VIII. Biológiai Tudományok Osztálya

Székfoglalók

Soron következő székfoglaló előadások:
Székely Tamás,
az MTA külső tagja: 2019. december 10. 13:30
Buzás Edit Irén, az MTA levelező tagja: 2019. november 12. 13:30

A mintázatelemzéstől a folyamatok megértéséig
Padisák Judit, az MTA levelező tagja székfoglaló előadása
2019. október 8.
MTA Székház, Nagyterem

Fitoplanktonnak nevezzük a nyíltvizeket (alapvetően: tavak, tengerek, nagy folyók) benépesítő növényi életközösséget. Az egy víztérben kimutatható fitoplankton fajok száma több százra tehető, mikroszkópikus méretűek és képesek arra, hogy életciklusuk nagy részében a vízben szabadon lebegve jussanak energiához (döntően fényenergia) és tápanyagokhoz. A légköri oxigénkészlet mintegy felét e szervezetek termelik. Az 1970-es években a firoplankton kutatásokat a „forszfor paradigma” uralta, mely a vizek foszforterhelése és a víz klorofill-a tartalma alapján az eutrofizálódás folyamatára koncentrált – egyúttal a fitoplankton közösséget egyetlen, spektrofotometriásan könnyen meghatározható változóra redukálva. Sem elméletileg, sem gyakorlatilag nem mindegy azonban, hogy egy növényi közösséget mely fajok alkotnak, s ezek dominanciaviszonyait milyen folyamatok hattározzák meg. Az eutrofizálódásra koncentrált figyelem mellett a fitoplankton társulásökológiai kutatások nem voltak jellemzőek - e tudományág vizsgálja a faji összetételt (mint mintázatot) és annak környezeti meghatározottságát (mint folyamatot). Minthogy az összefüggések feltárása nagy adattömegek elemzését igényli, ezért általában a társulásökológia térnyeréséhez alapvetően szükség volt az információtechnológia és statisztikai elemzési módszerek az utóbbi 40 évben bekövetkezett gyors feljlődésére.

Az előadás számos példán mutatta be, hogy mintázatok alakításában a víztest fizikai jellemzőinak alapvető szerepe van:

A Balatonban a viharok (mint „zavarás”) után a kis termetű, gyors növekdésű (r-stratégista) algák szaporodnak el nagyobb mértékben, a csendes időszakokban átadják helyüket a nagyobb termetű, lassabb növekedésűeknek (K-stratégisták). E mintázat megfelel a Connell által trópusi esőerdőkre és korallzátonyokra leírt „Köztes Diszturbancia Hipotézisnek”. A fitoplankton vizsgálatok lehetővé annak az általános következtetésnek a levonását, hogy azok a zavarások vezetnek maximális kompozíciós diverzitáshoz, melyek 3-4 generációnként követik egymást.

A Fertő fitoplanktonja fajszegény, s abban a nagy termetű kovaalgák dominálnak. Ez a tó az Alpok és a Kárpátok közti szélcsatornában helyezkedik el, gyakran és gyorsan felkeveredik emiatt vize zavaros. A gyakori felkeveredés e gyenge lebegőképességű algákat rendszeresen a víz felső megvilágított részébe keverik, ahol lehetséges a fotoszintézis, a gyors süllyedés miatt pedig az üledék tápanyagtartalmát tudják hatékonyan hasznosítani. A nagy méret azt teszi lehetővé, hogy az ülepedő igen apró szervetlen részecskék ne temessék el őket.

Egy trópusi, rétegzett, mély tóban (Lake Dom Helvéció, Brazília) a járommoszat dominanciáját hasonló mechanizmus tartja fenn. A járommoszatok aktív lebegésregulációra szintén képtelenek, süllyedésül gyors. Klimatikus okok miatt e tavak minden kora hajnalban konvekciós áramlással teljes epilimnetikus mélységükben fekeverednek ezzel szuszpendálva az előtte a metalimnion sűrűbb, tápanyagdúsabb vizén összegyűlő algákat.

