Mokslas ir IT

2020.01.19 07:00

JAV dirbantis Lietuvos mokslininkas: gali būti taip, kad mes patys esame marsiečiai

Tautvydas Lukaševičius, LRT.lt2020.01.19 07:00

Vieni pasaulio pažinimo slenkstį bando peržengti įgreitindami elementariąsias daleles, kiti planuoja kosminius skrydžius, tačiau yra ir tokių, kurie atsakymų ieško vandenynuose. Profesorių Ramūną Stepanauską, dirbantį „Bigelow“ vandenynų mokslo laboratorijoje JAV, norisi pristatyti kuo įdomiau – juk mokslininkai, tiriantys tai, ko nematome plika akimi, visada sužadina smalsumą.

Ar gyvybė į Žemę atkeliavo iš kitų planetų, o žmones galima tam tikra prasme laikyti marsiečiais? Kodėl bakterijos tokios sėkmingos ir galiausiai pasidaro atsparios mūsų sukurtiems antibiotikams? Kiek mililitre vandenyno vandens yra gyvybės?

Garsus mokslininkas, kurio publikacijos spausdinamos tokiuose leidiniuose kaip „Cell“, LRT.lt papasakojo apie fantastišką mikroorganizmų pasaulį, iš kurio ir maksiorganizmai (žmonės) turi ko pasimokyti.

– Ką žinome apie gyvybės atsiradimą Žemėje ir ko nežinome? Kokios mįslės vis dar neįmintos?

– Mes gana tiksliai žinome, kada atsirado gyvybė, ir turbūt keisčiausia yra tai, kaip greitai ji atsirado. Tai nutiko, kai pakankamai atvėso Žemės paviršius, kad formuotųsi sudėtingos organinės medžiagos. Yra įrodymų, kad per gana trumpą laiką gyvybė atsirado, o tai yra labai keista ir įdomu.

Kaip ji atsirado? Kaip organinės medžiagos tapo ląstelėmis? Ta dalis kol kas nėra gerai suprasta. Bet pati cheminė dalis, pavyzdžiui, iš kur atsiranda nukleotidai, aminorūgštys ir netgi sudėtingesnės medžiagos, jau yra gana gerai suprasta. Tą galima atkartoti laboratorijose ir tai net nebūtinai turi vykti Žemės paviršiuje. Yra pakankamai įrodymų, kad meteoritai ir kometos turi daug organinių medžiagų, kurios yra gyvybės dalis. Gali būti, kad daug jų buvo atnešta iš kitur.

Visgi tas momentas, kaip pereiti vien tik nuo chemijos iki biologijos, nėra gerai išaiškintas.

– Kokių sąlygų reikia pirminei gyvybei?

– Tada turime kelti klausimą, kas yra gyvybė. Tai žmonių sukurtas apibrėžimas, todėl jis yra labai subjektyvus. Nuo to, kokį apibrėžimą vartosime, priklausys ir atsakymas, ko jai reikia. Kol kas mes tik žinome vienintelę gyvybės formą, gyvybę, kurią mes pažįstame ir kuri egzistuoja Žemėje. Ji visa yra sudaryta iš nukleotidų, iš DNR arba RNR, kuri neša informacinę medžiagą. Ir iš baltymų, kurie vykdo pagrindines funkcijas.

Tokiai gyvybei egzistuoti reikalingas vanduo. Energijos šaltiniai ir patys elementai, kurie sudaro gyvybės pagrindą, pavyzdžiui, anglis, deguonis, vandenilis.

Labai svarbus energijos šaltinis, dėl jo organizmai gali atlikti savo funkcijas ir daugintis. Energijos šaltiniai gali būti įvairūs. Įdomu, kad dauguma žmonių turbūt mano, jog Saulė yra vienintelis šaltinis ir jis yra būtinas, tačiau mūsų planetoje yra vietų, kur gyvybė labai sėkmingai egzistuoja be saulės šviesos. Vienas iš pavyzdžių – povandeninės hidroterminės versmės. Jos išskiria tokias medžiagas, kurios reaguodamos su tam tikrais elementais sukuria energijos šaltinius. Tai vyksta giliai po vandeniu, kur nėra saulės šviesos.

Ten auga įvairios bakterijos, kurios oksiduoja sulfidus, vandenilį ir kitus redukuotus junginius. Tokius mikroorganizmus suvalgo didesni organizmai ir galiausiai sukuriama visa ekosistema. Bakterijų „kilimas“ kartais matyti plika akimi. Visa ekosistema išgyvena iš energijos, kuri gaunama įvairių vykstančių cheminių reakcijų metu.

