Hvordan mikroskopiske havalger klarer skiftende havforhold

Menneskelige aktiviteter ændrer havet på global skala, med havvand i nogle regioner, der bliver varmere, mere sur, og mindre godt blandet. Et muligt resultat af reduceret havblanding er, at næringsstoffer, der fungerer som gødning til havalger, kunne blive mindre tilgængelig nær havoverfladen.

Mange forskere studerer, hvordan disse ændringer kan påvirke de mikroskopiske havalger, der tilfører ilt til Jordens atmosfære og danner grundlaget for havets fødevæv. En ting videnskabsfolk ved med sikkerhed er, at de forskellige grupper af alger reagerer forskelligt på variationer i havforhold, både sæsonmæssigt og over længere perioder. At lære, hvordan disse forskellige grupper reagerer, er nøglen til at forstå, hvordan havets økosystemer ændrer sig i perioder fra måneder til årtier.

Desværre, at studere reaktionerne fra bestemte typer alger i det åbne hav er meget svært, fordi havforholdene altid svinger, ligesom algtyperne er til stede. Af denne grund, forskere har vendt sig til laboratorieundersøgelser. De fleste af disse undersøgelser har involveret dyrkning af alger i batchkulturer. Inden for sådanne kulturer, algerne vokser hurtigt og formerer sig, men så falder deres populationer, når de bruger næringsstoffer i det omgivende vand. Det betyder, at sådanne eksperimenter ikke rigtig kan replikere de mere steady-state-forhold, der ofte forekommer i det åbne hav.

For flere år, MBARI Mikrobiolog Alexandra Worden og hendes forskningsgruppe har arbejdet på en ny måde at dyrke alger i kulturer i steady-state ved hjælp af højteknologiske inkubationskamre kaldet "foto-bioreaktorer". Disse enheder tillader forskerne at dyrke alger under præcist kontrollerede lysniveauer, temperatur, og næringsstoffer.

I et nylig sæt eksperimenter, forskerne udsatte algerne for lave koncentrationer af næringsstoffer i uger ad gangen. Sådanne vedvarende lave næringsstofkoncentrationer er almindelige i nogle dele af havet, men er ikke blevet testet i tidligere laboratorieforsøg. De seneste eksperimenter gjorde det muligt for forskerne at studere detaljeret de biokemiske processer, der hjalp algerne med at tilpasse sig lavt næringsindhold. Sådanne eksperimenter ville ikke have været mulige ved hjælp af en batchkultur, fordi algerne gradvist ville være døde af mangel på næringsstoffer.

Wordens laboratorium offentliggjorde for nylig et papir i Naturmikrobiologi beskriver resultaterne af deres første foto-bioreaktor-eksperimenter. Den første forfatter på papiret er tidligere MBARI postdoktor Jian Guo. Andre forfattere inkluderer en række samarbejdspartnere, herunder flere forfattere fra det amerikanske energiministeriums Pacific Northwest National Laboratory.

Til denne undersøgelse voksede forskerne en lille, svømmealger kaldet Micromonas commoda under forhold, hvor fosfat, et vigtigt algenæringsstof, blev holdt på et relativt lavt niveau. Dette eksperiment simulerede forhold, der findes i nogle områder med åbent hav, såsom Sargassohavet.

Under forsøget beskrevet i deres papir, forskerne gav først algerne masser af fosfat, så de voksede hurtigt. Efter fjernelse af næsten alt fosfat i vandet, de øgede fosfatkoncentrationerne lige nok til at holde algerne i live. På denne måde, forskerne var i stand til at holde algerne vokset over mange dage ved relativt lave, men konstant, fosfatkoncentrationer.

Gennem deres eksperiment, forskerne tog små prøver af alger og brugte sofistikerede genomiske teknikker til at finde ud af, hvilke gener i algerne der blev mere eller mindre aktive under lav- og højfosfatforhold. De brugte også "proteomiske analyser" til at studere ændringer i de typer proteiner, der produceres af algerne under forskellige forhold.

Som Worden forklarede, "Disse celler er så små, at vi ikke kan sige meget ved at se gennem et mikroskop, så de gener og proteiner, de udtrykker, er vores krog i at 'visualisere' vækst og stress i havet. "

De proteomiske analyser hjalp forskerne med at forstå, hvordan ændringer i næringsstofkoncentrationer påvirker Micromonas 'evne til at udføre fotosyntese. Tidligere undersøgelser har antydet, at utilstrækkelige næringsstoffer kan tillade stærkt sollys (f.eks. Det, der findes ved havoverfladen) at beskadige det fotosyntetiske apparat i algeceller. Men den nye forskning tyder på, at Micromonas har evnen til at beskytte sig mod sådanne skader. Algen opnår tilsyneladende dette ved hjælp af et lidt forstået sæt proteiner, som forskerne håber at studere yderligere.

En anden ting, forskerne opdagede, var, at efter vækst med begrænsede fosfatforsyninger, Mikromoner kan reproducere hurtigt inden for 24 timer efter, at de støder på højere fosfatkoncentrationer. Dette tyder på, at Micromonas hurtigt kan komme sig efter fosfatbegrænsning-måske hurtigere end andre typer alger. Dette kan hjælpe Micromonas hurtigt med at tilpasse sig ændringer i omgivelserne, eller til at blive transporteret vandret eller lodret af havstrømme.

Forskerne bemærker, at nogle af de samme proteiner, der hjælper algerne med at vokse under fosfatbegrænsede forhold, også hjælper med at beskytte algerne mod ændrede lysniveauer. Dette tyder på, at de processer, hvorved alger reagerer på miljøændringer, kan være mere komplicerede, end forskere tidligere havde mistanke om.

Forskere i Wordens laboratorium udvider disse eksperimenter for at undersøge, hvordan havalger reagerer på ændringer i andre essentielle næringsstoffer, såsom nitrogen, samt de kombinerede virkninger af ændringer i næringsstofkoncentrationer sammen med ændringer i havtemperatur og atmosfærisk kuldioxid.

"Vi er begejstrede for, at vi nu forstår noget af den cellulære biologi bag, hvordan alger håndterer sæsonmæssige ændringer, "Worden sagde." Dette giver os indsigt i de mekanismer, der hjælper alger med at tilpasse sig eller tilpasse sig fremtidige forhold. Disse fund giver os mulighed for at gå ud i marken og undersøge realtidsoplevelsen af ​​alger med meget større følsomhed end nogensinde har været muligt før. "