A berlini Müggelsee erősen “átfolyásos” tó. Alapvetően az határozza meg, hogy nyáron a kovaalgák vagy a cianobaktériumok dominálnak, hogy mennyi a tóban a víz kicserélődási ideje: ha kb. 45 napnál rövidebb, akkor a kovaalgák, ha hosszabb, akkor a cianokaktériumok.

A fent leírt mintázatok és folyamatok – több hasonló nemzetközi kutatással együtt – vezettek arra a felismerésre, hogy a fitoplankton fajokat társulásökológiai szempontból nem taxonómiai hovatartozás alapján szerencsés csoportosítani, hanem funkcionális jellegzetességeik szerint. E szükségeletet az is jelzi, hogy 2002 és 2010 között három ilyen, elméleti hátterét tekintve különböző rendszert is felállítottak. A funkcionális csoportokat olyan fajok alkotják, melyek sajátságai illeszkednek bizonyos élőhelytípushoz, illetve a az egyes habitatjellemzők változására - akár pozitívan, akár negatívan - hasonlóan reagálnak. E megközelítés tette lehetővé, hogy kefejlesszünk egy olyan mérőszámot, mely a Víz Keretirányelv szempontrendszerének megfelelően alkalmas a fitoplankton alapú ökológiai állapominősítésre. Ez az egyetlen olyan módszer, mely megfelelő kalibrálás esetén klímától, ökorégiótól és a meghatározó vezérváltozótól (pl. kinetikai jellemző, sótartalom, tápanyagterhelés, huminanyag tartalom, stb.) független, ami széleskörű elterjedségéhez vezetett. A esettanumányok bemutatták a Balaton referenciaállapotának becslését, Bulgária 78 tavának ökológiai állapotbecslését és a Loire folyót érő antropogén hatások kimutatását.

A Balatonban 1978-ban megjelent egy invazív trópusi cianobaktérium, a Cylindrospermopsis raciborskii (jelenleg érvényes nevén Raphidiopsis raciborskii), mely 1982-ben, 1992-ben és 1994-ben az egész tóra kitejedő vízvirágzást okozott. A világ minden tájáról összegyűjtött florisztikai adatok azt mutatták, hogy egész Földre kiterjedő inváziója mintegy másfél évszázad alatt ment végbe. A faj ökológiai, terjedésbiológiai és ökofiziológiai jellemzői alapján azt lehetett feltételezni, hogy evolúciós központja a trópusi mély tavak metalimnetikus vagy felő hipolimnetikus rétegében található, ahonnan célzott mintavétellel elő is került. Másodlagos evolúciós központként szerepelhettek az ausztrál billabongok (a folyók apadása után visszamaradó állóvizek), melyek sótoleranciáját és terjedőképességét magyarázzák. Mindezt későbbi molekuláris genetikai vizsgálatok igazolták.

A székfoglaló előadás további része a fitoplankton ökológiában az utóbbi időben megjelent új módszerek (molekuláris genetika, “omics”, térinformatika, on-line mérési módszerek, statisztikai eljárások) alkalmazási perspektíváit mutatta be. Különböző kontinensekről származó vízvirágzást okozó Microcystis cianobaktériumhoz asszociálódott baktériumközösségekről megállapítottuk, hogy azok baktériumai taxonómialilag ugyan különböznek, de a funkcionális hasonlóságuk jelentős, s a földrajzi távolságtól független. Egy, a gazdaságtudományból átvett statisztikai módszerrel, az un. oksági analízissel vizsgáltuk a Stechlin-tó eutrofizálódásának háttérét, a hatás és a rendszerválasz közti késés valószínű mechanizmusát. E kutatás a rendszermemória feltárásának egyedi példája.

Az előadásról készült képek elérhetők itt.

A talamusz és a sokféleség dicsérete
Acsády László, az MTA levelező tagja székfoglaló előadása
2019. szeptember 10.
MTA Székház, Felolvasóterem

A biológiai szerveződési szinten megfigyelhető jelenség az anyagcsere-folyamatoktól az ökoszisztémákig. A sokféleség minden bizonnyal nagyban fokozza az élő szervezetek alkalmazkodóképességét a gyorsan változó környezeti feltételek között.

