English
Japonská společnost pro podporu vědy (Japan Society for the Promotion of Science – JSPS) každoročně vyhlašuje konkurz na postdoktorandský stipendijní program pro zahraniční výzkumníky. Připomeňme, že od roku 2005 získalo jedno- až dvouleté stipendium na nejvýznamnějších japonských univerzitách již 26 mladých českých vědců. Tentokrát představujeme dva právě řešené projekty – výzkum jeseterovitých ryb na Univerzitě Hokkaidó a topologických solitonů na Univerzitě Jamagata.
Foto: Archiv Filipa Blaschke
Město Jamagata se stejnojmennou univerzitou
Univerzita Hokkaidó vznikla v roce 1876 v Sapporu, kde sídlí dodnes. Je jednou ze sedmi národních univerzit, běžně označovaných jako „bývalé císařské univerzity“, které se považují za nejkvalitnější akademické instituce v japonském císařství. Fakulta rybářských věd není součástí univerzitního kampusu v Sapporu, ale nachází se (na japonské poměry) v malém městě Hakodate (280 tisíc obyvatel), asi 300 kilometrů od Sappora, v jižní části Hokkaidó, druhého největšího japonského ostrova.
Foto: Wikimedia Commons
Jama-dera 山寺, buddhistický Horský chrám (založen roku 890) na předměstí Jamagaty
Ticho – zpěv cikád proniká do skály
[Macuo Bašó (1689, zakladatel básnické formy haiku), překlad Antonín Líman, 2006])
Výzkum jeseterovitých ryb Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích, resp. Fakulta rybářství a ochrany vod (FROV JU) spolupracuje na výzkumu jeseterovitých ryb s Fakultou rybářských věd Univerzity Hokkaidó v Hakodate již několik let. Dosavadní spolupráce obou fakult se zaměřovala především na identifikaci a charakterizaci zárodečných buněk jeseterovitých ryb. Současný postdoktorský projekt se orientuje na hledání molekulárních markerů, které jsou vhodné k identifikaci čistých druhů a mezidruhových hybridů jeseterů, a také objasňování původu spontánní polyploidizace u tohoto prastarého řádu chrupavčitých ryb.
Foto Miloš Havelka, archiv autora
Manipulační nádrž se samci bestěra (křížence vyzy velké a jesetera malého)
Jeseterovité ryby se vyvinuly před více než 200 miliony lety, v období svrchního triasu. Řád v současnosti čítá 27 popsaných druhů, které mají ve svých buněčných jádrech od 120 do 360 chromozomů. Evoluce jejich genomu je spjata s několika polyploidizačními a hybridizačními událostmi a i v současnosti jsou jeseterovité ryby náchylné k mezidruhové hybridizaci a spontánní polyploidizaci. Zatímco spontánní polyploidizace byla doposud popsána pouze v akvakultuře, mezidruhovou hybridizaci vědci zdokumentovali také v přírodních podmínkách. Jelikož jsou jeseteři ekonomicky i ekologicky cennou skupinou ryb a morfologická determinace jednotlivých druhů a hybridů je značně komplikovaná, bylo by velmi přínosné určit vhodné genetické markery pro jejich spolehlivou identifikaci; široce používané mitochondriální markery jsou z důvodu časté mezidruhové hybridizace jeseterovitých ryb pro tyto účely nevhodné.
Současný projekt se zabývá dvěma možnými postupy pro rozpoznávání takovýchto markerů. Prvním je nalezení a osekvenování intronů obsahujících druhově specifické polymorfismy. Následně, na základě nalezených polymorfismů, navrhneme panely primerů vhodné pro identifikaci jednotlivých druhů rutinní PCR amplifikací a gelovou elektroforézou. Relativní nenáročnost vyvinutého postupu je vzhledem k jeho budoucí aplikaci podmínkou zásadní. Druhý postup zahrnuje identifikaci druhově specifických SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms) prostřednictvím RAD (Restriction-site Associated DNA) sekvenování. Z předběžných výsledků zatím vyplývá, že pro nalezení druhově specifických markerů bude vhodnější první postup. Hlavním úskalím využití RAD sekvenování u jeseterů je totiž jejich polyploidní genom. Zatímco u funkčně diploidních druhů jeseterů se 120 chromozomy získáme takovým sekvenováním od jednoho jedince dva haploidní genomy, u funkčně tetraploidních druhů s 240–270 chromozomy získáme haploidní genomy čtyři a od jesetera krátkorypého (Acipenser brevirostrum), který je funkčně hexaploidní, již šest, což značně komplikuje bioinformatické zpracování nabytých dat.