Dar daugiau, jei čia, po LRT pastatu, gręšime skylę gilyn į žemę, rasime mikroorganizmų, kurie tikriausiai priklauso nuo tokių energijos šaltinių, kurie neturi nieko bendra su Saule. Yra įrodymų, kad kartais energijos šaltiniu organizmams gali būti ir uranas, kiti radioaktyvieji elementai. Jų skilimo produktai reaguoja su uolienomis ir pagamina redukuotus ar oksiduotus junginius, jie tampa maisto šaltiniu. Tai vyksta ir kitose planetose ir jų palydovuose, todėl gali būti, kad tokia gyvybė egzistuoja ne tik mūsų planetoje.

Galbūt nereikėtų apsiriboti gyvybės paieškomis vien tik kitų planetų paviršiuose.

– Tikite, kad gyvybė egzistuoja ir kituose pasauliuose?

– Aš mokslininkas, todėl nenoriu vartoti žodžio „tikiu“. Manau, kad sąlygos tokiai gyvybės formai egzistuoja ir tikimybė yra nemaža. Netgi yra spekuliuojama, sukurta hipotezių, kad Marse sąlygos gyvybei atsirado anksčiau nei Žemėje. Net teoriškai gali būti taip, kad mes patys esame marsiečiai. Saulės sistemos istorija rodo, kad bent jau teoriškai ji pirmiau galėjo susiformuoti Marse ir po to būti pernešta į Žemę ar kitas planetas. Įmanoma organizmams uolienoje užsikonservuoti ir meteoritais keliauti. Visgi tai tik įdomios teorinės galimybės, įdomūs pasvarstymai.

– Atsiprašau, jei mano klausimas pasirodys nesąmonė. Šiuo metu jau įrodytas žmogaus žarnyne esančių mikroorganizmų ryšys su žmogaus smegenimis. Galbūt žmogus tiesiog yra vieta (kūnas) tiems organizmams išlikti, daugintis ir jie mus valdo? Mes tik jų nešiotojai?

– Akivaizdus dalykas, kad žmogaus organizmas nėra tik jo ląstelės. Tai visa ekosistema. Mūsų kūne yra bent dešimt kartų daugiau mikroorganizmų ląstelių nei mūsų pačių ląstelių. Jie užkoduoja daug daugiau genetinės informacijos nei mūsų pačių genomas. Nėra abejonių, kad jie atlieka daug įvairių funkcijų.

Labai smagu, kad galų gale buvo atkreiptas dėmesys į jų reikšmę, nes iki šiol žmogaus mikrobiologija apsiribojo tik patogenų analize. Tai suprantama, nes įvairios jų sukeliamos ligos yra pavojingos, bet dabar pradedama skirti dėmesio ir likusiems organizmams, kuriuos mes nešiojame. Daugumos jų funkcijų vis dar nesuprantame. Jie gamina svarbius organinius junginius, kurie mums naudingi. Pavyzdžiui, vitaminus, kitas medžiagas. Jos tam tikra prasme veikia mūsų smegenis. Nedaryčiau to mistiniu dalyku, tai veikia mūsų nuotaikas, mūsų savijautą. Kai jaučiamės pakylėti ar pavargę, tai gali būti ir mikroorganizmų poveikis.

Jie gamina įvairius cheminius junginius, kurie per kraują pasiekia smegenis. Bet to veikimo supratimas dar yra ribotas.

– Kas padėjo padaryti proveržį, pakeisti tą suvokimą?

– Tai lėmė keli faktoriai. Pirma, technologijos, nes mikroorganizmus sunku kultivuoti. Tik neseniai pradėjome naudoti genetinius metodus, kurie nepriklauso nuo to kultivavimo laboratorijoje. Pagaliau atsirado įrankiai, kurie leido į viską pažiūrėti objektyviai.

Antra, pati medicininės biologijos kultūra yra konservatyvi. Pirmieji naujas mikroorganizmų tyrimų galimybes pamatė jūrų biologai. Klasikinė mikrobiologija, norint tirti vandenyje gyvenančius mikroorganizmus, buvo nepakankama. Tie metodai, kuriais dabar tiriamas žmogus, pirmiausia buvo išvystyti jūrų biologų.

– Kokios „karščiausios“ temos jūsų pasaulyje? Apie ką daugiausia diskutuojate su kolegomis mokslininkais?

