Зачем на Дальнем Востоке открыли первый в стране Морской биобанк
В середине мая во Владивостоке открылся первый и пока единственный в стране Морской биобанк. Ожидается, что в сверхсовременном автоматизированном хранилище будут собраны образцы всех растений и животных дальневосточных морей. Зачем учёным уникальное оборудование и почему оно столь необходимо именно на востоке страны.
Дальний Восток можно назвать самым морским округом страны. Морскую акваторию имеют восемь из девяти его регионов, их берега омываются шестью морями и двумя океанами. Благодаря особенностям климата разнообразие морских жителей Дальнего Востока не имеет себе равных нигде в мире.
В наши дни изучением этих богатств занимается Национальный научный центр морской биологии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ДВО РАН). Центр создан в 2016 году во Владивостоке на основе Института биологии моря ДВО РАН, к которому присоединили две другие знаковые для Дальнего Востока организации — Дальневосточный морской заповедник и Приморский океанариум. Таким образом, история Центра берёт начало с момента образования института в 1970 году. Однако его появлению предшествовала более чем 200-летния история изучения жизни дальневосточных морей.
Открытие неведомого мира
— Познание и освоение морских богатств восточных окраин шло в ногу с географической и экономической экспансией Российской империи, — рассказал Владимир Чавтур, главный научный сотрудник лаборатории систематики и морфологии Национального научного центра морской биологии. — Начало было положено в 1733—1743 годы знаменитой Второй камчатской экспедицией под руководством капитан-командора Витуса Беринга.
Научному отряду поручили описать все встреченные растительные и животные организмы Камчатки, в том числе «собирать тыя вещи, которые тамо из моря выкидываются, сиречь травы морския, эхины, то есть ежи, зверьки, рыбы, имянуемые стеллы (звёзды), полипы, раки, конхилия, то есть животная, а раковинах родящаяся…». Результатом экспедиции стал труд ботаника Степана Крашенникова «Описание земли Камчатки», включающий немало интересных наблюдений за рыбами, морскими млекопитающими и беспозвоночными.
Сбору и описанию животного, а также растительного мира были посвящены все последующие морские экспедиции на Дальний Восток в XVIII—XIX веках. Наиболее значимые из них — Северо-восточная под командованием Иосифа Биллингса (1785−1793 годы), Первая русская кругосветная экспедиция Ивана Крузенштерна (1803−1806 годы), камчатская экспедиция Ивана Редовского (1806 год) и Сибирская экспедиция Александра Миддендорфа (1842−1845 годы).
С помощью и в помощь рыбакам
Если до середины XIX века исследование морского мира велось в основном в районе Аляски, Камчатки, Алеутских и Курильских островов, реже — Чукотки, то после открытия пролива Невельского между Сахалином и материком в 1849 году ситуация изменилась. Центр научных интересов сместился на Приморье, Приамурье и Сахалин. До конца столетия Академия наук предприняла ещё несколько крупных экспедиций к восточным рубежам страны. По их итогам впервые было дано достаточно полное описание природы этих регионов и гидрологических особенностей Японского и Охотского морей.
Следующая крупная экспедиция Академии наук по дальневосточным морям была предпринята только в 1946 году. Однако исследование местной морской фауны и флоры не останавливалось. Новые коллекции и данные продолжали поступать в Академию от бывавших здесь учёных, а также со сторонних судов. По мере заселения Дальнего Востока особое значение приобретают исследования, необходимые рыболовецким предприятиям.
Именно в это период, а точнее в 1925 году, в Приморье появилось первое местное учреждение по изучению морской фауны — Тихоокеанский институт рыбного хозяйства (ТИРХ), ныне — Тихоокеанский научно-исследовательский рыбохозяйственный центр. Под началом его директора, гидробиолога Константина Дерюгина, в начале 30-х годов состоялась Тихоокеанская комплексная экспедиция Тихоокеанского комитета Академии наук СССР. Фундаментальные и прикладные исследования велись в Японском, Охотском и Беринговом морях на научных и рыболовных судах, а также более чем на 30 наблюдательных пунктах.
— Ничего подобного по масштабам и комплексности ни до, ни после этой экспедиции в гидробиологических исследованиях как в нашей стране, так и за рубежом не проводилось, — отмечает Владимир Чавтур. — Следует только удивляться, как в начале 30-х годов, ещё полностью не оправившись от разрухи военных лет, молодая Советская Республика могла отыскать столько средств, а главное, интеллектуальных сил, чтобы осуществить столь грандиозный научный замысел.
