Prvoci v moři vytvářejí 50 % kyslíku na planetě. Stačí málo a přestanou

Mořské mikroorganismy produkují 50 % veškerého kyslíku na této planetě, ukládají oxid uhličitý a tvoří i většinu celé oceánské biomasy. Stačí, aby se v oceánu změnilo pH, a můžou své funkce přestat plnit, říká v rozhovoru Seznam Zpráv kapacita v oboru výzkumu mořských prvoků Julius Lukeš.

Rozhovor vznikl u příležitosti předávání cen Akademie věd, kde si vědec z Parazitologického ústavu AV ČR v Českých Budějovicích tento měsíc převzal ocenění za mimořádné výsledky.

Těch dosáhl při výzkumu mořského prvoka Diplonema papillatum, který jeho tým de facto objevil a následně z něj udělal i laboratorní model pro mořské biology po celém světě. O to samé se pak s jinými prvoky ve společném projektu, který Lukeš zaštiťoval, pokusily desítky pracovišť včetně těch nejprestižnějších jako například Harvard, Cambridge a další. To otevřelo bránu pro nové poznání těchto jednobuněčných organismů, jejichž studium nám podle Lukeše jednou umožní zodpovědět klíčové otázky týkající se vzniku života.

Jak mořští prvoci ovlivňují náš život?

To má víc aspektů. Mořské mikroorganismy v první řadě produkují 50 % veškerého kyslíku na této planetě. My všichni vidíme, a tudíž prožíváme, když hoří například deštné pralesy na Borneu nebo v Amazonii, ale ono stačí, aby se nepatrně změnilo pH či teplota vody v oceánu, a to významně zahýbá s prvoky. To my však hned neuvidíme, dozvíme se to až se značným zpožděním a už bude problém cokoli s tím dělat.

Druhou klíčovou schopností těchto prvoků je ukládání oxidu uhličitého, tak masivně produkovaného naší civilizací. Při fotosyntéze ho prvoci navážou a po jejich krátkém životě klesnou na oceánské dno, kde se oxid uhličitý na miliony let uloží.

No a konečně jsou prvoci zásadní kvůli jejich postavení v potravinové pyramidě. Víme toho už opravdu hodně o žralocích či velrybách, ale je třeba si uvědomit, že tito charismatičtí tvorové představují i při jejich obrovské hmotnosti jen nepatrný zlomek života v moři, jehož naprostá většina je pouhým okem neviditelná. Právě tito nepatrní členové mořského planktonu jsou potravou ryb a dalších organismů, které zase živí značnou část lidstva. Paradoxem je, že mořské prvoky i přes jejich gigantický vliv studuje mnohem méně vědců než třeba jen žraloky. Proto jsme se do party těchto vědců přidali i přesto, že nemáme moře.

Hodně se mluví o okyselování oceánů, nikoliv však o jeho vlivu na mikroorganismy. Vážně může funkci jednobuněčných organismů rozhodit i drobná změna pH?

Těch studií bohužel není moc, ale opravdu tomu tak je. Tyto organismy totiž mají většinou schránky například z vápníku či křemíku a při změně pH začnou mít problémy je vytvářet a tím pádem nemohou existovat.

Další věc je, že jsou prvoci velice hákliví i na teplotu. Když dojde k její změně, přesouvají se jinam a některé části oceánu začnou ztrácet život. Prvoci jsou na naší planetě už miliardy let a se změnou teplot si tudíž poradí, ale změny teplot v industriální éře se na ně dějí příliš rychle.

Prvoci, které studujeme, jsou například i součástí korálů. Jejich katastrofální vymírání na Velkém bariérovém útesu u Austrálie je v podstatě důsledkem toho, že jeden prvok, který žije s korály v symbióze, už zvýšenou teplotu nezvládá, zabalí to a krátce nato umírá i korál.

A my přitom zatím sotva tušíme, co jsou mořští prvoci zač?

