Prije 75 godina osnovan je Laboratorij za mikrobiologiju, Instituta za oceanografiju i ribarstvo u Splitu.

Vlaho Cviić

Utemeljitelj i prvi voditelj bio je prof. Vlaho Cviić (Virovitica 1909 – Split 1963), koji je osnutkom ovog laboratorija i svojim znanstvenim istraživanjima postao začetnikom morske mikrobiolologije i morske mikrobne ekologije na Jadranu, u tom vremenu novom oceanografskom disciplinom.  Morska mikrobiologija je relativno mlada oceanografska disciplina za čiji se početak često uzima publiciranje knjige Marine Microbiology: A Monograph on Hydrobacteriology (1944) američkog mikrobiologa Claude ZoBell-a, kojega se često navodi kao oca morske mikrobiologije. Vlaho Cviić odlazi 1950. godine na studijski boravak u Scripps Institution u La Joli (SAD) gdje radi s ZoBellom, po povratku iz SAD-a pokreće nevjerojatno široki spektar mikrobioloških istraživanja na Jadranu. Između ostaloga surađuje s nobelovcem Selman Abraham Waksman-om (pronalazač streptomicina) i danskim biokemičerom Einer Steemann Nielsen-om koji je razvio metodu mjerenja primarne proizvodnje u vodenim okolišima putem ugradnje radioaktivnog ugljika (14C). Cviić ubrzo uvodi ovu metodu u svoja istraživanja, te 1963. godine publicira prve rezultate mjerenja organske proizvodnje u Jadranu metodom C14.

Članak koji slijedi daje pregled razvitka morske mikrobne ekologije u svijetu i prilog je obilježavanju 75. obljetnice Laboratorija za mikrobiologiju, Instituta za oceanografiju i ribarstvo u Splitu.

Danas znamo  da su mikroorganizmi (organizmi veličine od 0.2 do 100 µm) vrlo brojni u moru. Oni čine otprilike polovicu ukupne biomase na Zemlji. Bakterije i arheje u moru sadrže milijarde tona ugljika (procjene se kreću od 3 do 14 milijardi tona), dok, na primjer, svi ljudi na Zemlji imaju biomasu od oko 0.03 milijardi tona ugljika. U jednom mililitru morske vode živi oko 10 milijuna virusa, jedan milijun bakterija, te oko 1000 malih alga i praživotinja (zovemo ih protisti). Pored njihove ogromne brojnosti, mikroorganizmi igraju ključnu ulogu u većini biogeokemijskih procesa koji se događaju u morskom okolišu, odgovorni su za oko pola od ukupne primarne proizvodnje i proizvedenog kisika na Zemlji, te za najveći dio respiracije i kruženja hranjivih soli. Međutim, iako su morski mikroorganizmi vrlo brojni i raznoliki, njihova ih je sićušna veličina uvijek činila teškima za istraživanje.

Najranija otkrića (1675-1883)

Ljudsko oko je prvi put ugledalo mikroorganizme 1675. godine kada je nizozemski izrađivač leća Antonie van Leeuwenhoek napravio jednostavan mikroskop s jednom lećom i pogledao u kapljicu morske vode. Bića koja je ugledao Leeuwenhoek je nazvao sitnim životinjama (wee animalcules).  Oda tada je morska mikrobiologija mukotrpno i teško napredovala oviseći uvijek o novim metodama i tehnikama izučavanja. Trebalo je proći više od 200 godina od prvog pogleda na morske mikroorganizme kroz leću mikroskopa do prvih pokušaja njihovog kultiviranja. To se dogodilo 1884. kada je Adolph-Adrien Certes, inače student Louisa Pasteura, izvijestio o svojim eksperimentima kultiviranja dubokomorskih mikroorganizama tijekom francuskih oceanografskih ekspedicija Travailleur i Talisman. To je početak razdoblja koje se često naziva Zlatno doba mikrobiologije

Zlatno doba mikrobiologije (1884-1975)

Prvu poznatu knjigu koja se specifično bavila morskim mikroorganizmima, pod naslovom Die Bakterien des Meeres (Morske bakterije) publicirao je njemački mikrobiolog Bernhard Fischer 1894. godine. U knjizi je prikazan i prvi dijagram kruženja ugljika u moru u kojem je naznačena uloga bakterija.

Ogromnu ulogu u razvitku morske mikrobiologije imao je nizozemsko-američki mikrobiolog Cornelis Bernardus van Niel (također je poznat i kao Kees van Niel). Nakon doktorata u Nizozemskoj odlkazi u SAD gdje znanstvenu karijeru nastavlja u Hopkins Marine Station na Sveučilištu Stanford, gdje 1930. uspostavlja ljetnu školu morske mikrobiologije koja je trajala sve do 1962. Ova je škola imala snažan utjecaj na generacije mikrobiologa, pogotovo kroz obuku u kultivaciji mikroorganizama, te izučavanju nevjerojatne metaboličke raznolikosti morskih mikroorganizama.

