Comunități de plancton Cum aleg organismele unicelulare și reacționează la stres ScienceBlog
Algele unicelulare sunt omniprezente în plancton și în biofilmele oceanelor noastre. Georg Pohnert (Max Planck Fellow și Univ.Prof) și echipele sale de la Institutul Max Planck pentru Ecologie Chimică (Jena) și de la Universitatea Friedrich Schiller (Jena) cercetează modul în care semnalele chimice controlează comunitățile microbiene, fie că sunt acumulările mari de alge în planctonul oceanelor sau comunități temporare de biofilme. Au reușit să arate că atât microalge cât și bacteriile din plancton produc un compus de sulf necunoscut anterior și astfel influențează fundamental atât interacțiunile microbiene, cât și ciclul global al sulfului. *
Diatomeele pot „mirosi” silicații dizolvați în apă
Diatomeele sunt o componentă majoră a fitoplanctonului marin, unde se găsesc înot liber în apă deschisă. Dar pot fi găsite și pe maluri și plaje ca biofilm pe pietre și alte suprafețe. Algele nu sunt doar baza hranei pentru multe animale marine, ci sunt, de asemenea, responsabile de un serviciu ecosistemic extrem de important: ele contribuie semnificativ la fotosinteza globală și, astfel, la producerea de oxigen în atmosfera terestră.
Diatomea Seminavis robusta (Figura 1) este potrivită ca organism model pentru a efectua studii de comportament în biofilm în laborator: se poate reproduce sexual și este sensibilă la diferite condiții de mediu. Pentru a-și construi pereții celulari minerali stabili, diatomeele au nevoie de silicatul de material de construcție, pe care trebuie să-l caute în mediul lor.
Experimentele noastre au arătat că organismele unicelulare își zigzagează drumul spre surse de silicat și apoi rămân în locurile în care conținutul de silicat este deosebit de ridicat. În timp ce diatomeele călătoresc în jur de doi micrometri pe secundă, ele sunt atrase doar de „parfumul” silicaților. Dacă înlocuim sarea minerală cu săruri foarte similare din punct de vedere structural care sunt toxice pentru alge, acestea se îndepărtează de sursa minerală. Pentru prima dată, s-a putut observa o căutare mediată de receptor de către microorganisme pentru surse de nutrienți minerali. Eterogenitatea des observată a biofilmelor sugerează că acest comportament ar putea fi mai răspândit în rândul diatomeelor.
Mâncare sau sex? Diatomeele pot alege între căutarea unui partener sau căutarea de hrană
În primul rând, algele se reproduc asexuat prin diviziune celulară, dar împerecherea sexuală episodică este de asemenea necesară pentru supraviețuire, deoarece celulele devin din ce în ce mai mici după divizarea continuă. Numai prin împerechere sexuală își pot recâștiga dimensiunea originală a celulei. Pentru a găsi parteneri care sunt gata să se împerecheze, ei urmează traseele feromonice pe care le lasă în urmă.
Experimentele noastre cu S. robusta au arătat că organismele unicelulare sunt chiar capabile să își adapteze comportamentul flexibil la condițiile de mediu și să reacționeze diferit în funcție de cerințele de reproducere sexuală. Asta înseamnă: În funcție de înmulțirea sau lipsa de alimente, algele pot fi atrase fie de feromoni sexuali, fie de substanțe nutritive și astfel arată de fapt o biologie comportamentală primitivă.
Pentru a demonstra comportamentul prioritar, am cultivat celulele în condiții diferite; în special, le-am confruntat cu cantități variate de silicat și primul feromon sexual descris pentru diatomee, di-L-prolil-diketopiperazină, cunoscută și sub numele de „diprolină”. Am observat că organismele unicelulare se îndreaptă către feromoni sau surse de hrană, în funcție de cât de „flămânzi” le-a fost pentru sex sau nutrienți. Acest tip de luare a deciziilor a fost atribuit până acum doar organismelor superioare.
Folosind modele matematice, am reușit să înțelegem interacțiunile complexe din comunități și astfel am demonstrat că semnalele chimice organizează de fapt comunitățile. Înțelegerea modului în care organismele unicelulare, care nu au un sistem nervos, procesează acești stimuli este acum următoarea mare provocare. Deciziile luate de alge individuale explică, de asemenea, aspecte ale dinamicii biofilmelor, în care nenumărate diatomee formează comunități.
Metabolizarea protozoarelor are consecințe asupra ciclurilor materiale globale
Faptul că microalgele sunt prezente în cantități incredibile în plancton (Figura 2) și contribuie cu aproape jumătate din producția fotosintetică globală le face, de asemenea, actori cheie în ciclurile materiale globale. Descoperirea de noi căi metabolice în algele planctonice are astfel consecințe directe pentru înțelegerea proceselor globale.
Am putut demonstra acest lucru impresionant pentru ciclul sulfului. Sulful se găsește în compuși foarte diferiți în întreaga lume și există un ciclu bine cunoscut pentru procesele marine în care sulfatul este redus de alge și sulful redus este eliberat în apă în caz de stres osmotic sau moarte celulară. De acolo, sulful pătrunde în atmosferă sub formă de sulfură de dimetil, este oxidat în aer și plouă din nou ca sulfat dizolvat. Noi, oamenii, asociem mirosul de dimetil sulfură cu „marea”.
Cu o analiză sofisticată, am reușit să examinăm substanțele naturale extrem de polare slab înțelese din microalge și am găsit metabolitul dimetilsulfoxoniu propionat (DMSOP) care conținea sulf anterior. Multe alge unicelulare, dar și bacterii, care domină și planctonul mării, produc acest compus de sulf. Nu numai că joacă un rol important în răspunsul la stres al algelor, dar aduce și o contribuție globală la ciclul sulfului: de la Arctica la Mediterana, am găsit DMSOP în toate probele de plancton. Producătorii compusului care conține sulf pot fi găsiți peste tot în oceane, iar compusul este o abreviere în ciclul stabilit al sulfului. Chiar dacă o microalgă eliberează doar cantități mici de compus, aceasta se ridică la câteva miliarde de kilograme pe an. Răspunsul la stres al algelor unicelulare are astfel consecințe globale relevante pentru climă.
Concluzie
Organizarea comunităților microbiene din ocean este de interes global. Începem să înțelegem cum semnalele chimice au un efect organizator în biofilme și în planctonul mării. Cercetările noastre arată cum fiziologia și chiar o biologie comportamentală primitivă a organismelor unicelulare ne afectează lumea.