Plankton-közösségek Hogyan választják az egysejtű organizmusok és hogyan reagálnak a stresszre ScienceBlog
Az egysejtű algák mindenütt jelen vannak a planktonban és óceánjaink biofilmeiben. Georg Pohnert (Max Planck munkatársa és Univ.Prof) és csapatai a Max Planck Kémiai Ökológiai Intézetben (Jena) és a Friedrich Schiller Egyetemen (Jena) azt kutatják, hogy a kémiai jelek miként vezérlik a mikrobaközösségeket, legyen szó akár a nagy felhalmozódásokról algák az óceánok planktonjában vagy az ideiglenes biofilm közösségekben. Meg tudták mutatni, hogy a planktonban található mikroalgák és baktériumok egyaránt előállítanak egy korábban ismeretlen kénvegyületet, és ezáltal alapvetően befolyásolják mind a mikrobiális kölcsönhatásokat, mind a globális kénciklust.
A kovafilmek a vízben oldott szilikátokat "szagolhatnak"
A kovafilák a tengeri fitoplankton egyik fő alkotóeleme, ahol szabadon úszva találhatók a nyílt vízben. De megtalálhatók a partokon és a strandokon biofilmként is a köveken és más felületeken. Az algák nemcsak számos tengeri állat táplálékának alapjai, hanem egy rendkívül fontos ökoszisztéma-szolgáltatásért is felelősek: Jelentősen hozzájárulnak a globális fotoszintézishez és ezáltal a földi légkör oxigéntermeléséhez.
A Seminavis robusta kova (1. ábra) modellszervezetként kiválóan alkalmas viselkedési vizsgálatok elvégzésére a biofilmben a laboratóriumban: nemi úton képes szaporodni és érzékeny a különböző környezeti viszonyokra. A diatómákhoz stabil ásványi sejtfalak építéséhez szükségük van az építőanyag-szilikátra, amelyet a környezetükben kell keresniük.
Kísérleteink azt mutatták, hogy az egysejtű szervezetek cikáznak a szilikátforrások felé, majd azokon a helyeken maradnak, ahol a szilikáttartalom különösen magas. Míg a kova másodpercenként két mikrométer körül mozog, csak a szilikátok „illata” vonzza őket. Ha az ásványi sót szerkezetileg nagyon hasonló sókra cseréljük, amelyek mérgezőek az algákra, akkor eltávolodnak az ásványi forrástól. Először figyelték meg a mikroorganizmusok receptor által közvetített keresését ásványi tápanyagforrások után. A biofilmek gyakran megfigyelt heterogenitása arra utal, hogy ez a viselkedés szélesebb körben elterjedhet a kovafélék között.
Étel vagy szex? A kovafilmek választhatnak partnert keresni vagy táplálékot keresni
Először is, az algák aszexuálisan szaporodnak a sejtosztódás révén, de epizódszerűen szexuális párosításra is szükség van a túléléshez, mert a sejtek folyamatos osztódás után egyre kisebbek. Csak szexuális párosítással nyerhetik vissza eredeti sejtméretüket. A párzásra kész partnerek megtalálása érdekében feromon nyomvonalakat követnek, amelyeket maguk mögött hagynak.
S. robustával végzett kísérleteink azt mutatták, hogy az egysejtű szervezetek még képesek viselkedésüket rugalmasan igazítani a környezeti feltételekhez, és a nemi szaporodás követelményeitől függően eltérő módon reagálhatnak. Ez azt jelenti: A szaporodástól vagy az élelmiszerhiánytól függően az algákat nemi feromonok vagy tápanyagok is vonzhatják, és így valóban primitív viselkedésbiológiát mutatnak.
A kiemelt magatartás igazolásához különböző körülmények között tenyésztettük a sejteket; különösen változó mennyiségű szilikáttal és a kovafélékre leírt első nemi feromonnal, a di-L-prolil-diketopiperazinnal, más néven „diprolin” -val szembesültünk. Megfigyeltük, hogy a protozoonok feromonok vagy táplálékforrások felé mozognak, attól függően, hogy mennyire „éhesek” nemre vagy tápanyagra. Ezt a típusú döntést korábban csak a magasabb rendű szervezeteknek tulajdonították.
Matematikai modellek segítségével megértettük a komplex kölcsönhatásokat a közösségekben, és így bebizonyítottuk, hogy a kémiai jelek valóban megszervezik a közösségeket. A következő nagy kihívás annak megértése, hogy az egysejtű szervezetek, amelyeknek nincs idegrendszerük, feldolgozzák ezeket az ingereket, az egyes algák által hozott döntések megmagyarázzák a biofilmek dinamikájának szempontjait is, amelyekben számtalan kovaföld egyesülve közösségeket alkot.
A protozoonok anyagcseréje következményekkel jár a globális anyagciklusokra
Az a tény, hogy a mikroalgák hihetetlen mennyiségben vannak jelen a planktonban (2. ábra) és hozzájárulnak a globális fotoszintetikus kibocsátás majdnem feléhez, szintén a globális anyagciklusok kulcsszereplőivé teszik őket. Az új anyagcsere-utak felfedezése a plankton algákban tehát közvetlen következményekkel jár a globális folyamatok megértésében.
Ezt lenyűgözően bizonyítani tudtuk a kénciklus szempontjából. A kén nagyon különböző vegyületekben található meg az egész világon, és a tengeri folyamatok számára jól ismert ciklus van, amelynek során az algák redukálják a szulfátot, és ozmotikus stressz vagy sejthalál esetén a redukált ként a vízbe engedik. Innentől kezdve a kén dimetil-szulfid formájában kerül a légkörbe, oxidálódik a levegőben, és oldott szulfát formájában ismét leesik. Mi, emberek, társítjuk a dimetil-szulfid szagát a "tengerrel".
Kifinomult elemzéssel megvizsgálhattuk a mikroalgákból származó, rosszul ismert, erősen poláros természetes anyagokat, és megtaláltuk a korábban ismeretlen kéntartalmú dimetil-szulfoxónium-propionát (DMSOP) metabolitot. Sok egysejtű alga, de baktériumok is, amelyek szintén uralják a tenger planktonját, termelik ezt a kénvegyületet. Nemcsak az algák stresszválaszában játszik fontos szerepet, hanem globálisan is hozzájárul a kén körforgásához: Az Északi-sarktól a Földközi-tengerig minden planktonmintában találtunk DMSOP-t. A kéntartalmú vegyület termelői mindenhol megtalálhatók az óceánokban, és a vegyület a kialakult kénciklus rövidítése. Még akkor is, ha egy mikroalgából csak csekély mennyiségű vegyület szabadul fel, ez évente akár több milliárd kilogrammot is jelent. Az egysejtű algák stresszválaszának tehát globális éghajlattal kapcsolatos következményei vannak.
Következtetés
A mikrobaközösségek megszervezése az óceánban globális aggodalomra ad okot. Kezdjük megérteni, hogy a kémiai jeleknek hogyan van szervező hatása a biofilmekben és a nyílt tenger planktonjában. Kutatásunk megmutatja, hogy az egysejtű szervezetek élettana, sőt egy primitív viselkedésbiológiája hogyan befolyásolja világunkat.