Búvárbiológusok tárják fel a sosem látott rákok világát | MTA

Búvárbiológusok tárják fel a sosem látott rákok világát

Néhány hete mutatta be a Filmklub az Akadémián a Budapest Inferno című filmet, amely a budapesti Molnár János-barlangban folytatott barlangbiológiai kutatásokról szól. A vizsgálatokat végző tudósokat most munkájuk, felfedezéseik részleteiről kérdeztük, minthogy mára nyilvánvalóvá vált: a Molnár János-barlang a tudomány számára eleddig ismeretlen fajokat rejt, életközössége pedig általános evolúciós folyamatok modelljeként is értelmezhető.

2018. június 14. Molnár Csaba

Balázs Gergely egész kicsi korától kezdve búvárkodik – ez nála családi késztetés volt, lévén édesapja ugyancsak búvár. Ahogy felnőtt, a kedvtelésből való merülés után már különféle, nagyobb szakértelmet kívánó búvárfeladatokra is vállalkozott, és így tesz a mai napig is. Ennek ellenére másik hivatását, a biológiát csak egészen későn kapcsolta össze a búvárkodással.

„Én mindig is biológus akartam lenni, tehát a víz alatti barlangok élővilágának tanulmányozását nem a búvárkodás felől közelítettem meg. Talán azért nem is jutott eszembe sokáig, hogy a két tevékenységnek lehet közös területe, mert a búvárkodás olyan természetes volt számomra, hogy nem éreztem »különleges képességnek« – emlékszik vissza az mta.hu kérdésére Balázs Gergely, az Eötvös Loránd Tudományegyetem Állatrendszertani és Ökológiai Tanszékének doktorandusza. – Végül a doktori kutatásom kapcsán jött az ötlet, hogy a barlangi búvárkodást össze lehetne kötni a biológiával. Ebből a szempontból a Molnár János-barlang azonnal érdekesnek tűnt, hiszen itt található hazánk legnagyobb víz alatti üregrendszere. Ugyanakkor nem lehettem biztos abban, hogy valójában mennyire is érdekes a barlang, hiszen akkoriban (talán öt évvel ezelőtt) még csak egy állatfajt írtak le a barlang mélyéről, ez a hévízi vakbolharák volt.”

barlangbiológia, Molnár János-barlang Balázs Gergely a Molnár János-barlangban Fotó: Sásdi Zsolt

A Molnár János-barlang eddig feltárt hat kilométeres, jórészt vízzel elöntött üregrendszerével valóban Magyarország legnagyobb víz alatti barlangja. Nevét első kutatójáról, Molnár Jánosról kapta, aki a 19. században vegyészeti elemzéseket végzett a víz összetételéről, és ennek alapján helyesen arra következtetett, hogy a források mögött kiterjedt üregrendszer lehet. Ma a barlang fokozottan védett, és a barlangi búvárkodás talán legintenzívebben kutatott hazai üregrendszerének számít. Tényleges kiterjedéséről csak becslések vannak, feltárt hossza szinte hétről hétre növekszik. A barlang geológiai jellegzetességeinél csak egy dolgot ismerünk kevésbé: az élővilágát. A kezdetben hitt egyetlen bolharákfajnál ugyanis már biztosan sokkal összetettebb a lenti ökoszisztéma.

Részlet a Budapest Inferno című filmből:

Ismeretlen fajok a mélyben

„A barlangot feltáró búvárok már a kezdet kezdetén is látták, hogy vannak a vízben rákok, de ezeket a nem szakértő szem igen nehezen tudja elkülöníteni egymástól. Aztán ahogy megpróbáltuk felmérni a barlangban honos bolharákok populációját, fokozatosan kiderült, hogy három bolharákfaj, a közönséges víziászka barlangi életmódhoz alkalmazkodott változata, illetve egy csiga is él lent – folytatja Balázs Gergely. – Utóbbi felfedezése különösen érdekes módon történt. Épp egy filmet forgattunk (ez a Budapest Underground volt, amely a főváros természetes és mesterséges föld alatti helyeit mutatta be), és a vágás közben akadt meg a szemünk az egyik makrofelvételen szereplő milliméteres csigán, amelyet ott »élőben« észre sem vettünk. Ezen felbuzdulva mentem vissza a barlangba, és valóban megtaláltam a csigát. Így lett az egy fajból mára öt.”

