На морской биологической станции «Восток» Национального научного центра морской биологии им. А.В. Жирмунского ДВО РАН с 8 по 11 сентября 2022 г. во второй раз прошла Школа молодых ученых «Современная марикультура. Биологические, биохимические и молекулярно-генетические подходы». Она была организована в рамках реализации проекта РНФ № 21-74-30004 «Разработка современных подходов к созданию технологий устойчивого культивирования и воспроизводства ценных морских гидробионтов». В Школе приняли участие 32 молодых ученых из Владивостока, Севастополя, Магадана и Санкт-Петербурга. В качестве лекторов выступили 10 ведущих ученых из различных научных учреждений России.
Основная цель данной школы состояла в том, чтобы рассказать молодым ученым о новых современных методах и подходах, которые используются при изучении биологических объектов и которые можно применить для развития технологий выращивания гидробионтов. Это, прежде всего, морфологические, физиологические и молекулярно-генетические методы. На настоящем этапе развития отечественной марикультуры наиболее важным вкладом фундаментальной науки являются новые знания и новые методы, а также подготовка молодых специалистов-биологов, которые этими знаниями и методами будут обладать и смогут их использовать.
В открывающем Школу докладе чл.-корр. РАН И.Ю. Долматова «Регенерация у иглокожих» рассказывалось о важности изучения различных аспектов регенерации для решения общебиологических проблем, таких как происхождение и эволюция восстановительных механизмов, происхождение органов и тканей, а также о значимости исследований трансдифференцировки для биомедицины. Были показаны особенности механизмов регенерации у разных видов иглокожих, в том числе и тех, которые являются объектами марикультуры, в частности дальневосточный трепанг Apostichopus japonicus. Показано, что на примере иглокожих можно понять, как в филогенезе возникла мышечная система. Она формировалась в результате гипертрофии миоэпителиальных клеток мезотелия, погружения групп таких клеток в соединительную ткань и отделения их от эпителия. В результате такого процесса образовались мышечные пучки, состоящие из миоцитов. Большое внимание в докладе было уделено проблеме трансдифференцировки. Изучение этого феномена на примере иглокожих позволит лучше понять механизмы работы генома клетки и позволит разработать технологии направленной специализации клеток при выращивании искусственных органов и тканей.
В докладе г.н.с. ММБИ РАН Г.М. Воскобойникова «Аквакультура водорослей-макрофитов в Баренцевом море: проблемы биологические и экономические» поднимались проблемы добычи и выращивания водорослей на севере России. В Баренцевом море в настоящее время описано 194 вида водорослей – макрофитов, среди которых выделена группа, относящаяся к промысловым, – ламинариевые. Представители ламинариевых имеют высокое содержание биологически активных веществ: моно- и полисахариды (альгинат, маннит, фукоидан), микроэлементы (большая группа, в частности, йод), пигменты (хлорофилл, группа каротиноидных пигментов), липиды, которые благодаря своим характеристикам получили широкое использование в пищевой промышленности, лечебно-профилактической практике, биотехнологии. При больших запасах этих водорослей (только у Мурманского побережья около 200 тыс. тонн) в настоящее время их промысел минимален и не превышает 150 тонн в год. Основные причины сложившейся парадоксальной ситуации в отсутствии рентабельных технологий первичной переработки промышленных объемов водорослей. Из-за своей гигроскопичности сушка ламинариевых водорослей на воздухе, где влажность очень высокая, возможна только в закрытых помещениях с активной продувкой, что значительно повышает стоимость сырья. В какой-то степени альтернативой промыслу могла бы быть аквакультура. Технология выращивания ламинарии на плантациях в Баренцевом море была отработана в ММБИ РАН около 30 лет назад. Показано, что с 1 гектара плантации можно собрать 60-70 тонн водорослей. Накопленные за прошедшие годы знания о биологии объекта делают возможным выращивание на плантации растений с заданными свойствами: для косметической, лечебно-профилактической, пищевой промышленности или для получения химических компонентов. Это значительно повышает рентабельность производства. Вместе с тем, плантационное выращивание не может компенсировать использование природных зарослей ламинарии. Выходом из создавшейся ситуации было бы создание рентабельных технологий сушки водорослей. В последние годы получило развитие новое направление - санитарная аквакультура, направленная на биоремедиацию прибрежных акваторий от загрязнения нефтепродуктами. Созданные и внедренные технологии санитарных водорослевых плантаций (СВП) позволяют очищать поверхностные и глубинные слои морской воды. Практическое использование показало, что 1 гектар СВП за 15 дней способен нейтрализовать более 150 кг нефтепродуктов.