Teprve posledních asi 10 až 20 let začínáme solidně zjišťovat, jací prvoci vlastně v moři žijí, kolik jich je kde, čím se živí a co se živí jimi. Velký pokrok v poznání mořských mikroorganismů přinesly zejména expedice francouzské lodi Tara podporované evropskými výzkumnými organizacemi stejně jako bohatými sponzory.

Značnou část vaší práce, za kterou jste získal ocenění, je vytvoření tzv. modelových organismů, což otevírá široké možnosti zkoumání prvoků. Můžete vysvětlit, co přesně to znamená?

Do nedávna se výzkum mořských prvoků dal dělat jedině tak, že jste měl buď mořskou stanici či loď, a tam jste prvoky sbíral a pozoroval. Jenže výzkumná loď stojí klidně padesát tisíc dolarů denně, což umožňovalo podobný výzkum jen pár vědcům z bohatých zemí. Cílem naším i řady kolegů bylo přenést alespoň některé prvoky do laboratoří, kde by se s nimi dalo levně pracovat. Dále jsme se pokusili vybrané prvoky přeměnit na tzv. modelové organismy, což znamená, že jim v laboratoři dovedeme vypínat a zapínat geny, a tím mnohem lépe pochopit, co se v jejich buňce děje.

Typickým představitelem modelového organismu z jiného oboru je octomilka. Dovede se v laboratoři rychle a levně množit, známe výborně její genetickou informaci a právě díky výzkumu na této mušce víme dneska o hmyzu hodně.

Ale vytvoření modelového prvoka je obrovské množství práce a navíc je velké riziko, že to prostě z nějakého důvodu neklapne. Protože vlády takový výzkum nerady podporují, vstoupila na scénu soukromá nadace Gordona a Betty Moorových (Gordon Moore je mimo jiné zakladatel firmy Intel, pozn. red.), která dává na výzkum a jiné bohulibé účely stamiliony dolarů ročně. Její majitelé hledali téma, které je pro lidstvo velmi důležité, ale z nějakého důvodu zaostává nebo není podporované. Moorova nadace vyhodnotila, že právě výzkum mořských prvoků patří do této kategorie, a rozhodla se do něj vložit hodně peněz a kousíček z nich jsme dostali i přímo my.

Zároveň je třeba ale dodat, že náš výzkum podporuje velkoryse i Akademie věd ČR, Ministerstvo školství a Grantová agentura ČR.

Jak se vám povedlo přesvědčit kalifornskou nadaci, že právě výzkum mořských prvoků je to, co hledají?

Vliv mohlo mít to, že jsem býval členem Kanadského ústavu pro pokročilý výzkum (CIFAR), s nímž nadace už v minulosti spolupracovala na vyhledávání svých výzkumných témat. Vždy to ale funguje tak, že nadace Gordona a Betty Moorových vypíše poptávku na určité výzkumné téma, přihlásí se vědci z celého světa a po náročném dvoukolovém hodnocení jsou peníze přidělené těm, kteří napsali nejlepší projekty či slíbili co nejvíc udělat. No a mezi těmi šťastlivci jsme se ocitli i my. Získali jsme zhruba tři čtvrtiny milionu dolarů.

Museli jsme překonat řadu potíží. Nadace například chtěla audit celé Akademie věd a podobné věci, což plyne z toho, že dosud nespolupracovala s vědci ze střední Evropy. Vše se podařilo zvládnout a má to navíc i ten efekt, že když naše laboratoř neselže, přesouvají se v budoucnu další pracoviště Akademie věd pro Moorovu nadaci do kategorie solidních partnerů a budou mít větší šanci dostat vlastní granty.

K roku 2020 jste ve spolupráci s desítkami laboratoří z celého světa vydali studii, která je příručkou pro studium mořských prvoků. Jak práce pokračuje?

Práce v Parazitologickém ústavu nebyla přerušena ani na jediný den během celé pandemie covidu-19. Bylo to nejen proto, že jsme na jejím začátku dělali jako první v jižních Čechách diagnostiku covidu, později sekvenování jeho variant a další s pandemií související výzkum. Vedle toho totiž běžel zcela naplno i další výzkum, který jsme se i přes náročné okolnosti snažili udržet v chodu.