Огромный объём материала, собранный в ходе Тихоокеанской экспедиции, дал впоследствии возможность составить систематические списки обитателей дальневосточных морей, получить представление о совокупности донных видов, изучить распределение бентоса и планктона, от которого зависит миграция морских хищников. Учёные обнаружили также множество новых видов, родов и даже биологических семейств.
Крупнейшая экспедиция стала стимулом к открытию новых отделений ТИРХ на Сахалине и Камчатке и Лаборатории морской гидробиологии в Дальневосточном филиале Академии во Владивостоке. Основная задача подразделений — изучать продуктивность моря.
— К началу Второй мировой войны степень научного и промыслового охвата дальневосточных морей была весьма высокой, — сообщает Владимир Чавтур. — Практика рыболовства в процессе взаимодействия с наукой всё больше становилась на научную основу, а наука всё интенсивнее и шире включала в круг своих интересов проблемы рыбного хозяйства. Однако работы прервала война.
Морской технический прогресс
Пауза в пять лет была компенсирована в послевоенный период. В 1946 году в Москве открылся Институт океанологии Академии наук СССР. Его специалисты приступили к исследованию морских тайн Дальнего Востока. Ведь помимо прочего требовалось оценить промысловое богатство присоединённых после разгрома японской армии новых вод у Сахалина.
— 1949 год в истории науки ознаменовался важным событием: в море вышел флагман советского научно-исследовательского флота — «Витязь», — отмечает Владимир Чавтур. — Первый дальневосточный рейс «Витязя» был осуществлён в Охотское море вдоль Курильской гряды и в Тихий океан через пролив Буссоль. Именно в этой экспедиции впервые в мире было произведено траление в Курило-Камчатском желобе на глубине 8100 метров, а с глубины 5464 метра была получена количественная проба бентоса — донных организмов.
Этот рейс открыл серию глубоководных сборов «Витязя», что дало учёным массу новой информации об обитателях глубин дальневосточных морей и их распределении. В частности, выяснилось, что по обилию донного населения Японское море уступает Охотскому и Беринговому и не имеет при этом океанической фауны из-за физических особенностей вод. А когда полностью обработали материалы экспедиций «Витязя», то Курило-Камчатский желоб оказался наиболее изученным глубоководным районом Мирового океана.
Новой эрой гидробиологических исследований дальневосточных морей называют 1962−1975 годы — это время прибрежных экспедиций Зоологического института Академии наук. Главное их отличие — активное использование водолазной техники с аквалангом и новых методик сбора материалов. Это дало возможность не только углубить представление о прибрежных донных морских жителях, но и позволило детальнее изучить мейобентос — крайне мелкие водные организмы, которые, как оказалось, играют большую роль в энергетическом балансе морских экосистем.
Впоследствии и глубоководные, и прибрежные исследования были продолжены новыми институтами Дальневосточного отделения РАН. С каждым десятилетием технические возможности открывали для учёных новые грани исследования моря. Значительное внимание уделялось морской микробиологии, а рост экологических загрязнений поставил перед специалистами немало задач по оценке их влияния. Однако, по словам учёных, неизменными остаются основные задачи местных морских биологов — описание разнообразия экосистем дальневосточных морей, а также инвентаризация всех их обитателей.
Море в банке
До XX века организмы и растения, которые нельзя было хранить в высушенном виде, скрупулёзно зарисовывались либо спиртовались. Появление электрических холодильников значительно упростило эту задачу. Но растущий объём исследований и информации со временем серьёзнее поставил перед специалистами вопрос систематизации данных.
— Экспедиции работали на протяжении многих лет, бывали в уникальных местах, встречали организмы, которых нигде больше нет, и естественно, что все собранные образцы хранятся и сейчас, — говорит Татьяна Орлова, ведущий научный сотрудник Института биологии моря ДВО РАН, руководитель Центра «Морской биобанк». — Нельзя публиковать научную информацию, если нет образца, это фундамент научной работы. И сегодня этот фундамент переводят на автоматизированный режим.
В Центре биологии моря хранится более 106 тысяч образцов различных морских объектов — от клеток микроводорослей до тканей крупных млекопитающих. Уже давно учёные мечтали систематизировать весь материал при помощи единой программы, однако решение пришло к ним неожиданно.
— Я, как специалист по микроводорослям, искала хорошую систему хранения для своих объектов, — рассказывает Татьяна Орлова. — Благодаря коллегам в прошлом году попала на семинар в Санкт-Петербурге, где нам предложили посмотреть на биобанк крови — самую современную систему хранения. Но это не только хранение: биобанк предполагает управление материалом, который должен отвечать ряду требований.
