanie żyją ponad dwa miliony gatunków bakterii, jednak wciąż niewiele wiadomo ani o nich, ani o innych typach drobnoustrojów oceanicznych. Organizmy te są niezwykle trudne do badania, a ponad 99 proc. z nich nigdy nie zostało wyhodowanych w laboratorium.
Potęga metagenomiki, czyli odpowiedź na pytanie, kto mieszka w oceanie
Jedną z metod badania mikroorganizmów jest sekwencjonowanie ich DNA, czyli odczytywanie genomów (kompletu genów) organizmów. Przez wiele lat technika ta była procesem niezwykle czasochłonnym i podatnym na błędy, a poszczególne eksperymenty umożliwiały sekwencjonowanie jedynie krótkich odcinków łańcucha DNA. Na przykład sekwencjonowanie ludzkiego genomu w ramach międzynarodowego projektu Human Genome Project zajęło 13 lat (1990-2003) naukowcom z 20 instytucji na całym świecie, a ostatecznie prace zostały zakończone dopiero w 2021 r.
Niesamowity postęp techniczny w dziedzinie sekwencjonowania DNA nie tylko sprawił, że odczytanie całego genomu stało się szybsze, łatwiejsze i tańsze, ale także umożliwił on dynamiczny rozwój dziedziny zwanej metagenomiką. To badanie zbiorczej informacji genetycznej wszystkich organizmów zawartych w próbce ze środowiska, np. wody lub gleby. Informacje te mówią, jakie typy organizmów są obecne i jakie ekologicznie funkcje pełnią w badanych siedliskach.
Pierwsze badanie metagenomiczne oceanu zostało przeprowadzone w latach 2003-2004 w ramach ekspedycji Sorcerer II Global Ocean Sampling Expedition. Przeanalizowano wówczas zbiorowisko morskiego planktonu. W ciągu ostatnich 10 lat miały miejsce inne wyprawy, w tym ekspedycja oceaniczna TARA, podczas której, w latach 2009-2013, pobrano ponad 200 próbek z 68 stanowisk, głównie z górnej, epipelagicznej, części oceanu. Analiza metagenomiczna pozwoliła zidentyfikować 33,3 mln genów (dla porównania – genom ludzki zawiera ich 30 tys.).
Globalny genom oceaniczny, czyli ile genów mieści w sobie ocean
Skoro można zsekwencjonować DNA kawałka oceanu, dlaczego nie spróbować zrobić tego dla całości? Inicjatywę stworzenia pełnego „katalogu” globalnego genomu oceanicznego, nazwanego KMAP Global Ocean Gene Catalog 1.0, podjęli naukowcy z King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) z Arabii Saudyjskiej, a swoje wyniki opublikowali w styczniu tego roku na łamach Frontiers in Science [1, 2].
Korzystając z repozytorium danych genetycznych Europejskiego Archiwum Nukleotydów (ENA), zgromadzili dane metagenomowe z ponad 2 tys. próbek pobranych w ramach wcześniejszych badań. Większość z nich pochodziła z Pacyfiku (41 proc.) i Atlantyku (28 proc.), pozostałe z Oceanu Indyjskiego, Morza Śródziemnego, Oceanu Arktycznego i Południowego. Znakomita większość próbek (78,5 proc.) została pobrana z górnej strefy oceanu (głębokość do 200 m), a pozostałe ze strefy mezopelagicznej (głębokość 200-1000 m), z ciemnego oceanu (poniżej 1000 m), a także (ok. 4 proc.) z osadów strefy bentosowej, czyli z dna. Na drodze sekwencjonowania pełnego DNA w każdej próbce oraz identyfikacji poszczególnych genów naukowcy zidentyfikowali ponad 300 mln klastrów genów (grup genów o podobnej funkcji, kodujących blisko spokrewnione białka) obecnych w metagenomach oceanu.
Ostatnim krokiem było określenie, za co odpowiadają geny i z jakiego organizmu pochodzą. Dokonuje się tego na drodze porównania zidentyfikowanych sekwencji genów i kodowanych przez nie białek z istniejącymi bazami danych (repozytoriami genów). Naukowcom udało się zidentyfikować 52 proc. z nich, co jest wynikiem bardzo dobrym, ale i tak oznacza, że niemal połowa pozostaje nadal nieznana nauce.
Główni mieszkańcy oceanu to bakterie
Jeżeli komuś się wydaje, że głównymi mieszkańcami oceanów są ryby, to jest w błędzie. Analizując te klastry genów, które można było powiązać z określonym typem organizmu i dla których dostępne były informacje funkcjonalne, naukowcy stwierdzili, że ponad 78 proc. genów we wszystkich analizowanych próbkach należało do bakterii, 12 proc. do eukariontów (organizmów, których komórki zawierają jadro komórkowe z chromosomami – zwierząt, roślin i grzybów), a pozostałe 10 proc. do archeonów i wirusów.
Jednak geny tych czterech głównych typów organizmów oceanicznych nie są równomiernie rozmieszczone we wszystkich strefach głębokościowych oceanu, chociaż we wszystkich dominantami były bakterie (stanowiąc od 77 do 88 proc.). Na przykład geny organizmów eukariotycznych i wirusów były częściej identyfikowane w strefie epipelagicznej (górne warstwy oceanu) niż w głębokim, ciemnym oceanie, a w przypadku archeonów było odwrotnie. Nie jest to zaskakujące, ponieważ warunki w różnych strefach głębokości są zróżnicowane (szczególnie pod względem temperatury i dostępu do światła), tworząc nisze ekologiczne dla różnych typów organizmów.