Značajan događaj za razvitak morske mikrobiologije dogodio se 1944. kada je Claude ZoBell, poznat kao otac morske mikrobiologije publicirao ključnu knjigu Marine Microbiology: A Monograph on Hydrobacteriology.

Prva primjena radioaktivnih obilježivača u izučavanju aktivnosti morskih mikrorganizama dogodila se 1951. Otkriće radioaktivnog izotopa ugljika (14C) od strane američkih kemičara Martina Kamena i Sama Rubena, omogućila su danskom biokemičaru i oceanologu Einer Steeman Nielsenu da već 1952 uspostavi metodu ugradnje radioaktivnog ugljika u stanice. Na taj je način postalo moguće mjeriti aktivnost mikroorganizama (na primjer primarnu proizvodnju), bez da ih je prije toga potrebno kultivirati u laboratoriju.

Drugu važnu ljetnu školu mikrobne ekologije, koja je odgojila generacije morskih mikrobnih ekologa, uspostavio je 1971. njemačko-američki mikrobiolog Holger Jannasch u Marine Biological Laboratory u Woods Hole-u, Massachusetts (škola postoji i danas kao tečaj mikrobne raznolikosti).

Veliku prekretnicu u poimanju uloge morskih mikroorganizama u morskim ekosustavima donio je Lawrence Pomeroy koji je 1974. publicirao rad u kojem je po prvi puta prepoznata važnost morskih mikroorganizama u morskim hranidbenim mrežama i kruženju ugljika. Farooq Azam je u svom radu iz 1983. detaljno opisao dio hranidbene mreže koji vodi od otopljene organske tvari, preko bakterija, heterotrofnih nanoflagelata i cilijata prema višim trofičkim razinama i taj je put protoka tvari i energije nazvao mikrobni krug (microbial loop).

Molekularno doba (1976-1995)

Epifluorescentni mikroskop

Molekularno razdoblje započinje 1976. kada su Carl Woese i George Fox predložili sekvencioniranje ribosomske RNK (rRNK) kao molekularnog markera za određivanje  taksonomske pripadnosti i povezanosti između organizama uključujući i morske mikroorganizme. Sekvencioniranje rRNK izravno iz morskog okoliša će kasnije biti primijenjeno na nekulturabilne mikroorganizme iz različitih ekstremnih staništa i dovesti će do otkrića najbrojnijih skupina mikroorganizama u moru, kao i do prvih otkrića arheja.

Značajan doprinos tehnologije morskoj mikrobiologiji bio je razvitak filtera (celuloznih ili polikarbonatnih) s tako malim porama na kojima su se mogle sakupiti bakterije iz morske vode. Prije toga, sve procjene brojnosti bakterija temeljile su se na onim mikroorganizmima koji su se mogli uzgojiti na tekućim ili čvrstim hranjivim podlogama. Korištenje ovih filtera kombiniralo se s bojanjem uzoraka fluorescentnim bojama (metode bojanja prvi je razvio akvatični ekolog John Hobbie) i zatim mikroskopiranjem uz pomoć epifluorescentnog mikroskopa. Ove su tehnike pokazale da je brojnost mikroorganizama u moru više stotina i tisuća puta veća nego što se to pretpostavljalo na temelju dotadašnjih metoda kultura.

Ekspedicija u Galapagosku brazdu 1977. otkrila je u tim oceanskim dubinama neobične zajednice organizama koje su se razvijale oko hidrotermalnih otvora u uvjetima ekstremno visoke temperature i tlaka. Ove su se zajednice razvijale u potpunoj odsutnosti svjetla, a temeljile su se na simbiotskim kemo-autotrofnim bakterijama. Ovo je otkriće bacilo sasvim novo svjetlo na uvjete u kojima bi potencijalno mogao biti moguć život na drugim planetima u svemiru.

Tijekom ekspedicije u Arapskom moru John Waterbury je 1979. prvi otkrio jednostaničnu cijanobakteriju Synechococcus. Kasnije se pokazalo da je ova autotrofna cijanobakterija vrlo brojna gotovo u svim oceanskim vodama, te da predstavlja značajnu komponentu baze hranidbenih lanaca u moru.

Najbrojniji fotosintetski organizam na Zemlji je morska cijanobakterija Prochlorococcus koja je odgovorna za proizvodnju 20% kisika na Zemlji. Ovu je cijanobakteriju otkrila Sallie (Penny) Chisholm sa svojim suradnicima 1988. godine.

Shemtaski prikaz mikrobnog kruga (preuzeto iz Krstulović i Šolić, 2006.)