Перед тем, как оказаться в биобанке, каждый образец получает «паспорт». Документ сообщает: где, кто, когда и как поймал либо собрал материал. Также должна быть информация об условиях хранения образца и главное, что он из себя представляет. К тому же необходимо указать, как проводилось его изучение. Только при наличии всех этих данных образец можно назвать эталонным.
Понимая важность систематизации и автоматизации работы, руководство Центра морской биологии решило не медлить с приобретением нового хранилища.
— Недостаточно обладать самым современным оборудованием для исследований, нужно обеспечить особые условия для хранения биологического материала, — говорит Андрей Адрианов, директор Национального научного центра морской биологии. — Эти особые условия можно создать только в биобанках. Тогда клетка или другой полученный биообразец может храниться сколь угодно долго в эталонных параметрах. Использовать их для работы смогут не только в ближайшее время, но и через 10−20 лет.
На одном языке
Первый в России Морской биобанк открылся 16 мая на острове Русский во Владивостоке. Сверхсовременное оборудование разместилось в двух кабинетах Центра морской биологии. Физически биобанк состоит из большого холодильника-контейнера на 90 тысяч образцов при температуре минус 80 градусов по Цельсию и криохранилища на 12,5 тысячи образцов при температуре минус 196 градусов.
— Каждый образец снабжается уникальным штрих-кодом, — рассказывает Татьяна Орлова. — Объём образцов может быть разным, но стандартизованный — около 1 грамма или какая-то часть грамма. Этого достаточно, чтобы хранить эталонный образец, например, генетического материала, и в то же время этого хватит для возможности получить культуру этого материала и даже восстановить какую-то популяцию. А найти образец по заданным параметрам теперь можно всего за одну минуту.
Особое значение для учёных имеет также то, что биобанк упростит диалог с коллегами из других регионов и стран. Специалисты смогут быстро и точно обмениваться информацией о своих базах. Главное — утвердить общие параметры исследования и хранения образцов.
— Сейчас мы переводим наши образцы под стандарты, предъявляемые к подобным объектам, — поясняет Татьяна Орлова. — Причём мы забегаем немножко вперёд: для морских биологических организмов пока таких мировых требований не существует. Но важно, что теперь есть условия для стандартизации, чтобы мировое сообщество говорило на одном языке, чтобы у нас была возможность сопоставления материалов. Все по-разному выделяют, по-разному хранят материалы, но только после стандартизации они становятся по-настоящему бесценными.
Первый этап работы с Морским биобанком — перевод в него богатой коллекции образцов Центра. Но на этом учёные останавливаться не намерены. Их цель — собрать в уникальном хранилище образцы всех растений и животных дальневосточных морей. Особое внимание будет уделяться генетическому материалу редких видов. Ведь в случае их вымирания у специалистов будет шанс восстановить популяцию. За это сотрудники Центра биологии моря называют биобанк своеобразным «Ноевым ковчегом».
Морской биобанк уже оказался интересен многим учёным из других регионов страны. Приморские коллеги делятся опытом на профессиональных семинарах, но также не забывают о повышении и своей квалификации.
— Обучение биобанкингу — целое направление, — говорит Татьяна Орлова. — К примеру, крупнейший медицинский биобанк в Австрии берёт на обучение специалистов с присвоением мастерской степени, учиться необходимо два года. У нас пока нет подобного. Но в этом году мы вновь намерены участвовать в семинаре по биобанкингу в Санкт-Петербурге, так как в будущем также хотим готовить специалистов. Направление активно развивается, и крайне важно получить доступ к этому инструменту уже сейчас.
Исследования века
Изучение, описание и перепись растений и животных дальневосточных морей всегда были главными задачами местных морских биологов. Учёные признают: в этой области непросто сделать громкое открытие. Почти каждая крупная морская экспедиция приносит сведения о новых видах флоры и фауны, но такие открытия зачастую остаются малозамеченными. Но в то же время в копилке морских биологов Дальнего Востока есть открытие, вошедшее в историю мировой науки.
Речь идёт об исследованиях в районе Курильских островов мелководных гидротермов — изолированных экосистем, образовавшихся в ходе подводных вулканических процессов. В результате мощных взрывов тысячи лет назад действующие вулканы оказались на дне моря. Там они продолжили выделять метан, сероводород и массу других веществ. Удивительно, но часть из этих выбросов оказалась хорошей пищей для некоторых бактерий. Перерабатывая её, бактерии выделяют органику — основной корм для всех живых организмов.
Можно было бы не заметить в этой цепочке ничего удивительного, если бы не один факт. Существование всех живых организмов в ней обходится без фотосинтеза. Это значит, что они не зависят от солнечной энергии и вполне могут обойтись без неё. Такой способ получения энергии в науке называется хемосинтез.