Co ciekawe, w strefie mezopelagicznej ponad połowę zidentyfikowanych grup genów eukariontów stanowiły grzyby, co sugeruje, że organizmy te odgrywają ważniejszą rolę w procesach oceanicznych, niż wcześniej sądzono.
Metabolizm drobnoustrojów może wpływać na klimat Ziemi
Naukowcy szczegółowo przyjrzeli się także genom związanym z metabolizmem drobnoustrojów, który utrzymuje oceany w zdrowiu, kontrolując przepływ składników odżywczych i energii. Niektóre z tych procesów mają zasadnicze znaczenie dla obiegu pierwiastków, takich jak węgiel, azot i siarka, przez co mogą wpływać na klimat Ziemi. Połowa wszystkich genów związanych z metabolizmem brała udział w przetwarzaniu związków węgla, tj. dwutlenku węgla (CO2) lub metanu (CH4), jako źródeł energii. Oba gazy zaliczamy do cieplarnianych i przyczyniają się one do globalnego ocieplenia.
Podobnie jak w przypadku zmienności taksonomicznej, tak i tu stwierdzono duże zróżnicowanie pomiędzy strefami głębokościowymi oceanu. Ponad 40 proc. opisanych klastrów genów występujących w próbkach ze strefy przydennej (bentosowej) było zaangażowanych w procesy metaboliczne, podczas gdy w strefie pelagicznej takich klastrów było zaledwie 25 proc.
Niektóre bakterie i glony wykorzystują fotosyntezę do przekształcania CO2 w węglowodany w obecności światła słonecznego, pochłaniając w ten sposób CO2 z atmosfery. Ale fotosynteza nie jest jedyną drogą, którą organizmy oceaniczne wykorzystują do metabolizowania węgla. Poza tym szlaki metabolizowania metanu nie wymagają światła i mogą zachodzić w głębinach oceanicznych i strefach przydennych. Duży udział klastrów genów zaangażowanych w metabolizm metanu w strefie przydennej świadczy o ogromnym znaczeniu tego słabo poznanego obszaru oceanu dla obiegu węgla w przyrodzie.
Po co nam katalog genów oceanicznych?
Katalog genów oceanicznych KMAP 1.0 składa się z około 163 mln opatrzonych adnotacjami klastrów, dostarczających informacji o rodzajach organizmów żyjących na różnych głębokościach oceanu i funkcjach, jakie pełnią. Globalny genom oceanu to znacznie więcej niż tylko prosty katalog żyjących tam organizmów i ich funkcji. Ma on też ważne zastosowania w różnych dziedzinach badań i przemysłu.
Katalog zawiera informacje o genach kodujących białka, które mogą być przydatne przy opracowywaniu leków, w rolnictwie i innych gałęziach przemysłu. Przyczynia się też do lepszego zrozumienia różnorodności biologicznej oceanów, poszerza wiedzę na temat miejsc występowania różnych drobnoustrojów i ich roli w procesach biogeochemicznych, kształtujących stan ekosystemów i istotnych dla zmiany klimatu. Umożliwia śledzenie wpływu działalności człowieka na życie morskie. Może służyć jako punkt odniesienia do monitorowania skutków globalnego ocieplenia, zanieczyszczenia i innych antropogenicznych zmian w środowisku morskim. W końcu może być wykorzystany do wyznaczania kierunków przyszłych badań, do formułowania tez badawczych dotyczących określonych siedlisk, grup organizmów czy innych obszarów biologii morskiej.
Kolejne kroki w budowaniu globalnego genomu oceanu
Autorzy przytoczonych badań wskazują kilka obszarów, które wymagają dalszych prac w celu pełniejszego rozpoznania globalnego genomu oceanu. Jednym z priorytetów jest zwiększenie liczby próbek ze stref głębinowych i dna oceanów, które są środowiskiem bardzo zróżnicowanym, a słabo zeksplorowanym i prawdopodobnie kryją jeszcze wiele nieodkrytych genów i funkcji. Innym ważnym zadaniem jest rozszerzenie analizy o RNA wirusów.
Autorzy wymieniają też kilka wyzwań technologicznych, w tym konieczność zwiększenia mocy obliczeniowej niezbędnej do analizy metagenomów w miarę dodawania nowych genów do istniejących repozytoriów oraz ulepszenie technik ich identyfikacji. Może to pomóc w sklasyfikowaniu 48 proc. klastrów genów, których autorom nie udało się scharakteryzować, a także w sekwencji metagenomów, w przypadku których nie zidentyfikowano żadnych genów.
Globalny genom oceanu, nawet po ukończeniu prac nad sekwencjonowaniem, będzie wymagał regularnej aktualizacji, ponieważ ocean nieustannie się zmienia. Oznacza to, że aby w pełni zrozumieć, monitorować i wykorzystać złożoność jego różnorodności biologicznej potrzebna jest stała współpraca naukowa na skalę globalną.
W artykule korzystałam m.in. z prac:
[1] Laiolo E., Alam I., Uludag M., Jamil T., Agusti S., Gojobori T. et. al. (2024). Metagenomic probing toward an atlas of the taxonomic and metabolic foundations of the global ocean genome. Front. Sci. 1:1038696. doi: 10.3389/fsci.2023.1038696
[2] Laiolo E., Alam I., Uludag M., Jamil T., Agusti S., Gojobori T. et al. (2024) The Global Ocean Genome: A “Catalog” of Ocean Life. Front. Young Minds. 12:1052361. doi: 10.3389/frym.2023.1052361
