Shape-shifting plankton:Hvordan plankton klarer turbulens

Mikroskopisk havplankton driver ikke hjælpeløst i havet. De kan opfatte signaler, der indikerer turbulens, reagerer hurtigt for at regulere deres adfærd og aktivt tilpasse sig. ETH -forskere har demonstreret for første gang, hvordan de gør dette.

Plankton i havet er konstant i bevægelse. Om dagen, disse små organismer, en tiendedel af et menneskehårs diameter migrerer aktivt mod den solbeskinnede havoverflade for at udføre fotosyntese. Om natten, de gør deres vej til dybder på titalls meter, hvor tilførslen af ​​næringsstoffer er større.

Under deres regelmæssige ture mellem veloplyste og næringsrige zoner, planktonceller støder ofte på turbulente lag, som forstyrrer dette essentielle migrationsmønster. Det er stadig et mysterium, hvordan disse små organismer kan navigere gennem farerne ved turbulente farvande. Planktonceller hvirvles rundt af turbulens - især af de mindste, millimeter-store strømningshvirvler-som om de var i en miniaturevaskemaskine, som kan forårsage permanent skade på deres fremdriftsvedhæng og cellehylster. I værste fald, de kan gå til grunde i turbulens.

Vandrende adfærd observeret i mikrokamre

Visse mikroalger har, imidlertid, udviklet et sofistikeret svar på sådanne turbulente tegn. Post-doktorale forskere Anupam Sengupta og Francesco Carrara, sammen med deres rådgiver Roman Stocker, Professor ved ETH Zurich Institute of Environmental Engineering, har vist dette i en undersøgelse, der for nylig er offentliggjort i tidsskriftet Natur .

Ved hjælp af laboratorieforsøg, de tre forskere "bragte havet ind i laboratoriet" og undersøgte migrationsadfærden for Heterosigma akashiwo, en alge kendt for at danne giftige algeopblomstringer. For at undersøge svømningsadfærd, forskerne brugte et mikrofabrikeret kammer, kun et par kubikmillimeter i volumen, hvor de introducerede Heterosigma -cellerne. Kammeret kunne drejes langs sin akse ved hjælp af en computerstyret motor, udsætter celler for periodiske vendinger i orientering, der replikerer, hvordan små turbulente hvirvler vender cellerne på hovedet i havet.

Dykning med fremsyn

Forskerne kunne observere, at en algepopulation, der bevæger sig opad, delte sig i to lige store grupper i løbet af en periode på 30 minutter efter, at kammeret gentagne gange var vendt 180 grader. En gruppe celler fortsatte med at stræbe opad, hvorimod den anden gruppe skiftede adfærd og begyndte at svømme i den modsatte retning. Denne befolkningsopdeling forekom ikke med alger i stationære kamre, hvor alle svømmede kontinuerligt opad og akkumulerede nær den øverste overflade.

Ved at zoome ind i enkeltceller, forskerne opdagede årsagen til ændringen i svømningsadfærd. Når de udsættes for de turbulenslignende signaler, cellerne kunne aktivt og hurtigt ændre deres form:fra asymmetriske pæreformede celler, der svømmede opad, cellerne forvandlede sig til ægformede strukturer, der svømmede nedad. Påfaldende nok, dette skift indebar ændringer på mindre end en mikrometer. "Det er spektakulært, at en celle på knap 10 mikrometer i størrelse kan tilpasse sin form til at ændre sin svømningsretning, " siger undersøgelsens medforfatter Francesco Carrara.

Perfekt tilpasning

Roman Stocker ser ikke denne mekanisme som bare en tilfældighed. "Algerne har tilpasset sig perfekt til deres havhabitat:de kan aktivt svømme, de opfatter en række forskellige miljøsignaler, herunder turbulens, og de tilpasser sig hurtigt og regulerer deres adfærd derefter." Anupam Sengupta tilføjer:"Vi forstår nu bedre, hvordan disse mikroorganismer konfronterer potentielt skadelige situationer, imidlertid, i øjeblikket kan vi kun spekulere i, hvorfor cellerne gør dette. "

Forskerne hævder, at opdeling i to grupper skaber en evolutionær fordel for befolkningen:på denne måde, hele befolkningen går ikke tabt, når den møder et lag af stærk turbulens, men i værste fald kun det halve. For at undgå turbulensen ved at dykke, de nedadgående svømmeceller lider på kort sigt ved at modtage for lidt lys til at udføre fotosyntese, hvilket betyder, at de ikke kan vokse. Forskerne fandt også beviser for, at turbulensen har en fysiologisk indvirkning på algerne. Celler, der blev vendt i deres eksperiment, udviste højere niveauer af stress end dem i de stationære kamre.

Klimaændringer påvirker turbulens

Forskerne planlægger nu at observere algerne i en større tank, hvor de vil udsætte cellerne ikke kun for flipping, men også for reel turbulens. At forstå, hvordan disse små celler reagerer på turbulens, har stor betydning for vores forståelse af havet. "Som vi nu ved, at globale klimaændringer vil ændre turbulenslandskabet i havet, det er særligt vigtigt at forstå, hvordan de organismer, der er grundlaget for det marine fødeweb, reagerer på det. Dette værk bidrager med en brik i puslespillet, ved at demonstrere, at fytoplankton ikke kun er prisgivet turbulens, men kan aktivt klare det, ”siger ETH -professoren.