Tijekom 1980-ih shvaćena je potreba za dugogodišnjim vremenskim serijama podataka (fizikalnih, kemijskih i bioloških), neophodnih za bolje razumijevanje promjena koje se događaju u morskim ekosustavima (kruženje hranjiva, proizvodnja, utjecaj globalnog zatopljenja, proces zakiseljavanja mora itd.). U tom je smislu važna 1988. godina tijekom koje su uspostavljena dugoročna sakupljanja podataka na dvije lokacije, jednoj u akvatoriju Havaja, a drugoj u akvatoriju Bermuda. Malo je poznato da je Institut za oceanografiju i ribarstvo u Splitu uspostavio takva dugoročna istraživanja na srednje-jadranskom profilu puno ranije, te da ovaj institut danas posjeduje najdužu vremensku seriju podataka u svijetu za primarnu proizvodnju, ali i vrlo duge nizove podataka za mnoge druge fizikalne, kemijske i biološke parametre.

Iako se i ranije znalo da virusi žive u moru, 1989. godina će ostati zapamćena po tome što je Øivind Bergh sa svojim suradnicima prvi puta izvijestio o brojnosti virusa u moru. Kasniji razvitak metoda fluorescentnih bojanja virusa pokazao je da su ovi prvi rezultati značajno podcijenili stvarnu brojnost virusa u moru koja se danas procjenjuje na gotovo milijardu virusa u jednom mililitru. Virusi igraju važnu ulogu u morskim ekosustavima kroz prijenos gena između mikroorganizama, te kao značajan izvor mortaliteta morskih mikroorganizama.

Kloniranja i sekvencioniranja DNK su 1990. prvi puta napravljena na planktonskim morskim mikroorganizmima i dovela su do otkrića SAR11 klada (otkrio ih je Stephen Giovannoni sa suradnicima u uzorcima iz Sargaškog mora), jedne od najbrojnijih skupina bakterija u moru. Ova skupina čini oko 25% svih mikrobnih stanica u moru i najznačajniji je konzument organskog ugljika u moru. Većinu predstavnika ove skupine se još uvijek ne uspijeva kultivirati.

Prije 1992, za arheje se mislilo da žive isključivo u ekstremnim staništima, kao što su ekstremno slana staništa (halofili), ekstremno vruća staništa (termofili) ili kao proizvođači metana (metanogene arheje). Međutim, Edward Delong i Jed Fuhrman su 1992. pokazali da arheje jednako tako normalno žive u planktonu obalnih i duboko-morskih staništa, štoviše, vrlo su brojne.

Doba genomike (1996-danas)

Razdoblje genomike započinje od 1996. i traje do danas. Genomika je znanost koja izučava strukturu i organizaciju genoma, te mogućnosti njihove umjetne promjene. Izučavanje mikroorganizama na način da ih se prethodno uzgoji u kulturama je vrlo težak, ponekad neizvediv zadatak. Umjesto toga znanstvenici koriste sekvencioniranje DNK kao metodu za identifikaciju prisutnosti gena pojedinih mikroorganizama, bez da ih se kultivira. Ova je metoda dovela do otkrića novog načina prikupljanja energije – fototrofiju. Kod bakterija je prvi puta otkriven proteorhodopsin, protein srodan poroteinu koji se nalazi u ljudskom oku i koji omogućava iskorištavanje energije svjetla.

Kao rezultat genomike, tijekom razdoblja 2003-2005, publicirani su prvi kompletni genomi morskih mikroorganizama koji su uključivali Prochlorococcus, Synechococcus, Pirellula, Silicibacter pomeroyii, bakteriju prilagođenu na niske temperature Colwellia psychrerythraea, te dijatomeju Thalassiosira pseudonana.

Knjiga Microbial Community Ecology of the Adriatic Sea (Šolić et al., 2016.) u kojoj su izneseni rezultati istraživanja Laboratorija za mikrobiologiju tijekom zadnjih 15-ak godina. (knjiga je posvećena Vlahi Cviiću)

Od 2004. započinje razdoblje metagenomike (ili okolišne genomike) koja predstavlja izučavanje genetičkog materijala uzetog izravno iz okoliša, što omogućava znatno širi uvid u raznolikost mikroorganizama u moru. Na taj su se način pomoću DNK dobivenog iz uzorka mora mogli odrediti tipovi vrsta koje tamo žive. Prvi potpuni genetska snimak morskog okoliša u Sargaškom moru koji je dovršen 2004. napravio je J. Craig Venter. Koristeći metodu poznatu kao Metagenome shotgun (Metagenomska puška) identificirao je više od milijun nepoznatih gena.

