Visioonid aastaks 2020 – loodusteadused

Jätkame meie lugejateni portaali novaator.ee poolt kirjeldatud vaadete toomist meie keskkonnale ja elule aastal 2020.

Mikrofloora uurimine

Uue kümnendi esimeses numbris palus ajakiri Nature juhtivatel teadlastel ja ekspertidel ennustada, mis toimub nende erialal kümne aasta pärast. Ekspertidel paluti välja tuua oma eriala võtmeküsimused, peamised takistused arenguks ja järgmised sammud nende takistuste ületamiseks.

Nakkushaigusi uuriv Calfornia teadlane David Relman ennustas, et lähema kümne aasta üheks tähtsamaks ökoloogiliseks uurimisvaldkonnaks on inimese mikrofloora.

Inimesed on üllatavalt sõltuvad mikroobsetest organismidest, kes nende peal ja sees elavad. Mikroorganismid aitavad toidust energiat kätte saada, immuunsüsteemi haigustekitajate rünnakuks ette valmistada ja haigustekitajate endi eest kaitsta. Siiani on teadmised inimese mikrofloorast ja selle funktsioonidest aga suhteliselt pealiskaudsed.

Inimese keha koosneb erinevatest mikroobidele sobivatest elupaikadest nagu näiteks suu, nahk või sooled. Kõiki mikroobide jaoks olulisi elupaiku inimese peal ja sees pole veel identifitseeritud, samas võivad just avastamata elupaikades aset leida olulised bioloogilised protsessid. Järgmise kümne aasta jooksul püütakse molekulaarbioloogiliste uuringute abil kindlaks määrata haruldasemaid liike ja hinnata mikroobide üleüldist mitmekesisust inimkehal.

Kuigi inimese mikrofloora pole sugugi juhusliku koosseisuga, teatakse üsna vähe selle moodustumise reeglitest. Millist rolli omavad varajane kokkupuude mikroorganismidega või mikroorganismide omavahelised suhted? Kas ja kuidas toimub valik mikroobide populatsioonides? Ja kõige olulisem küsimus: kuidas kontrollib inimkeha oma mikrofloora koosseisu? Kui nendele küsimustele osataks vastata, tooks see kaasa olulisi edasiminekuid ka inimeste tervise eest hoolitsemises.

Sama oluline on mõista ka inimese mirkrofloora stabiilsust ja püsivust. Kuidas tulevad mikrofloorat moodustavad organismid toime näiteks antibiootikumidega? Kui palju mõjutavad muutused mikroflooras inimese tervist? Mis mehhanismid kindlustavad mikrofloora stabiilsuse ja kuidas saaks neid mehhanisme tugevdada?

Nendele küsimustele vastamiseks on vaja mõista mikrofloora funktsionaalseid omadusi. Selleks tuleb DNA sekveneerimise tulemused kõrvutada RNA ja valkude otsese mõõtmise ning funktsioonide uuringute ja keskkonnamuutuste mõju hindamise tulemustega.

Praeguseks on alustatud rahvusvahelise projektiga, mille eesmärgiks on kaardistada inimese mikrofloora, mis on eelpool esitatud küsimustele vastamiseks hea alguspunkt. Lisaks on vaja hästikontrollitud pikaajalisi kliinilisi uuringuid, mikrofloorat minimaalselt häirivaid proovide võtmise meetodeid, keeruliste ja mitmetasemeliste andmete analüüsimisstrateegiaid ja ökoloogide, mikrobioloogide, arstide ja tehnoloogiaspetsialistide tihedat koostööd.

Mullateadus

2020. aasta lähenedes peab maailm tegema olulisi korrektiive oma senises lähenemises põllumajandusse.

Muldade vaesumine on globaalprobleem, millele on siiani pööratud vähe tähelepanu. Inimkond on oma mõtlematu käitumisega juba hävitanud kolmandiku haritavast maast ning igal aastal kaotame pool protsenti järgijäänust. Sellele vaatamata peame kuidagi toime tulema peagi ligi kümne miljardi inimese toitmisega, kirjutas David Montgomery Washingtoni ülikoolist ajakirjas Nature.