Podařilo se nám v našich modelových prvocích objevit symbiotické bakterie a dostali jsme se na stopu toho, jak se prvoci orientují v obrovském vodním sloupci. Když si představíte, že běžný prvok je jen deset mikrometrů velký (tj. do milimetru se jich vejde stovka) a je v moři, které má hloubku třeba 2000 metrů, napadne vás otázka, jak ta pranepatrná buňka ví, kde je nahoře a kde je dole? Co když zrovna v místě, kde se prvok nachází, dojde potrava? Musí se přesunout, ale jak to udělá?

Ukázalo se, že prvoci jsou do sebe schopní natáhnout z moře vzácné prvky, tím měnit svoji hmotnost a podle toho stoupat či klesat. Když se v hlubinách nají a přijde další část roku, kdy je potrava naopak v menší hloubce, tak prvoci závaží zase odloží a cestují vzhůru.

Co všechno mořští prvoci mohou skrývat za tajemství?

Ti z nás, které zajímá příroda, kolem sebe vnímají zvířata a rostliny, a ještě také ví o neviditelných virech a bakteriích, na něž si vzpomenou, zejména když je bolí v krku či břicho.

Jenže 70 % rozmanitosti živých tvorů, co jsou teď na planetě, je skryto právě v prvocích. To však je jejich donedávna skryté tajemství. Když se totiž podíváte na nějakého prvoka pod mikroskopem, třeba na krásnoočko nebo krevničku, která způsobuje malárii, vypadají obě buňky hodně podobně. Jsou to drobné, mrskající se kuličky. Tyhle dvě kuličky se ale ve skutečnosti svou biologií liší jako člověk a pivní kvasinka. A to se donedávna nevědělo.

Co to vlastně znamená, když se něco molekulárně tak moc liší? Znamená to, že jeden nebo druhý organismus vznikl o hodně dřív?

Ano, znamená to, že třeba tito dva zmiňovaní prvoci se v evolučním procesu rozešli asi před miliardou let, zatímco člověk s pivní kvasinkou třeba jen před půl miliardou let.

Když se dva organismy v evoluci osamostatní a jdou vlastní cestou, platí, že čím déle po ní jdou, tím se stávají odlišnějšími.

Takže v mořských prvocích lze pátrat po odpovědích na otázku vzniku života a fungování evoluce…

Troufnu si tvrdit, že v prvocích je skryto 90 % odpovědí na otázky kolem evoluce a vzniku života. Prvoci tady byli dřív, než vznikly první mnohobuněčné organismy. A od té doby se moc nezměnili. Když se tedy díváme do jejich buněk, díváme se stamiliony let do historie této planety.

Setkává se toto se zvýšeným zájmem evolučních vědců?

Určitě ano. Před 10 lety by se ty nejlepší časopisy o prvoky zajímaly, pouze pokud způsobovali nějakou lidskou chorobu, ale teď už i do nich pronikla informace, jak jsou volně žijící prvoci zásadní. Začínají se na toto téma pořádat konference a vědecká komunita se rozrůstá. Takže něco se děje, ale stále platí, že kromě Evropské unie, USA, Kanady a Japonska do toho ostatní zatím peníze téměř nedávají.

Může poznání mořských prvoků přinést i nějaké praktické aplikace?

Jistě. V těchto organismech je obrovské množství genů a předpokládáme, že tam jsou metabolické dráhy, jejichž pochopení může znamenat obrovský pokrok při produkci kyslíku, fixování oxidu uhličitého a podobně. Vizionářské představy navrhují prudce zvýšit množství prvoků v pustých oblastech oceánu, což by umožnilo výrazné zvýšení rybolovu. Předběžné pokusy ukazují, že by to možné bylo.

O oceánu se hovoří také jako o posledním neprozkoumaném prostředí, které by mohlo být bohaté na protilátky využitelné pro nové léky, konkrétně třeba antibiotika proti rezistentním bakteriím. Je tohle jeden z možných pokladů, který ještě prvoci mohou skrývat?

