Ο λόγος που τα πλαγκτόν φουσκώνουν τόσο πολύ

Το μικροσκοπικό πλαγκτόν βρίσκεται στην καρδιά της τροφικής αλυσίδας του ωκεανού, τρέφοντας πολύ μεγαλύτερα ζώα όπως οι φάλαινες. Ωστόσο, δεν είναι πολλά γνωστά για το πώς κυκλοφορεί το μονοκύτταρο φυτοπλαγκτόν –τα περισσότερα από τα οποία δεν έχουν εξαρτήματα που τους βοηθούν να κολυμπούν. Ταξιδεύουν από τα πιο σκοτεινά και ψυχρά βάθη του ωκεανού μέχρι την επιφάνεια, για να παρασυρθούν ξανά προς τα κάτω. Ένα είδος βιοφωταυγούς φυτοπλαγκτού που ονομάζεται Pyrocystis noctiluca το κάνει αυτό με αερόστατο έξι φορές το κανονικό του μέγεθος. Αυτό το φούσκωμα παίρνει στη συνέχεια το πλαγκτόν πλάτους μερικών μόνο εκατοντάδων μικρών περίπου 656 πόδια προς την επιφάνεια του ωκεανού, έτσι ώστε να μπορεί να συλλάβει το ηλιακό φως για να φτιάξει τροφή. Αυτή η μοναδική στρατηγική για τα ταξίδια στον ωκεανό περιγράφεται στο α μελέτη που δημοσιεύτηκε στις 17 Οκτωβρίου στο περιοδικό Cell Press Τρέχουσα Βιολογία.

«Αυτό που ανακαλύψαμε σε αυτό το έγγραφο είναι ότι αυτά P. noctiluca Τα κύτταρα είναι σαν μικρά υποβρύχια που μπορούν να ελέγξουν την πυκνότητά τους με τόσο μεγάλη ακρίβεια που μπορούν να επιλέξουν πού θέλουν να βρίσκονται στη στήλη του νερού», ο συν-συγγραφέας της μελέτης και θαλάσσιος βιολόγος και βιομηχανικός του Πανεπιστημίου Stanford Manu Prakash. είπε σε δήλωση.

[Related: NASA’s PACE satellite takes off to monitor phytoplankton—from space.]

Κατά μέσο όρο, το φυτοπλαγκτόν είναι μόνο πέντε έως 10 τοις εκατό βαρύτερο από το θαλασσινό νερό. Αυτό σημαίνει ότι αν θέλουν να παραμείνουν στην επιφάνεια του ωκεανού για να κάνουν φωτοσύνθεση, έχουν να αντιμετωπίσουν τη βαρύτητα.

Ενώ σε ένα ερευνητικό σκάφος στα ανοιχτά της Χαβάης, ο Prakash και ένας μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ και ο συν-συγγραφέας της μελέτης Adam Larson είδαν μια άνθιση P. noctiluca. Παραδόξως, υπήρχαν δύο πολύ διαφορετικά μεγέθη πλαγκτού στα δίχτυα τους.

“Χρειάστηκε λίγος χρόνος για να συνεννοηθούμε γιατί μέχρι να καταγράψουμε τα βίντεο όπου είδαμε τα κύτταρα να κάνουν αυτό το τεράστιο φούσκωμα.” είπε ο Λάρσον σε δήλωσή του. «Μπορεί να συμβεί εντελώς ξαφνικά, οπότε αν κοιμάστε στο μικροσκόπιο για 10 λεπτά, μπορεί να το χάσετε».

Στο μελέτηδοκίμασαν ποιες επιπτώσεις μπορεί να έχει αυτή η ταχεία ανάπτυξη στο πλαγκτόν. Για να γίνει αυτό, ανέπτυξαν ένα εργαλείο που ονομάζεται μηχανή βαρύτητας.

«Η μηχανή βαρύτητας μας επιτρέπει να δούμε ένα μεμονωμένο κύτταρο σε υποκυτταρική ανάλυση σε μια άπειρη στήλη νερού», είπε ο Prakash. «Είναι λίγο σαν ρόδα λούνα παρκ για γερβίλους ή ποντίκια αλλά για ένα μόνο κελί. Έχει το μέγεθος ενός πιάτου δείπνου και περιστρέφεται, έτσι το κύτταρο δεν γνωρίζει ότι δεν σκαρφαλώνει ή βυθίζεται στο δικό του πλαίσιο αναφοράς».