Лекция гл.н.с. ФИЦ ИнБЮМ имени А.О. Ковалевского РАН В.И. Рябушко «Новые технологии получения и исследование свойств биологически активных веществ из культивируемых морских организмов» была посвящена наиболее перспективным сырьевым источникам Азово-Черноморского бассейна для биотехнологических исследований. Представлена структура питомника по получению спата гигантской устрицы, состоящая из блоков культивирования кормовых микроводорослей и выращивания личинок. Микроводоросли - возобновляемый сырьевой ресурс для фармацевтической и пищевой промышленности, производства кормов и технических продуктов. Одноклеточные водоросли и цианобактерии являются высокоценным сырьем для получения лекарственных препаратов, нутрицевтиков, продуктов питания, косметики и технических продуктов (биотоплива, агрохимикатов, сорбентов и др.). Одной из наиболее актуальных задач биотехнологии культивирования микроводорослей является управляемый процесс биосинтеза БАВ. Морские микроводоросли способны синтезировать ряд уникальных биологически активных соединений. Основными проблемами, сдерживающими расширение масштабов практического использования микроводорослей, являются их слабая изученность в биотехнологическом отношении, низкая продуктивность промышленных систем культивирования и высокая себестоимость получаемой продукции. Предложена концепция получения БАД лечебно-профилактического назначения из гидробионтов и способы конструирования новых продуктов из комбинированных гидролизатов, сбалансированных по аминокислотному составу. Разработана технология получения биопрепарата из морских моллюсков для профилактики и лечения начальных стадий церебрального атеросклероза. У пациентов прием биопрепарата улучшает общее состояние и сон, уменьшает интенсивность головных болей, шума в голове, утомляемости, улучшает, память, координацию движений, положительно реорганизует кровоток и биоэлектрическую активность головного мозга. Представлена шкала уровней готовности технологий к внедрению фундаментальных научно-исследовательских разработок. Самое слабое звено - это инвестиции в создание опытных образцов (мелких серий)
Руководитель Центра аквакультуры и прибрежных биоресурсов ННЦМБ ДВО РАН С.И. Масленников рассказал о происхождении и содержании понятия «Искусственные рифы». В докладе проводится краткий обзор и примеры абиогенных и биогенных рифов. Биотические рифы широко представлены в виде коралловых и устричных рифов, а также в виде меловых гор. История искусственных рифов берет начало от описанных в фильмах Ж.И. Кусто затопленных кораблей, которым было присвоено название «Искусственные рифы» (ИР). В дальнейшем ИР назывались различные антропогенные сооружения на дне, зачастую не имеющие под собой никакого научного обоснования для их конструкций, целей и способов размещения. Для конструкций ИР ставились разнообразные цели, которые в большинстве были недостижимы. Это происходило из-за неготовности морской гидробиологии создать теорию, описывающую функционирование морских сообществ на рифах. Со временем были накоплены необходимые знания о функционировании морских экосистем, что позволило привести программы строительства ИР в соответствие с реальными условиями. В настоящее время наиболее эффективными функциями ИР признаны берегоукрепление, защита от траления и рекреационная функция для подводного отдыха, экотуризма. Кроме того, они применяются для увеличения площади нагула ценных иглокожих. Основным материалом для ИР служит сульфатостойкий бетон и специально подготовленные металлоконструкции, как правило это сооружения на шельфе и затопленные суда. Развитие интенсивной марикультуры сильно видоизменило концепцию применения ИР, сведя ее до целевых гидробиотехнических сооружений, широко применяемых в культивировании на открытых акваториях.