Přesně tak, to už se začíná intenzivně studovat. Mořští prvoci se totiž také musí bránit bakteriím a brání se jim o hodně déle než my. O tomhle procesu jsme ale donedávna vůbec netušili, protože jsme o prvocích věděli tak málo. V tomto a dalších tématech je obrovský potenciál.

Může mezi mořskými prvoky být i něco, čeho bychom se měli bát?

Já bych řekl, že ne, žádnou takovou hrozbu nevidím. Že by se třeba odsud dostal na souš a mezi lidi nějaký virus, to si myslím vážně nehrozí.

Zrovna nedávno jsem četl výsledky globální studie zkoumající vzorky z oceánů, podle kterých se tam vědcům podařilo najít přes pět tisíc zcela neznámých virů. Je to tedy tak, že nikdo vlastně nemůže vědět, co všechno za patogeny v mořích je, ale zároveň se můžeme uklidnit tím, že z moře ještě žádné nebezpečí nepřišlo a z hlediska přírodních zákonů to ani nedává smysl?

Ano, oceán je úplná virová polévka. Ve skutečnosti jich je tam tolik, že kdyby se natáhla DNA z mořských virů do jednoho vlákna, bylo by dlouhé deset milionů světelných let a dosáhlo by k šedesáti nejbližším galaxiím. Tyto viry na nás ale opravdu nepřeskočí, ty si řeší své věci v moři a to je jiný svět.

Je oceán jediným rezervoárem neznámých prvoků? Nejsou třeba i v půdě?

Ano, jsou, a jejich pestrost je také obrovská. Ví se toho o nich ale ještě méně než o prvocích v oceánu. Mořští prvoci se začali intenzivně studovat někdy před deseti nebo patnácti lety, ti půdní tak zhruba před pěti.

Jak se vůbec stalo, že v čele světového výzkumu mořských prvoků stojí vědec působící v Českých Budějovicích, odkud je nejbližší moře stovky kilometrů?

Především bych byl opatrný s tím čelem výzkumu. Výzkum se proměňuje, ti, co byli v jeho čele včera, už dneska nejsou a naopak. Navíc není nejdůležitejší být v čele něčeho – podstatné je dělat pokud možno svobodně špičkový výzkum, z něj v minulosti přicházely ty největší objevy. To se v Akademii věd dělat dá, a za to jsem jí vděčný.

Mě prvoci zajímají celý život. Studoval jsem je na Univerzitě Karlově už před 40 lety, pak jsem se jejich studiem zabýval v Holandsku a Kalifornii, a nikdy mě bavit nepřestali, ba právě naopak.

Před 13 lety jsem se stal členem Kanadského ústavu pro pokročilý výzkum, který studie prvoků hodně podporoval. Tento ústav vychází ze zajímavého pohledu, a to, že americká věda je skoro ve všem lepší (to by mohla být inspirace i pro Českou republiku a její pozici vedle vědecky hvězdného Německa). Kanada se proto snaží podporovat hlavně takové výzkumy, ve kterých už je srovnatelná s USA, nebo pro ni mají zvláštní význam, třeba z hlediska jejího obrovského území. I proto podporuje výzkum těchto v uvozovkách bizarních organismů – oni jsou totiž prakticky všude, i v těch nejchladnějších arktických oblastech Kanady. No a navíc platí, že prvoci přestanou být bizarní v momentě, kdy se o nich hodně dozvíme.

Já snad přispěl trochu v tom, že jsem se vzdálenosti moře nezalekl a s kolegy jsme přinesli mořské prvoky do laboratoře. Mořské prvoky dřív opravdu mohly studovat jen přímořské státy, ale my jsme jejich výzkum zlevnili a umožňujeme ho tím dělat mnohem větší skupině vědců, což vždy otevírá dveře dalším výzkumům. Je to i zásluhou obrovského pokroku v molekulární biologii posledních let.