– Mano specializacija yra vienos ląstelės genomika. Aš esu vienas iš šios srities pradininkų ir lyderių. Mes radome būdą, kaip skaityti genomus iš individualių mikroorganizmo ląstelių net nebandant jų kultivuoti. Galbūt reikia paaiškinti, kas yra genomas? Genomas yra visų genų visuma organizme. Genomas yra kaip organizmo brėžinys. Tas brėžinys yra labai informatyvus, jei žinai, kaip jį skaityti. Genomai susideda iš keturių raidžių (A, C, G, T). Visos gyvybės formos, kurias mes šiuo metu žinome, visų jų genomai yra parašyti iš šių raidžių.

Mūsų pačių genomai turi apie tris milijardus raidžių. Bakterijos turi tarp vieno ir penkių milijonų raidžių. Tos raidės pirmiausia formuoja genus, genas yra genomo dalis, kuri užkoduoja tam tikrą funkciją, dažniausiai tai yra baltymas. Tų genų bakterijoje yra tarp tūkstančio ir kelių tūkstančių. Dažniausiai to genomo nuskaitymas yra daug informatyvesnis nei kitos priemonės.

Galima iliustruoti automobilio analogija. Jeigu žiūrime iš išorės, mes gauname ne tiek jau daug informacijos. Bet jei pažiūrėsime į brėžinius, iš karto žinosime, ar tai benzinu, dyzeliu, elektra varomas automobilis. Dauguma bakterijų iš šalies yra labai nuobodžios, bet, pažiūrėjęs į jų genomus, supranti nuostabią jų įvairovę, kuri išsivystė per tuos keturis milijardų metų. Ta įvairovė yra žymiai didesnė nei visų didelių organizmų, kuriuos matome plika akimi. Gyvūnai ir augalai sudaro tik kelias mažas šakeles ant gyvybės medžio. Nors iš išorės atrodo labai panašiai, mikroorganizmai vykdo skirtingas funkcijas, yra gyvybės medžio pagrindas.

Jie vienas nuo kito skiriasi labiau nei žmogus nuo grybo.

Pavyzdžiui, kai kurios bakterijos kvėpuoja deguonimi, kitos – nitratais ar geležies formomis. Vienas mūsų naujausių tyrimų rodo, kad bakterijos, kurios gyvena požemiuose, ko gero, visiškai nekvėpuoja.

Kitas mano ir kolegų tyrimas, kuris buvo publikuotas prestižiniame žurnale „Cell“, domėjosi, kokia apskritai vandenyne yra mikroorganizmų įvairovė, kaip ją galima objektyviau kiekybiškai suskaičiuoti, sudaryti planą, kaip ją tirti ir panaudoti. Tyrimas paremtas 28 mėginiais, kurie buvo paimti iš Atlanto ir Ramiojo vandenyno.

Iš vieno nedidelio lašo dydžio mėginio, paimto Sargasų jūroje, sekvenavome per 6 tūkst. bakterijų genomų. 2013 metais tiek genomų sekvenavo visas pasaulis. Tai rodo, kaip greitai šita sritis vystosi, be to, kiek daug informacijos yra viename laše vandens. Ir tai yra mažiau nei vienas procentas to, kas tame laše yra. Mililitras vandenyno vandens turi apie milijoną bakterijų, dešimt milijonų virusų, kelis tūkstančius eukariotinių organizmų. Viename laše yra džiunglės, visa ekosistema.

Tirdami tą lašą pamatėme, kad net jame sunku surasti panašias ląsteles, kurias galėtum laikyti vienos rūšies. Jos visos labai skirtingos. Dauguma jų skiriasi viena nuo kitos labiau nei žmogus nuo karvės. Tą svarbu suprasti, kad objektyviai galėtume tirti gamtą. Dar daugiau, tai kelia klausimų apie rūšies apibrėžimą. Nėra mokslinės koncepcijos, kaip tą vadinti rūšimi.

Tradiciniai rūšies apibrėžimai mikrobiologijoje yra neadekvatūs. Jie buvo sukurti medicinoje, žiūrint, kaip tam tikri mikroorganizmai sukelia tam tikras ligas. Bet kai pradedi tuos principus taikyti gamtoje, jie praranda prasmę. Mums reikia visiškai kitaip mąstyti apie tokių organizmų įvairovę, evoliuciją. Ir tai ne tik teorija. Rūšių apibrėžimas turi praktinį ir teisinį pritaikymą. Pavyzdžiui, aprašant plintantį atsparumą antibiotikams. Mums reikia naujų antibiotikų, bet svarbiausia suprasti, kaip atsparumas jiems plinta. Reikia suprasti patį veikimo principą, kuris susijęs su rūšies apibrėžimu, kas apibrėžia tam tikrą grupę mikroorganizmų, tarp kurių genai gali mutuoti.