— Первым учёным в мире, который развил это направление в гидробиологии, стал сотрудник Института биологии моря ДВО РАН Виталий Георгиевич Тарасов, — сообщает Виктор Ивин, ведущий научный сотрудник Национального научного центра морской биологии. — В 1985 году, всего через 9 лет после открытия уникальных гидротермальных сообществ на дне океана, Виталий Георгиевич, помня о своём первом посещении бухты Кратерной, организовал экспедицию на гидрографическом судне. Результаты экспедиции превзошли все его ожидания.
Огромные скопления множества морских организмов в столь необычных условиях поразили даже самых опытных учёных. В бухте диаметром всего 700 метров было обнаружено более 150 видов обитателей, шесть из которых ранее не встречались науке. Несмотря на относительную изученность, исследование бухты продолжается и сегодня научными преемниками её «первооткрывателя» Виталия Тарасова, покинувшего мир в 2010 году.
Открытия продолжаются
Исследования дальневосточных учёных ведутся как на мелководье, так и в подводных глубинах. Очередное открытие — неожиданно большое количество донных обитателей в северо-западной части Тихого океана. Глубоководные исследования в Чукотском и Беренговом морях, а также в районе Курило-Камчатского желоба прошли летом 2016 года.
— В центральных арктических морях биологическое разнообразие не очень высокое — в первую очередь, из-за крупных рек, которые впадают в них и приносят большое количество пресной воды, — уточняет Андрей Адрианов. — Но моря, расположенные ближе к Тихому океану, действительно впечатляют своим разнообразием. Например, на склонах подводного вулкана в Беринговом море (его основание находится на глубине 4200 метров) обнаружено огромное количество живности: иглокожие, кораллы, звёзды, двустворчатые моллюски. Как оказалось, это уникальная экосистема, где наши учёные собрали богатейший материал для исследований.
Ожидается, что по итогу этих экспедиций дальневосточные учёные опишут не менее 500 новых видов морских организмов. Отчасти это неудивительно: в ходе прошедшего сезона специалистам впервые удалось провести масштабный сбор мелких морских обитателей в районе Курило-Камчатского желоба на глубине до 9500 метров. В этом специалистам помогли новейшие подводные аппараты, разработанные совместно с коллегами из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ).
В то же время учёные Центра активно ведут работу над усовершенствованием техники для молекулярных, биофизических и биохимических исследований. Одна из гордостей учреждения — самый современный комплекс анализа липидов: жиров и жироподобных веществ. Основными объектами исследований, конечно, остаются морские животные. Их жиры отличаются особым составом и «поведением».
— Впервые в мире начаты исследования в области липидомики (раздел науки, изучающий липиды — DV) морских беспозвоночных, прежде всего моллюсков, кораллов и крабов, липидом которых содержит более двух тысяч молекулярных видов липидов, — говорит Андрей Имбс, заместитель директора Центра по науке. — Липидомика позволит получить новые фундаментальные знания о биосинтезе, метаболизме и транспорте липидов в морских животных.
По словам учёного, полученные знания будут весьма полезны современной медицине. В частности, их можно использовать для создания нового подхода к регулированию обмена веществ и лечения болезней, связанных с нарушением липидного обмена.
Кроме того, потенциальную пользу медицине может принести и другое открытие биохимиков Центра. В ходе российско-германских экспедиций в Охотское море и район Курило-Камчатского желоба учёные собрали большое количество глубоководных фораминифер — раковинных одноклеточных организмов, содержащих большое количество полезнейших для человека жирных кислот.
— В результате анализов мы обнаружили несколько редких и 12 новых длинноцепочечных полиненасыщенных жирных кислот, — рассказывает Владимир Харламенко, старший научный сотрудник Центра. — Это по-настоящему много. Мы пока ничего не можем сказать о полезных свойствах этих кислот. Но известно, что, к примеру, редкая жирная кислота омега-7 подавляет рост опухолей лучше, чем жирные кислоты омега-3 и омега-6.
В ближайшее время специалисты Центра намерены провести подобное исследование на фораминиферах, содержащих новое семейство жирных кислот. Понимая практическую важность этой работы, учёные ведут её совместно с коллегами из школы биомедицины ДВФУ.
Описанные исследования — только небольшая часть огромной работы и достижений, которые ежегодно делают морские биологи Дальнего Востока. И хотя их кропотливая работа порой кажется незаметной, почти каждая экспедиция и почти каждое лабораторное исследование вносит свой маленький вклад в дело освоения такого необъятного и такого таинственного моря.
