Микроскопический морской планктон не беспомощно дрейфует в океане. Они могут воспринимать сигналы, указывающие на турбулентность, быстро реагировать, регулировать свое поведение и активно адаптироваться. Исследователи ETH впервые продемонстрировали, как они это делают.
Планктон в океане постоянно находится в движении. Днем эти крошечные организмы, диаметром в одну десятую человеческого волоса, активно мигрируют к залитой солнцем поверхности океана для осуществления фотосинтеза. Ночью они пробираются на глубины в десятки метров, где запас питательных веществ больше.
Во время своих регулярных перемещений между хорошо освещенными и богатыми питательными веществами зонами клетки планктона часто сталкиваются с турбулентными слоями, которые нарушают этот важный миграционный процесс. До сих пор остается загадкой, как эти крошечные организмы могут преодолевать опасности бурных вод. Клетки планктона вращаются под действием турбулентности, особенно мельчайших вихрей потока размером с миллиметр, как если бы они находились в миниатюрной стиральной машине, что может привести к необратимому повреждению их двигательных придатков и клеточной оболочки. В худшем случае они могут погибнуть в турбулентности.
Миграционное поведение, наблюдаемое в микрокамере
Некоторые микроводоросли, однако, выработали изощренную реакцию на такие бурные сигналы. Постдокторские исследователи Анупам Сенгупта и Франческо Каррара вместе со своим советником Романом Стокером, профессором Цюрихского института экологической инженерии ETH, показали это в исследовании, недавно опубликованном в журнале Nature.
Используя лабораторные эксперименты, трое ученых «перенесли океан в лабораторию» и изучили миграционное поведение Heterosigma akashiwo, водоросли, известной тем, что она образует токсичные цветки водорослей. Для изучения плавательного поведения исследователи использовали микрокамеру объемом всего несколько кубических миллиметров, в которую они вводили клетки Heterosigma. Камера может вращаться вокруг своей оси с помощью управляемого компьютером двигателя, подвергая клетки периодическим переворотам в ориентации, имитируя то, как крошечные турбулентные вихри переворачивают клетки вверх дном в океане.
Дайвинг с предвидением
Ученым удалось наблюдать, как популяция водорослей, движущаяся вверх, разделилась на две группы одинакового размера в течение 30 минут после того, как камера неоднократно переворачивалась на 180 градусов. Одна группа клеток продолжала стремиться вверх, тогда как другая группа меняла поведение и начинала плыть в противоположном направлении. Этого разделения популяции не произошло с водорослями в стационарных камерах, в которых все плавали непрерывно вверх и скапливались у верхней поверхности.
Изучая отдельные клетки, исследователи обнаружили причину изменения поведения при плавании. При воздействии турбулентных сигналов клетки были способны активно и быстро менять свою форму: от асимметричных грушевидных клеток, плывущих вверх, клетки трансформировались в яйцевидные структуры, плывущие вниз. Поразительно, но этот сдвиг включал изменения менее микрометра. «Удивительно, что клетка размером едва ли 10 микрометров может адаптировать свою форму, чтобы изменить направление движения», - говорит соавтор исследования Франческо Каррара.
Идеальная адаптация
Роман Стокер не считает этот механизм простым совпадением. «Водоросли прекрасно адаптировались к своей среде обитания в океане: они могут активно плавать, они воспринимают ряд различных сигналов окружающей среды, включая турбулентность, и они быстро адаптируются и соответствующим образом регулируют свое поведение». Анупам Сенгупта добавляет: «Теперь мы лучше понимаем, как эти микроорганизмы противостоят потенциально опасным ситуациям, однако на данный момент мы можем только догадываться, почему клетки это делают."
Исследователи утверждают, что разделение на две группы создает эволюционное преимущество для популяции: таким образом, при встрече со слоем сильной турбулентности теряется не вся популяция, а в худшем случае только половина. Избегая турбулентности за счет погружения, клетки, плывущие вниз, несут краткосрочные издержки, связанные с получением слишком малого количества света для осуществления фотосинтеза, а это означает, что они не могут расти. Исследователи также обнаружили доказательства того, что переворачивание под действием турбулентности оказывает физиологическое воздействие на водоросли. Клетки, которые были перевернуты в их эксперименте, демонстрировали более высокий уровень стресса, чем в стационарных камерах.
Изменение климата влияет на турбулентность
Теперь исследователи планируют наблюдать за водорослями в большом аквариуме, где они будут подвергать клетки не только переворачиванию, но и настоящей турбулентности. Понимание того, как эти крошечные клетки реагируют на турбулентность, имеет большое значение для нашего понимания океана.«Поскольку мы теперь знаем, что глобальное изменение климата изменит ландшафт турбулентности в океане, особенно важно понять, как на него реагируют организмы, составляющие основу морской пищевой сети. демонстрируя, что фитопланктон не просто во власти турбулентности, но и может активно с ней справляться», - говорит профессор ETH.