Foto: Noriko Azuma, Archiv autora
Výtěr jiker bestěra po mikrochirurgickém řezu vejcovodu
Spontánní polyploidizace, spontánní zmnožení chromozomové sádky či sádek, může představovat problém pro akvakulturní chovy. Spontánní polyploidy tetraploidních druhů jsou plodní a při jejich zpětném křížení s rodičovskými druhy dochází k produkci sterilních či substerilních pentaploidních jedinců, kteří jsou v akvakultuře nežádoucí. Prostřednictvím experimentálních křížení a následné identifikace původu duplikovaných částí genomu spontánních polyploidů jsme nedávno na FROV JU ve spolupráci s Laboratoří genetiky ryb Ústavu živočišné genetiky a fyziologie AV ČR zjistili, že spontánní polyploidizace u jeseterů nastává pravděpodobně vlivem přezrávání oocytů při umělé reprodukci a následným zadržením sekundárního polocytu v průběhu II. meiotického dělení. Celá problematika je o to zajímavější, že právě kvůli prastaré architektuře a velice pomalé evoluci genomu jeseterů může tato spontánní polyploidizace představovat jeden z možných mechanismů rané evoluce genomu všech obratlovců. Množství spontánních polyploidů bylo již nalezeno i v chovu kriticky ohroženého jesetera severního (A. mikadoi) v Japonsku. V současnosti se v rámci již zmíněného postdoktorandského projektu pracuje na identifikaci původu této spontánní polyploidizace obdobným způsobem, který byl použit v ČR.
Topologické solitony nejen v částicové fyzice
Univerzita v Jamagatě byla původně střední školou s tradicí sahající do roku 1878. Na univerzitu byla povýšena v roce 1949, v době, kdy japonská vláda zahájila rozsáhlou reformu vyššího vzdělávání. Univerzita má čtyři kampusy, dva přímo v Jamagatě a zbývající dva ve velkých městech prefektury stejného jména. Jamagata není na japonské poměry příliš veliká, populace se pohybuje lehce nad čtvrt milionem, ale vyznačuje se krásnou okolní krajinou, již tvoří převážně kopce a hory zdobící vnitrozemí ostrova Honšú. Největším kampusem Jamagatské univerzity umístěném ve středu města je tzv. Kodžirakawa kampus, kde se nachází i Filozofická fakulta, pod kterou spadá též oddělení fyziky.
Slezská univerzita v Opavě zahájila spolupráci s Jamagatskou univerzitou v roce 2011, kdy obdržela grant v programu KONTAKT II zaštítěný Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy. S podporou programu jsem navštívil některá japonská pracoviště a navázal kontakty se skupinami teoretických fyziků. Jedním z členů naší skupiny byl i profesor Minoru Eto, tehdy ještě postdoktorand v institutu RIKEN v Tokiu; v průběhu projektu získal trvalou pozici na Univerzitě Jamagata, což později vedlo k mému pozvání na základě uděleného stipendia JSPS jako postdoktoranda.
Má práce se skupinou teoretické a částicové fy-ziky se primárně zakládá na studiu teoretických a fenomenologických aspektů topologických solitonů a jejich roli v částicové fyzice a kosmologii. Topologický soliton je buď obecně řešení nelineární diferenciální vlnové rovnice, jež vykazuje částicovou povahu, nebo jde o rozsáhlý, koherentní objekt. Jako příklad lze jmenovat doménové stěny ve feromagnetu, kvantované vortexy na rozhraní supratekutého helia a mnohé další. Nedávno se naše práce zaměřila na chování magnetických monopólů v tzv. supravodivé neboli Higgsově fázi. Tato fáze se může nacházet v jádru neutronových hvězd a topologické solitony, jako jsou vortexové struny a monopóly na nich uvězněné, mohou mít vliv na fyziku těchto objektů.
Foto: Archiv Filipa Blaschke
Členové laboratoře genetiky a genomiky akvakultury Fakulty rybářských věd Univerzity Hokkaidó v Hakodate. V popředí zleva Katsutoshi Arai, Etsuro Yamaha, Takafumi Fujimoto a Miloš Havelka; za nimi studenti laboratoře.
Skupina se rovněž zaměřuje na aplikace topologických solitonů v kosmologii a fundamentální fyzice. Takzvaný scénář bránových světů popisuje náš vesmír jako třídimenzionální (mem)bránu putující vícerozměrným bulkem. Důvodem, proč nejsou bulkové dimenze pozorovatelné v běžném životě, je fakt, že veškerá hmota je na bráně uvězněna (s výjimkou gravitace). Tento scénář přináší testovatelné předpovědi pro tzv. standardní model elementárních částic, které lze potvrdit experimenty na velkém urychlovači protonů (LHC) v Ženevě. Mechanismem uvěznění částic na bráně a popis brány samé je zprostředkován pro nízké, LHC přístupné energie topologickými solitony. Studovali jsme jisté speciální varianty bránového scénáře za použití tzv. doménové stěny v pětirozměrném prostoročase jako přípravu pro vybudování realistických modelů zahrnujících všechny částice standardního modelu. Ukázali jsme, jak uvěznit ne-Abelovské kalibrační bosony, zprostředkující v kontextu standardního modelu tzv. slabou a silnou interakci, na dvojici doménových stěn a následně jak tento pár stabilizovat vůči fluktuacím jejich vzdáleností. Tento aspekt může posloužit k vysvětlení tzv. Higgsova mechanismu – procesu, při němž se narušují symetrie standardního modelu a elementární částice získávají hmotnost.
ROBERT ZIKA, Kancelář Akademie věd,
MILOŠ HAVELKA, Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích,
FILIP BLASCHKE, Slezská univerzita v Opavě