A megtalált fajok közül két vakbolharák bizonyosan új, eddig nem azonosított fajhoz tartozik, a víziászkáról pedig még töprengenek a kutatók, hogy azt vajon indokolt-e új fajba sorolni, vagy csak a már ismert ászka barlangi változatával állnak szemben. A csiga egy olyan fajcsoporthoz tartozik, amely eddig főként Németországból került elő.

A kutatómunkának csak kis része zajlik a barlangban a víz alatt. Gergely elmondta, hogy talán két-három havonta merül kifejezetten biológiaiminta-gyűjtés céljából. Ilyenkor egy szippantó eszközzel csípi el a rákokat és a csigákat, amelyeket aztán különleges tartósítófolyadékban tárolnak, és további elemzésre elküldik őket a világ számos pontján dolgozó kollégáiknak. A genetikai analízist a Floridai Nemzetközi Egyetemen végzik, az élőlények táplálkozását a massachusettsi Woods Hole Oceanográfiai Intézetben dolgozó Brankovits Dávid vizsgálja izotópos módszerekkel, a morfológiai vizsgálatokat pedig maga Balázs Gergely végzi az ELTE-n.

barlangbiológia, Molnár János-barlang Asellus aquaticus (közönséges víziászka), barlangi változat Fotó: Balázs Gergely
barlangbiológia, Molnár János-barlang Asellus aquaticus a Malom-tóból, felszíni változat Fotó: Balázs Gergely

„A hosszú évek tapasztalata alapján ma már többnyire a megfelelő fajokat gyűjtöm be a barlangban. Néhány milliméteres állatokról beszélünk, ennek ellenére szabad szemmel, búvárszemüvegen keresztül is felismerhető különbségek vannak köztük. Persze előfordul, hogy már csak a laborban veszem észre, hogy véletlenül felszippantottam egy-egy felesleges csigát, de azokat mindig visszaviszem a barlangba – avat be minket a sötét, víz alatti barlangban végzett biológiai terepmunka nehézségeibe Balázs Gergely. – Csak annyi egyedet gyűjtök be, amennyi elengedhetetlenül szükséges a vizsgálatok elvégzéséhez, hiszen a barlangok élővilága rendkívül érzékeny életközösség. Hiába kicsik ezek az állatok, egy egyed teljes morfológiai feldolgozása három napot is igénybe vesz. Mikroszkóp alatt kell kipreparálni, és egy sor adatot le kell mérni rajtuk.”

A Molnár János-barlang kutatásának jelentősége jóval túlmutat azon, hogy ismeretekre teszünk szert erről a konkrét víz alatti üregrendszerről. Gergely elmondta, hogy a barlangi élővilág modellrendszerként is értelmezhető, hiszen a külvilágtól erősen izolált (szigetként működik), a körülmények (a fénytartalom – ami nulla –, a hőmérséklet, a vízösszetétel) nagyon stabil. Mindez lehetőséget ad a biológusoknak, hogy a fajkeletkezéstől a kolonizáció mechanizmusain át a táplálékhálózatok működéséig számos kérdést vizsgáljanak.

barlangbiológia, Molnár János-barlang Niphargus sp. (2018. november 2.) Fotó: Balázs Gergely

Helyben készülő táplálék

A barlangi táplálékhálózatok működése különösen érdekes problémát vet fel. Vajon honnan származik mindaz a tápanyag, amelyet a ma ismert öt barlangi állatfaj fogyaszt, illetve milyen szerepet játszanak egymás táplálkozásában (vagyis ragadozója-e egyik a másiknak)? A barlang vizében ugyanis nincs szemmel látható nyoma a felszínről származó szerves törmeléknek, de a felszínről beszivárgó vizek aránya is egészen minimális. De valamit enniük kell az ott élő állatoknak! E kérdésekre még csak sejtéseik vannak a kutatóknak, de remélhetőleg hamarosan már bizonyító erejű ismeretekre is szert tesznek, mégpedig a Woods Hole Intézetben dolgozó Brankovits Dávid izotópos munkájának köszönhetően.

