Заедници на планктони Како едноклеточните организми избираат и реагираат на стрес ScienceBlog
Едноклеточните алги се сеприсутни во планктоните и биофилмите на нашите океани. Георг Понерт (соработник на Макс Планк и Унив. Проф) и неговите тимови од Институтот за хемиска екологија Макс Планк (Јена) и на универзитетот Фридрих Шилер (Јена) истражуваат како хемиските сигнали ги контролираат микробиолошките заедници, без оглед дали се тоа големи колекции на алги во планктонот на океаните или привремените заедници на биофилм. Тие беа во можност да покажат дека и микрооргите и бактериите во планктонот произведуваат претходно непознато сулфурно соединение и на тој начин фундаментално влијаат и врз микробиолошките интеракции и врз глобалниот циклус на сулфур. *
Дијатомите можат да „мирисаат“ на растворени силикати во вода
Дијатомите се главна компонента на морскиот фитопланктон, каде што слободно пливаат во отворена вода. Но, тие исто така можат да се најдат на бреговите и плажите како биофилм на камења и други површини. Алгите не се само основа на храна за многу морски животни, тие се одговорни и за исклучително важна услуга на екосистемот: Тие даваат значителен придонес во глобалната фотосинтеза и со тоа во производството на кислород во земјината атмосфера.
Дијатомот Семинавис робуста (Слика 1) е добро прилагоден како модел на организам за спроведување студии на однесување во биофилмот во лабораторија: може да се размножува сексуално и е чувствителен на различни услови на животната средина. За да ги изградат своите стабилни mineralидови на минералните клетки, на дијатомите им е потребен градежен материјал силикат, кој треба да го бараат во нивната околина.
Нашите експерименти покажаа дека едноклеточните организми одат цик-цак кон силикатните извори и потоа остануваат на местата каде што содржината на силикат е особено голема. Додека дијатомите патуваат околу два микрометри во секунда, тие ги привлекува само „мирисот“ на силикатите. Ако ја замениме минералната сол со структурно многу слични соли кои се токсични за алгите, тие се оддалечуваат од минералниот извор. За прв пат, може да се забележи барање со микроорганизми со посредство на рецептори за минерални извори на хранливи материи. Често забележаната хетерогеност на биофилмовите сугерира дека ова однесување може да биде пораспространето меѓу дијатомите.
Храна или секс? Дијатомите можат да изберат помеѓу барање партнер или потрага по храна
Прво и најважно, алгите се размножуваат асексуално преку клеточна делба, но епизодично сексуално парење е исто така потребно за опстанок, бидејќи клетките стануваат сè помали и помали по континуираната поделба. Само преку сексуално парење тие можат да ја вратат својата оригинална големина на клетката. Со цел да најдат партнери кои се подготвени да се парат, тие следат патеки на феромони што ги оставаат зад себе.
Нашите експерименти со S. robusta покажаа дека едноклеточните организми се способни дури и да го прилагодат своето однесување флексибилно на условите на животната средина и да реагираат различно во зависност од барањата на сексуалната репродукција. Тоа значи: Во зависност од множењето или недостигот од храна, алгите можат да бидат привлечени од сексуални феромони или хранливи материи и на тој начин всушност да се покаже примитивна биологија на однесување.
За да го докажеме приоритетното однесување, ние ги култивиравме клетките под различни услови; особено, ги соочивме со различна количина силикат и првиот сексуален феромон опишан за дијатомите, ди-Л-пролил-дикетопиперазин, исто така познат како „дипролин“. Забележавме дека едноклеточните организми се движат кон феромони или извори на храна, во зависност од тоа колку се „гладни“ за секс или хранливи материи. Овој вид на донесување одлуки претходно им се припишуваше само на повисоките организми.
Користејќи математички модели, успеавме да ги разбереме сложените интеракции во заедниците и на тој начин да докажеме дека хемиските сигнали всушност ги организираат заедниците. Разбирањето за тоа како едноклеточните организми, кои немаат нервен систем, ги обработуваат овие стимули е сега следниот голем предизвик.Одлуките донесени од индивидуални алги, исто така, ги објаснуваат аспектите на динамиката на биофилмовите, во кои безброј дијатоми се здружуваат за да формираат заедници.
Метаболизмот на протозоите има последици врз глобалните циклуси на материјали
Фактот дека микроалгите се присутни во неверојатни количини во планктоните (Слика 2) и придонесуваат скоро половина од глобалното производство на фотосинтетика, исто така ги прави клучни играчи во глобалните циклуси на материјали. Откривањето на нови метаболички патишта во планктонските алги има директни последици за нашето разбирање за глобалните процеси.
Ова можевме да го демонстрираме импресивно за циклусот на сулфур. Сулфурот се наоѓа во многу различни соединенија низ целиот свет и постои добро познат циклус за морски процеси во кои сулфатот се намалува со алги, а намалениот сулфур се ослободува во водата во случај на осмотски стрес или клеточна смрт. Оттаму, сулфурот влегува во атмосферата во форма на диметил сулфид, се оксидира во воздухот и повторно врне како растворен сулфат. Ние луѓето го поврзуваме мирисот на диметил сулфид со „морето“.
Со софистицирана анализа, успеавме да ги испитаме слабо разбраните многу поларни природни супстанции од микро алгите и го пронајдовме претходно непознатиот метаболит кој содржеше сулфур диметилсулфоксониум пропионат (ДМСОП). Многу едноклеточни алги, но исто така и бактерии, кои доминираат и во планктонот на морето, го произведуваат ова соединение на сулфур. Не само што игра важна улога во реакцијата на стресот на алгите, туку и придонесува глобално во сулфурниот циклус: Од Арктикот до Медитеранот, најдовме ДМСОП во сите примероци на планктони. Производителите на соединението што содржи сулфур може да се најдат насекаде во океаните, а соединението е кратенка во утврдениот циклус на сулфур. Дури и ако микроалгите ослободуваат само мали количини на соединението, тоа се додава на неколку милијарди килограми годишно. Одговорот на стрес на едноклеточните алги има на тој начин глобални последици поврзани со климата.
Заклучок
Организацијата на микробиолошките заедници во океанот е глобална загриженост. Почнуваме да разбираме како хемиските сигнали имаат организиран ефект во биофилмовите и во планктонот на отворено море. Нашето истражување покажува како едноклеточната физиологија, па дури и примитивната биолошка бихеологија, влијае на нашиот свет.