Tijekom razdoblja 2003-2013 poduzeto je nekoliko globalnih uzorkovanja u svim oceanima sa svrhom izučavanja raznolikosti morskih mikroorganizama. Budući je postalo očito da morski mikroorganizmi igraju kritično važnu ulogu u morskom okolišu, organizirane su ekspedicije koje su obuhvatile sve oceanske bazene. Najvažnije među njima su: (1) Global Ocean Sampling Expedition (2003) tijekom koje je uzorkovano na 41 lokaciji od Atlantika do Pacifika, u duljini od 8.000 km; (2) Malaspina Expedition (2010) koja je kružno obišla cijeli planet istražujući metaboličku raznolikost dubokomorskih mikroorganizama; te (3) Tara Oceans Expeditions (2009-2013) koje su također obišle cijeli planet.

Metagenomika je 2015. Dovela do otkrića posebne skupine arheja, koja je nazvana Lokiarchaeota, koja ukazuje na evolucijsku vezu između arheja i eukariota. Naime ova skupina dijeli oko 100 zajedničkih gena s eukariotima, što ih čini najbližim živućim prokariotskim rođacima eukariota. Ova je skupina otkrivena u uzorku uzetom u blizini hidrotermalnog izvora (poznat kao Lokijev dvorac) u Arktičkom moru.

Budućnost morske mikrobne ekologije

Udžbenik proizašao kao rezultat nastavnih aktivnosti znanstvenika laboratorija.

Zahvaljujući novim tehnologijama, u zadnjih 30-ak godina otkrivena je nevjerojatna raznolikost mikrobnog života u moru. Nove tehnologije će u budućnosti donijeti velike promjene u izučavanju morskih mikroorganizama. Nove tehnike će omogućiti izolaciju i uzgoj čistih kultura brojnih mikroorganizama, za koje to danas nije moguće. S druge strane, kultivacija će sama po sebi postati manje važna zbog razvitka metoda izučavanja neovisnih o kultivaciji (molekularne metode). Već danas postaje jednostavnije sekvencionirati gene iz morske vode, nego se baviti pojedinim vrstama. Ova eksplozija sekvencioniranja, genomike i metagenomike proizvest će ogromne količine podataka koji će preko mrežnih platformi biti dostupne istraživačima. Problem uzorkovanja će također biti riješen kroz korištenje pokretnih laboratorija s minijaturnim instrumentima koji će lutati svjetskim oceanima i slati podatke (svemirske tehnologije vrlo će brzo biti korištene i u oceanografiji). Nove tehnologije će također značajno povećati i mogućnosti daljinskih istraživanja.

Otkriće gena koji ekstremofilnim mikroorganizmima omogućavaju preživljavanje na ekstremno visokim i niskim temperaturama, kiselim i lužnatim okolišima, u uvjetima jake radijacije i sl. vrlo je izazovno područje s potencijalnom primjenom u budućnosti koju danas još ne možemo sagledati.

U budućnosti ćemo svakako morati dati smisao toj ogromnoj raznolikost i brojnosti morskih mikroorganizama i bolje razumjeti kako svi ovi mikroorganizmi komuniciraju jedni s drugima i sa svim drugim organizmima u moru. Da bi to razumjeli organizme je nužno promatrati u njihovom prirodnom okolišu. Nobelovac Selman Waksman (1888-1973) je to ovako izrazio: Nije dovoljno izolirati bakteriju, uzgojiti je, te istraživati što ona radi u čistoj kulturi; daleko je važnije otkriti što ona radi u svom prirodnom okolišu i kako je uklopljena u aktivnosti drugih bakterija kao i cijele zajednice morskih organizama.

U ekologiji općenito, pa tako i u morskoj mikrobnoj ekologiji, uvijek je potrebno naći dobru ravnotežu između individualističkog i holističkog pristupa. Moguće je sekvencionirati svaki pojedini mikroorganizam u moru, a da objašnjenje funkcioniranja morskog ekosustava i dalje ostane nejasno.

Morska mikrobna ekologija ima potencijal postati iznimno važna znanstvena disciplina u razdoblju antropocena. Morski mikroorganizmi proizvode ili konzumiraju gotovo sve stakleničke plinove, a oceani su dominantan dio biosfere kada su u pitanju sve zalihe i svi protoci ovih plinova na planetu. More i morski mikroorganizmi postaju ključan igrač u prognozama vezanim za globalnu klimu.

E.O Wilson je pri kraju svoje autobiografije napisao: Kada bih mogao ponovo u 21. stoljeću proživjeti svoju viziju, postao bih mikrobni ekolog. U taj bi svijet ušao pomoću moderne mikroskopije i molekularnih analiza. Svoj bi put krčio kroz šume klonova koje se prostiru između zrnaca pijeska, kroz putovanje zamišljenom podmornicom kroz kap vode, te kroz praćenje predatora i plijena kako bi otkrio nove načine života i nepoznate hranidbene mreže.

Skip to content