„Az vagy, amit megeszel – szól a mondás. És valóban, léteznek tudományos módszerek, melyekkel ezen elv alapján pontosan ki lehet mutatni, hogy mivel táplálkozott a vizsgált élőlény. Az izotópvizsgálatok segítségével például ki lehet mutatni, hogy milyen főbb szerves (táplálék)forrásokat hasznosítottak a vizsgált egyedek – válaszolta kérdésünkre Brankovits Dávid. – A Molnár János-barlangban végzett ökológiai kutatások esetében a fő kérdés – melyet stabil szén- és nitrogén-izotópvizsgálatokkal tervezünk megválaszolni –, hogy milyen táplálékforrások biztosítják a barlangi élőlények fennmaradását. Milyen kapcsolatok építik fel a barlangi táplálékhálózatot? Csupán a barlangon kívül található Malom-tóból bemosódó szerves anyag szolgál táplálékul? Esetleg a barlangi ökoszisztéma képes saját szervesanyag-forrásait előállítani kemoszintetizáló mikrobáknak köszönhetően?”

barlangbiológia, Molnár János-barlang Niphargus sp. (2018. november 1.) Fotó: Balázs Gergely

A felszíni tóban a táplálékul szolgáló szerves anyagot az algák és a növények állítják elő „rendes” fotoszintézissel. Így jól ismert izotóparánnyal rendelkezik, amit a fogyasztóiból is ki lehet mutatni. Kérdés, hogy a barlangi állatok is ezt fogyasztják-e, vagy valami egészen mást.

„A kezdeti vizsgálatok alapján megállapíthatjuk, hogy a Malom-tóban és a barlang bejáratában gyűjtött állatok elsősorban a tóban fotoszintézissel előállított táplálékot fogyasztják. Ezzel szemben a barlangi egyedeknek a felszínitől eltérő az izotóparányuk. Ez arra utal, hogy a tóban termelt szerves anyag nem jut el a barlang mélyébe, és az ott élő egyedek ezért valamilyen más táplálékforrást hasznosítanak. További vizsgálatokkal tervezzük kideríteni, hogy pontosan honnan származik ez a szerves anyag – folytatja Brankovits Dávid.

Az evolúciós és ökológiai kutatásokat ki fogjuk egészíteni további vízkémiai és mikrobiológiai vizsgálatokkal, hogy pontosan meg tudjuk határozni a barlangban elérhető szerves anyag forrását. Kérdéses ugyanis, hogy a felszínitől különböző barlangi táplálékforrás valamilyen ismeretlen forrásból mosódik-e be (például a talajból vagy szennyeződés következtében), vagy a barlang ökoszisztémája állítja-e elő kemoszintézis segítségével. Bármi legyen is a válasz, sokat fogunk tanulni erről a különleges ökoszisztémáról, amely egyedülálló módon fővárosunk szívében található.”

Bár Dávid igen óvatosan fogalmazott, amikor a barlangi állatok izotóp-összetételének hátteréről kérdeztük, a kollégái bátrabban kijelentették, hogy a Molnár János-barlang ökoszisztémája kemoautotróf, magyarul az életben maradáshoz szükséges tápanyag nem a napfény energiájának segítségével, hanem vegyi folyamatok által keletkezik ott, a barlangban. Balázs Gergely úgy fogalmazott, hogy jelen pillanatban a rendelkezésre álló adatok alapján kemoautotrófnak tűnik a rendszer, de ennek bizonyításához egyelőre kevés az adat. Ez azonban hamarosan megváltozhat.

barlangbiológia, Molnár János-barlang Bythiospeum sp. Fotó: Balázs Gergely

A barlang mint evolúciós kísérlet

A barlangi életformák szerte a világon jellegzetesen különböznek felszíni rokonaiktól. A föld alatti életmód egyrészt különleges képességeket követel, másrészt számos, a felszíni környezetben elengedhetetlen jelleget szükségtelenné tesz. Az efféle extrém élőhelyeken élő állatok mindig is érdekesek voltak az evolúcióbiológusok, mint például Herczeg Gábor számára.