Лекция с.н.с. кафедры эмбриологии МГУ им. М.В. Ломоносова С.В. Кремнева «Молекулярные основы морфологического разнообразия планов строения Cnidaria» была посвящена исследованию механизмов, определяющих морфологию колониальных книдарий. Книдарии занимают сестринское филогенетическое положение по отношению к билатерально симметричным животным, что делает их ценными модельными объектами для эволюционной биологии развития. Отличительной особенностью колониальных книдарий является их непрерывный рост и морфогенез на протяжении всей жизни колонии, что делает их удобными модельными объектами для изучения эволюции и разметки плана тела. Текатные колониальные гидроидные полипы (Cnidaria, Hydrozoa, Leptomedusae) демонстрируют наиболее широкий спектр морфологического разнообразия среди книдарий. Колонии текатных гидроидных состоят из двух основных частей. Прикрепление к субстрату обеспечивается разветвленной гидроризой, каждая из ветвей которой – столон – удлиняется на дистальном конце. На столонах через определенные промежутки располагаются или отдельные зооиды колонии, или сложные образования, несущие большое число зооидов и именуемые побегами колонии. Морфологическое разнообразие гидроидных основано на разнообразии формы элементов побегов. Несмотря на то, что каждый отдельный зооид, имеет простую структуру и радиальную симметрию, побеги колонии демонстрируют различные уровни сложности и типы симметрии. Колонии текатных гидроидов растут за счет морфогенетической активности специализированных органов – верхушек роста. Верхушки роста побега претерпевает циклические морфогенетические процессы, которые приводят к формированию новых междоузлий и узлов колонии, что и определяет общую архитектуру колонии. Удивительно, но большинство исследований в области Evo-Devo на стрекающих направлено на выяснение механизмов разметки тела неколониальных представителей этой группы, таких как Nematostella и Hydra, или колониального гидроидного полипа Hydractinia, формирующего столониальную колонию. В то же время, молекулярные механизмы, обеспечивающие разметку архитектурно сложных колоний, таких как, например, у D. pumila и G. loveni, остаются невыясненными. Какие молекулярные механизмы обеспечивают устойчивое формирование сложной структуры колоний? Как колониальные гидроиды используют эволюционно консервативные молекулы и сигнальные пути, которые формируют разметку тела одиночных полипов? Каким образом происходит регуляция эволюционно консервативных сигнальных путей при формировании разной архитектуры колонии у разных видов гидроидов? Чтобы ответить на эти вопросы, нам необходимо исследовать молекулярные основы пространственной разметки архитектурно сложных колоний гидроидных полипов. Данные вопросы касаются более глобальной научной проблемы: как сформировалось такое широкое разнообразие планов строения тела, учитывая удивительно консервативный инструментарий регуляторных генов, участвующих в развитии Metazoa.
Зав. лабораторией сравнительной физиологии развития ИБР им. Н.К. Кольцова РАН Е.Е. Воронежская в своем докладе «Нейроэндокринная регуляция темпов развития и локомоторной активности личинок моллюсков и иглокожих: роль серотонина и дофамина» описала интересный факт влияния родительских особей на развитие потомства на примере моллюсков и иглокожих. Было показано, что у ряда водных беспозвоночных скорость роста и физиологическая активность может зависеть от состояния родительских особей. Такое влияние осуществляется за счет ряда веществ, в частности серотонина и дофамина. Они выделяются родителями в окружающую среду и детектируются определенными нейронами личинок. В зависимости от сигнала темпы развития и двигательная активность потомства могут сильно различаться.
Лекция гл.н.с. НИЦ Инновационные биотехнологии, профессора кафедры Пищевая технология Дальрыбвтуза Н.Н. Ковалева «Кормовые микроводоросли: аспекты практического культивирования» была посвящена важным вопросам выращивания микроводорослей. Были приведены основные проблемы аквакультуры этих организмов. На примере собственных работ им были показаны способы преодоления этих проблем для получения наибольшего выхода продукта.
В докладе доцента КубГУ (Краснодар) Волченко Н.Н. и аспиранта Университета ИТМО (Санкт-Петербург) А.А. Лазукина «Применение бентосных микробных топливных элементов в системах мониторинга параметров водной среды» описаны теоретические основы работы биотопливных элементов и практические результаты исследования их применения в условиях Японского моря. В теоретической части дано определение микробных топливных элементов (МТЭ), описаны базовые физико-химические принципы их функционирования за счёт анаэробных электронтранспортных цепей микроорганизмов. Обозначены основные мировые направления текущего исследования и применения МТЭ, а также потенциальные перспективные тренды развития. Отдельный акцент сделан на теоретические основы и практические эксперименты в области бентонсных (донных, осадочных МТЭ), интегрируемых в природную среду, в том числе в морскую. В части практических результатов исследования их применения в условиях Японского моря приведены сведения о текущих экспериментах, проводимых совместно ННЦМБ и КубГУ в бухте “Тихая заводь” на базе биостанций «Восток» и «Запад». Описаны технические основы устройств для мониторинга параметров водной среды, приведены годичные и текущие данные по температуре, освещенности, солёности воды, транслируемые в облачное хранилище данных. В рамках изучения фундаментальных основ биоэлектрогенеза приведены соотношения электрического напряжения, создаваемого микробными топливными элементами и количества белка биоплёнок, смытых с их биоанодов, а также скорость выделения углекислого газа и уровень биоэлектрогенеза у различных образцов донных грунтов. Сделан вывод о том, что электрогенная активность донного микробного сообщества может быть использована как показатель его метаболической активности, отличающийся возможностью автоматического непрерывного мониторинга с трансляцией данных в облачное хранилище. Приведён характер распределения 11 тяжелых металлов в донных осадках в межэлектродном пространстве. Показано что в случае активных биоэлектрогенных процессов 6 тяжелых металлов более эффективно удерживались в слое донного грунта. Приведён характер распределения ионов аммония и фосфата. Аммоний и фосфат количественно доминировали в верхней части толщи грунта, наиболее удаленной от биоанода. В прианодной зоне их количество было минимально, как и в самом углеродном материале анода. Пониженные содержания азота и фосфора могут свидетельствовать об их активной метаболизации анодофильной микрофлорой в качестве биогенных соединений. Сделан вывод, что биоэлектрохимические процессы могут служить основой для новых методов экобиотехнологий - активизации превращения биогенных элементов, электрокинетической миграции тяжелых металлов.