Ka põllumajanduses oli 20. sajand väga edukas. Roheline revolutsioon ja intensiivne väetamine lubasid ühelt hektarilt saada palju paremat saaki kui varem. Nüüd on aga selge, et edu tuli osaliselt tuleviku arvelt.

Saagikuse suurenemine on seotud põllumajanduse mehhaniseerimise ja väetamisega, kuid mulla elustikule on see mõjunud laastavalt. Uuringud on näidanud, et mitmes põllumajanduspiirkonnas on täiesti uued organismid asendanud senise loodusliku koosluse, näiteks bakterid seente asemel. Seente sümbioos taimedega ehk mükoriisa on taimedele väga vajalik, sest aitab neil mullast vajalikke toitaineid omastada.

Tulevikus tuleb senisest enam arvestada konkreetse mullatüübi omapäraga ning võtta arvesse teadusuuringuid, mis tutvustavad mulda säästvaid ja selle looduslikke omadusi säilitavaid meetodeid, selle asemel, et vaesuvale mullale lihtsalt veelgi enam väetist peale kallata.

Valitsused peaksid agressiivselt rahastama vastavaid teadusuuringuid ning igati soodustama säästliku põllumajanduse levikut.

Õhuke maapinda kattev mineraalidest, orgaanilisest ainest ja mikroorganismidest koosnev kiht, mida nimetatakse mullaks, on iga riigi kõige strateegilisem ressurss. Sellest arusaamine ja senise käitumise muutmine on tulevikku silmas pidades väga vajalik.

Ökoloogia

Kõige suuremaks probleemiks, millega ökoloogid järgmise kümne aasta jooksul silmitsi seisma peavad, on paljude uurimisobjektide kadumine enne seda, kui neid korralikult tundma õpitakse.

Meie planeedil hakkavad üha enam domineerima kunstlikud ökosüsteemid – inimese poolt ümber kujundatud maastikud, kus elavad ebaloomulikud kooslused sissetoodud liikidest ja neid taluda suutvatest kohalikest liikidest, kirjutas Florida ülikooli teadlane Robert Holt ajakirjas Nature.

Muidugi on ka nende koosluste uurimine oluline, kuid suurimaks praktiliseks, esteetiliseks ja moraalseks ohuks on siiski looduslike ökosüsteemide kaotamine enne, kui neid on suudetud täielikult kirjeldada ja mõista.

Kõige olulisemaks ülesandeks on ette ennustada ja takistada bioloogilise mitmekesisuse kadumist ja ökosüsteemide funktsionaalsuse lagunemist. Üheks tähtsaks sammuks on ökoloogiliste võrgustike, näiteks toitumisvõrgustike, vastupidavuse hindamine – eelkõige on vaja tundma õppida võrgustike võimet pidada vastu häirimisele ja liikide kadumisele.

Selleks on vaja mitmete erialade teadlaste koostööd. Stabiilsete isotoopide analüüsimine ja geneetika abil liikide tuvastamine peaksid andma selgema pildi sellest, kes keda ühes toiduvõrgustikus sööb.

Muutused toimuvad mitmetel tasanditel alates indiviididest ja populatsioonidest ja lõpetades omavahel ruumiliselt seotud ökosüsteemidega. Holt ennustab, et 2020. aastaks on mikroobiökoloogia muutunud ökoloogiateaduse tähtsaks osaks. Samal ajal on oluline uurida, kuidas liigid ja kooslused sobituvad Maa ajalukku. Kümne aasta pärast on ökoloogia üheaegselt nii üheks bioloogia põhisuunaks kui ka oluliseks osaks maateadustest.

Astronoomia

Võtmeküsimuseks saab järgmise kümne aasta jooksul ilmselt tumeaine avastamine ja olemuse väljaselgitamine. See oleks väga piinlik, kui 40 aastat pärast tumeaine kontseptsiooni väljatöötamist ei suudaks me ikkagi teda leida, ütles USA rahvusliku teadusnõukogu asejuht Adam Burrows.