„Engem elsősorban a környezeti változatossághoz való adaptációk érdekelnek. Minden olyan, szélsőségesen különböző élőhely, ahol ugyanannak a fajnak populációi (vagy közeli rokon fajok) fordulnak elő, remek modellrendszerként szolgál e kérdés vizsgálatához – mondja az ELTE Állatrendszertani és Ökológiai Tanszék kutatója. – A vakbolharákoknak és a víziászkáknak vannak felszíni és barlangi populációik is. Amikor ezek meghódítanak egy barlangot (és erre vannak szlovéniai, magyarországi, sőt romániai példák is), akkor jellemzően eltűnnek a pigmentjeik és a szemük, hiszen ezek haszontalanná válnak, viszont kialakításuk és fenntartásuk rendkívül költséges. Tehát egy olyan mutáció, amely ezek kifejlődését gátolja, hirtelen előnyössé válik. Ellenben a tapogatás fontossága miatt a csápjaik és a lábaik megnyúlnak.”

Ezeket a jelenségeket már több fajnál is megfigyelték. Van azonban egy alapvető evolúciós kérdés, amelyet Herczeg Gábor a Molnár János-barlang (és a hozzá hasonló barlangok) élővilágát tanulmányozva igyekszik megválaszolni: vajon miért marad meg a fenotípusos változatosság a populációkban, és miért nem válik egyik vagy másik jelleg abszolút egyeduralkodóvá?

„Ha abból indulunk ki, hogy van egy optimális fenotípus, és a szelekció nemzedékről nemzedékre ebbe az irányba nyomja a populációt, akkor a többi fenotípus idővel eltűnik. Csakhogy nem ez a helyzet. Sok elmélet létezik ennek magyarázatára, az egyik legrégebbi szerint a legtöbb élőhelyen a környezet változatos, mind térben, mind időben. Emiatt folyton változnak a szelekciós hatások, ez pedig fenntartja a populáción belüli változatosságot – folytatja Herczeg Gábor. – Sajnos aránylag kevés az olyan élőhely, ahol a környezet idő- és térbeli változatossága alacsony, de ilyenek például a mély tengerek és a barlangok. Ez adta az ötletet ahhoz, hogy

e régi, de ritkán tesztelt teória helyállóságát a barlangokban vizsgáljuk meg.”

barlangbiológia, Molnár János-barlang Niphargus hrabei (eredetileg N. thermalis, de a vizsgálatokból kiderült, hogy a két faj ugyanaz, ám a hrabeit előbb írták le). Magyarországon széles körben elterjedt felszíni faj Fotó: Balázs Gergely

Nem azt vizsgálják tehát elsősorban a kutatók, hogy a barlangokban valóban hosszabb lába van-e a bolharáknak (a válasz valószínűleg: igen), hanem hogy a barlangi populáció önmagán belül egyöntetűbb-e, mint a felszíni. Ez ugyanis a hipotézis, hiszen ha nincsenek meg a környezet apró különbségei, akkor az elmélet szerint már fixálódhat az ideális fenotípus. E projekt néhány hónapja indult. A kutatók az ELTE alagsorában igyekeznek jelenleg egy barlangi körülményeket modellező labort kiépíteni.

„Számos más kérdés is felvethető. A viselkedési változatosság megnyilvánulhat a populációk között, a populációkon belül, sőt az egyedeken belül is. Utóbbi a mostanában egyre inkább a figyelem központjába kerülő »állati személyiség« kérdése. Azt várjuk, hogy a barlangban az egyedek viselkedése hasonlóbb lesz, maguk az egyedek is kevéssé változnak, sőt a környezeti változásokat sem nagyon tudják követni a nagyobb külső variabilitáshoz alkalmazkodni kénytelen felszíni társaikhoz képest – mondja az evolúcióbiológus. – A Molnár János-barlang a többi barlanghoz képest is unikális, hiszen itt feltehetően kemoautotróf módon jön létre a tápanyag. De ennek is megvan a párja, méghozzá a dobrudzsai Movile-barlang Romániában. Ez rendkívül fontos számunkra, hiszen a két barlang élővilágának párhuzamos vizsgálatával már független ismétléseink lesznek, így az eredményeink is megbízhatóbbá válnak."