Αλλαγή της πίεσης και της πυκνότητας του νερού μέσα στη μηχανή βαρύτητας δημιουργεί ένα περιβάλλον εικονικής πραγματικότητας που μιμείται τα βάθη του ωκεανού. Με το μηχάνημα, η ομάδα διαπίστωσε ότι τα φουσκωμένα κελιά ήταν λιγότερο πυκνά από το περιβάλλον θαλασσινό νερό. Αυτό τους επιτρέπει να ξεφύγουν από την έλξη της βαρύτητας προς τα κάτω και να επιπλέουν προς την εικονική επιφάνεια.

ΕΝΑ πιο προσεκτική ματιά έδειξε ότι αυτή η επέκταση συμβαίνει ως φυσικό μέρος του κυτταρικού κύκλου του πλαγκτόν. Αφού ένα μονοκύτταρο πλαγκτόν χωριστεί στα δύο, μια εσωτερική δομή που ονομάζεται κενοτόπιο φιλτράρεται στο γλυκό νερό. Αυτό κάνει τα δύο νέα κύτταρα να μεγαλώσουν μαζικά σε μέγεθος. Τα δύο θυγατρικά κύτταρα που στη συνέχεια διογκώνονται με το ελαφρύτερο γλυκό νερό και πλέουν προς τα πάνω.

Ο Πυροκύστης κυτταρικός κύκλος. Το Μέρος 1 δείχνει τον κύκλο ζωής του Pyrocystis. Το μέρος 2 δείχνει το κυτταρικό τοίχωμα να καταρρέει. Το μέρος 3 δείχνει το κελί να φουσκώνει. Το Μέρος 4 περιγράφει λεπτομερώς τη δυναμική που εμφανίζεται στο κυτταρόπλασμα μετά τη διαίρεση. ΠΙΣΤΩΣΗ: Larson et al./Current Biology

ΒΙΝΤΕΟ: Το Πυροκύστης κυτταρικός κύκλος. Το Μέρος 1 δείχνει τον κύκλο ζωής του Pyrocystis. Το μέρος 2 δείχνει το κυτταρικό τοίχωμα να καταρρέει. Το μέρος 3 δείχνει το κελί να φουσκώνει. Το Μέρος 4 περιγράφει λεπτομερώς τη δυναμική που εμφανίζεται στο κυτταρόπλασμα μετά τη διαίρεση. ΠΙΣΤΩΣΗ: Larson et al./Current Biology

«Αυτό που συνειδητοποιήσαμε είναι ότι αυτός είναι ένας πολύ έξυπνος τρόπος για ουσιαστικά ρίψη σφεντόνας στον ωκεανό κατά τη διάρκεια της κυτταρικής διαίρεσης», είπε ο Prakash. «Λοιπόν, τι συμβαίνει κατά τη διάρκεια της κανονικής ώρας; Παράγετε πολλές πρωτεΐνες, έχετε τόνους ηλιακού φωτός και παράγετε πολλή βιομάζα μέχρι να βαρύνετε και να βυθιστείτε. Στη συνέχεια, κάνετε διαίρεση κυττάρων στα βαθύτερα νερά και χρησιμοποιείτε το φούσκωμα για να επιστρέψετε στο μέγεθος της μητέρας».

Αυτό ολόκληρος ο κυτταρικός κύκλος διαρκεί περίπου επτά ημέρες και συμπίπτει με τη στιγμή που το πλαγκτόν ξεκινά την ανοδική του αναζήτηση για το φως του ήλιου και τα θρεπτικά συστατικά. Σύμφωνα με τον Prakashαυτή είναι δυνητικά η πρώτη σαφής απόδειξη ότι αυτός ο κυτταρικός κύκλος ελέγχεται από μια οικολογική παράμετρο.

«Όλα τα κύτταρα βιώνουν μια βαρυτική έλξη προς τα κάτω και αν δεν αντεπιτεθούν αυτά ή οι επόμενοι απόγονοί τους, θα βυθιστούν για πάντα στον πυθμένα του ωκεανού σε μια βαρυτική παγίδα», συν-συγγραφέας της μελέτης και μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, Rahul Chajwa. είπε σε δήλωση.

Χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα από τη μηχανή βαρύτητας, καθώς και τις οικολογικές και φυσιολογικές παρατηρήσεις τους, η ομάδα ανέπτυξε ένα μαθηματικό πλαίσιο που θα μπορούσε να εφαρμοστεί σε όλο το πλαγκτόν στον ωκεανό. Η ομάδα ελπίζει να αποκαλύψει περισσότερα από τα κρυμμένα μυστήρια ενός μεγάλου αριθμού lpankton που μπορεί να χρησιμοποιήσουν τη βιοχημεία για να ρυθμίσουν την πυκνότητα και να μετακινηθούν πάνω και κάτω στη στήλη του νερού.