Olulisteks küsimusteks on ka tumeda energia tundma õppimine ning parem arusaamine, kuidas muutuvad äärmiselt hõredad kosmilised tolmupilved tähtedeks. Samuti saab järgmine kümnend olema murranguline Maa-sarnaste ning eluks sobivate tingimustega eksoplaneetide avastamise osas, kirjutas Nature.

Samas tuleb langetada otsused, millised uurimisvaldkonnad on kõige prioriteetsemad, sest kõige jaoks raha kindlasti ei jätku. Astronoomide poolt kasutatav tehnoloogia muutub järjest keerukamaks ning kallimaks. Näiteks praegu käigus olevate ja valmivate teleskoopide eelarved on juba nii suured, et uute projektide jaoks kipub vahendeid nappima.

Ameerika astronoomid on esitanud taotlusi uute teleskoopide, uurimisprogrammide ja kosmosemissioonide jaoks vähemalt 70 miljardi dollari ulatuses, kuid raha eraldatakse nende tarvis järgmise kümnendi jooksul ilmselt neli kuni viis korda vähem. Seetõttu on oluline hoolikalt mõelda, mis kõige enam uurimist väärib.

Burrowsi sõnul on praegu käes astronoomia kuldne ajastu. Potentsiaal suurteks läbimurreteks on väga suur. See, kas inimkond suudab järgmise kümnendi jooksul Universumit senisest oluliselt paremini tundma õppida, sõltub väga suurel määral lähiaastate otsustest.

Sünteetiline bioloogia

Viimase kümne aasta jooksul on DNA lugemise ja kirjutamise hind langenud miljon korda, ületades isegi Moore’i seaduse ajas eksponentsiaalselt kasvava arvutivõimsuse kohta.

Järgmise kümnendi väljakutseks on siduda kokku molekulide ehitamine ja arvutite võimalused, et luua uusi keerukaid süsteeme. Üha paremad oskused molekulide kokkupanemisel võimaldavad arvutite abil luua uusi molekule ja organisme, kes saavad näiteks kiirendada reaktsioonide kulgu või toota erinevaid kemikaale, kirjutas Harvardi meditsiinikooli geneetikaprofessor George Church ajakirjas Nature.

Üheks rakenduseks oleks kindlasti tõhusam ravimite tootmine ja nende vajalikku sihtkohta toimetamine organismis. Teiseks võimaluseks on toota kemikaale, biokütuseid ja toiduaineid – näiteks töötada välja parasiidiresistentseid viljasorte või fotosünteetilisi organisme, mis suudavad oma biomassi vaid kolme tunniga kahekordistada.

Selliste tehnoloogiate hindade langedes saavad arengumaad asendada praeguse keskkonnale ohtlikke väetisi ja kütuseid raiskava ning haiguste poolt ohustatud põllumajanduse uute puhtamate ja tõhusamate süsteemidega.

Juba praegu on sünteetiline bioloogia mõjutanud rohkemat kui ainult teadusmaailma ning aastaks 2020 on see mõju oluliselt suurenenud. Saadaval on palju uusi tehnoloogiaid, näiteks nanoskaalas mõõdetavad mäluseadmed, mis rakendavad bakterite võimet magnetiliste nanoosakeste abil Maa magnetväljas navigeeruda. Kui elektroonilised kiibid jõuavad minimaalse suuruse piirini, asendatakse need atomaarse täpsusega ja vigadekindlate bioloogiliste seadmetega.

Suureks väljakutseks saab olema toime tulemine sünteetilise bioloogia revolutsiooni mitmete ootamatute tagajärgedega – nii ökoloogiliste, majanduslike kui sotsiaalsetega – nende ohtude tekkimist tuleb igati püüda vältida.

Varem samal teemal lomm.ee-s:

Visioonid aastaks 2020 – inimene ja tervis