В докладе гл.н.с. ННЦМБ ДВО РАН В.А. Брыкова «Генетические исследования в марикультуре» приведены и охарактеризованы основные методы и подходы для анализа генетической изменчивости в популяциях морских животных: анализ аллозимной изменчивости; анализ изменчивости нуклеотидных последовательностей в митохондриальной ДНК; анализ изменчивости микросателлитных локусов; анализ однонуклеотдного полиморфизма (SNP). На примере работ, проводимых в Лаборатории генетики ННЦМБ, показаны некоторые закономерности распределения генетической изменчивости в мтДНК и микросателлитных локусах трепанга Apostichopus japonicus в заливе Петра Великого Японского моря. Показано, что особенности генетической изменчивости определяется в этом регионе экологическим факторами (в частности – температурой) и антропогенными (перелов).
Результаты работы Морского биобанка были представлены в докладе вед.н.с. ННЦМБ ДВО РАН Т.Ю. Орловой «5 лет Морскому биобанку ННЦМБ ДВО РАН: первые итоги, уроки и перспективы». «Морской биобанк» был создан в 2017 году на базе существующих уникальных биологических коллекций, находящихся в ННЦМБ ДВО РАН. Морской биобанк предназначен для сбора, хранения, изучения, обмена и внедрения результатов по широкому спектру морских биологических образцов в соответствии с передовыми технологиями и сочетает в себе возможности роботизированного криохранилища морского биоматериала (LiCONiC STC Compact ULT -80°C; THE BIOSAFE-420), передовых технологий обработки (TECAN Freedom EVO 150/8, TECAN Spark®) и средств контроля и доступа («BIOSAFE ®-Control ß», образцы FreezerPro и C+CRYO System). На сегодняшний день в Морском биобанке представлен широкий спектр биологических проб, а также проб морских отложений, в том числе глубоководных, собранных в экспедициях Центра с помощью телеуправляемого аппарата Comanche 18. Коллекция биобанка включает отечественные клоны и штаммы морских микроводорослей и цианобактерий, в том числе, вызывающих вредоносное цветение воды и продуцирующих фикотоксины, а также биоматериалы морских млекопитающих из Приморского океанариума. В докладе были показаны сложности, связанные с работой Морского биобанка, в том числе проблемы, которые могут стать препятствием для межведомственного и трансграничного сотрудничества, ограничивающим доступ к образцам и данным. В докладе были озвучены перспективы развития Морского биобанка ННЦМБ ДВО РАН.
Корреспондент А.В. Рубцова (г. Москва) представила научно-популярный доклад «Кругосветное плавание на учебном парусном судне «Паллада» в 2019-2020 г.: 200-летие открытие Антарктиды российскими мореплавателями, ревущие сороковые, пандемия, три океана» о своем участии в кругосветном плавании на парусном судне «Паллада».
В рамках Школы прошла премьера фильма ст. редактора дирекции программ «Общественного телевидения Приморья» В.Г. Ощенко «Присматривая за Тихим океаном: Дальний Восток». Этот фильм рассказывает об ученых ННЦМБ ДВО РАН и ТОИ ДВО РАН, исследующих различные аспекты физики и биологии океана.
Cпонсор Школы Компания Хеликон.
Информацию подготовил чл.-корр. РАН Долматов И.Ю.