Az idegrendszer sokfélesége legkönnyebben az idegsejtek sokféleségében érhető tetten. Az idegsejtek a teljes emberi szervezet mindössze 0,3%-át alkotják, mégis e 0,3% sokkal többféle sejttípusból áll, mint a maradék 99.7%. Akár egy idegrendszeri területen belül is, anatómiailag és működés tekintetében is több tucat eltérő sejttípus fordulhat elő. E sejtek egymás között rendkívül sokféle kapcsolatot alkotnak, és ez a sokféleség az alapja a komplex idegi működéseknek. A címben szereplő talamusz azonban kivételt képez. Jelenlegi ismereteink szerint a talamuszt egyféle idegsejt alkotja, amelyek egymással nem lépnek kapcsolatba.

A talamusz a gerinces idegrendszer „találmánya”. A legmagasabb idegrendszeri funkciókért felelős agykéreggel együtt fejlődött ki. A szerveződés során úgy alakult, hogy a legtöbb, a környezetre és az élőlény belső állapotára vonatkozó információ a talamuszon keresztül jut el az agykéregbe. Az agykéreg a talamusz nélkül el van vágva a külvilágtól. Emellett a bemeneti működés mellett az agykéreg normális működéséhez szükség van a talamusszal zajló folyamatos párbeszédre, illetve a talamuszon keresztül történik visszajelzés az agykéreg kéreg alatti területekre gyakorolt hatásáról. Hogyan lehetséges e komplex szerep végrehajtása egyféle idegsejttel?

Az Acsády László vezetésével a Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézetben (MTA Kiválósági Intézet) működő Thalamus Kutatócsoport eredményei alapján kijelenthető, hogy a talamusz sokfélesége a bemenetek sokféleségében rejlik. E sokféleség legalább három dimenzióban valósul meg. Először: az agykéreghez képest a talamusz rendkívül sokféle agyterületről kap bemenetet. Másodszor: e sokféle bemenet morfológiailag és funkcionálisan sokféle serkentő és gátló idegvégződést alkot. Harmadszor: a különböző eredetű és típusú idegvégződések sokféleképpen kombinálódhatnak a talamusz területén. Ezzel az elrendezéssel a talamuszban az idegrendszerben egyedülálló módon egy mozaikos elrendezés valósul meg, amelyben az egymás mellett lévő talamikus területekre (vagy akár sejtekre is) más-más kapcsolódási elv jellemző. A legtöbb idegrendszeri területen ugyanis ún. moduláris elrendezést találunk, ahol egy adott kapcsolódási struktúra (bármennyire bonyolult is) ismétlődik az agyrégión belül.

Ezek alapján megállapítható, hogy a talamusz az idegrendszer szinte minden komplex működését érintő funkcióját úgy valósítja meg, hogy még mielőtt az agykéreg felé továbbítaná, az adott funkciónak megfelelően súlyozza és kombinálja az idegrendszer különböző területeiről érkező információkat. Az egyféle idegsejt pedig lehetővé teszi a rendszer belső állapottól függő egységes szabályozását, ami ezen állapotnak (pl. alvás, ébrenlét, figyelem, szorongás, öröm stb.) megfelelően szabályozza a talamikus integrációt és információtovábbítást.

Komplex funkciói ellenére a talamusz nagyon kevéssé ismert terület. A legújabb eredmények például arra utalnak, hogy a talamusz területén is előfordulhatnak különböző sejttípusok. Az Acsády László és kutatótársai által leírt egyedi bemeneti és kimeneti tulajdonságokkal jellemezhető sejttípus egyik fő funkciója az agytörzsi és hipotalamikus ébresztő szignálok továbbítása a teljes előagy területére.

A kutatók azt remélik, hogy a talamikus működés megértése új dimenzióba helyezi az agykérgi működés megértését, és ezzel együtt megnyitja a lehetőséget a talamokortikális rendszert érintő, a modern társadalom működését rendkívül súlyosan befolyásoló idegrendszeri kórképek (pl. alvászavar, skizofrénia, Parkinson-kór, autizmus, krónikus fájdalom, tudatzavar) új módszereken alapuló gyógyítására.

Az előadásról szóló, képgalériával és videóval bővített összefoglaló elérhető itt.

Székfoglalók 2016

Székfoglalók 2013

Székfoglalók 2010