– Palaikote ryšį su Lietuva? Bendraujate su lietuvių mokslininkais?

– Dirbu prie kelių projektų Vilniaus universitete ir „Thermo Fisher“ bendrovėje. Anksčiau esu dirbęs kartu su Klaipėdos universitetu, be to, esu įsitraukęs į keleto Lietuvos mokslininkus remiančių organizacijų veiklą.

– Kokia, jūsų nuomone, šiuo metu yra Lietuvos mokslo situacija?

– Ji gerėja. Kai prisimeni, kur Lietuva buvo prieš 28 metus, kai aš išvažiavau, skirtumas didelis. Manau, Lietuva turi istorinę galimybę tapti lyderiaujančia moksle šalimi, o Vilniaus universitetas – lyderiaujančiu universitetu.

Manau, kad reikia vyriausybiniu lygiu formuoti nuoseklią ir palankią terpę mokslui klestėti. Finansavimo srityje bendras lygis taip pat yra mažas. Bet galbūt dar blogesnis dalykas yra tai, kad net ir negausūs ištekliai nėra panaudojami nuosekliai ir efektyviai. Yra daug nenuspėjamumo. Vienais metais pinigų atsiranda neplanuotai, juos reikia labai greitai išleisti, kitais metais mokslininkai paliekami ant ledo. Tai žlugdo tyrimus, priverčia mokslininkus išvykti, atbaido nuo grįžimo tuos, kurie yra išvykę.

Rektoriai turi būti aktyviai įsitraukę į mokslo sistemos gerinimą. Nemanau, kad realu tikėtis, jog politinės partijos tam turės kompetencijų. Sistemos kūrimas yra ir mokslininkų darbas.

– Ko reikia, kad mokslininkas darbe būtų laimingas?

– Jis turi turėti ambiciją būti geras. Jis turi norėti būti geriausias pasaulyje. Laimė yra turėti sąlygas ir galėti stengtis to pasiekti. Jeigu stengiesi iš visų jėgų ir darai, ką gali, turi galimybę tobulėti.

– Astronomai teigia, kad supranta apie 4 proc. visatos. Kiek mes žinome apie vandenynus?

– Tai priklauso nuo to, ką mes skaičiuosime, bet atsakymas būtų – labai nedaug. Absoliuti dauguma gyvybės vandenyne yra mikroskopinė. Nemažai žinome apie žuvis, banginius, tokias gyvybės formas, kurias matome plika akimi, bet tai yra labai maža dalis. Mikrobiologinės įvairovės prasme mes kol kas liečiame tik patį paviršių.

– Jeigu būčiau patyręs jūrų mikrobiologas ir žinočiau tiek daug kiek jūs, ko dar turėčiau jūsų paklausti?

– Galbūt kokie yra jūrų mikrobiologinių tyrimų praktinio pritaikymo būdai.

– Kokie jie?

– Analizavome antrinius metabolizmus, tyrėme mikroorganizmų galimybę sintetinti kompleksinius organinius junginius. Nustebome, kad daugybė mikrobų gyvena nederlingoje, nepalankioje terpėje (tarsi dykumoje vandenyne), bet yra užkodavę daug antrinių metabolitų, kurie greičiausiai yra naudojami jų tarpusavio komunikacijoje ir kovoje. Ateityje vienas iš tų genų, kuriuos mes suradome, gali turėti praktinį taikymą. Dalis iš tų junginių gali tapti naujais antibiotikais, priešvėžiniais vaistais, kiti galbūt gali būti naudingi kaip maisto priedai, gerinti žmogaus sveikatą.

Kai kurie genai gali praversti ir energetikoje, verčiant atliekas į skystą kurą, pavyzdžiui, bioetanolį. Norėčiau, kad mūsų tyrimų rezultatai būtų naudingi tokiose srityse. Tam reikia laiko. Bet tai yra prasminga.

– Kas lėmė sprendimą kandidatuoti į Vilniaus universiteto rektoriaus postą?

– Aš noriu prisidėti prie Vilniaus universiteto sėkmės. Čia mokiausi, studijavau biologiją, išvažiavau pirmiausia penkiems mėnesiams įgyti naujų žinių ir čia jas pritaikyti, bet tai nepavyko. Pasiekiau tą etapą, kada man būtų įdomu ne vien dirbti mokslinį darbą, bet ir prisidėti prie valdymo.