Спільноти планктону Як одноклітинні організми обирають і реагують на стрес ScienceBlog
Одноклітинні водорості повсюдно зустрічаються в планктоні та біоплівках наших океанів. Георг Понерт (стипендіат Макса Планка та університету) та його команди з Інституту хімічної екології Макса Планка (Єна) та Університету Фрідріха Шиллера (Єна) досліджують, як хімічні сигнали контролюють мікробні спільноти, будь то великі колекції водоростей у планктоні Світового океану або тимчасових біоплівкових спільнотах. Вони змогли продемонструвати, що як мікроводорості, так і бактерії в планктоні виробляють раніше невідому сполуку сірки і, таким чином, принципово впливають як на мікробну взаємодію, так і на глобальний цикл сірки *.
Діатомові водорості можуть «відчувати запах» розчинених у воді силікатів
Діатомові водорості є основною складовою морського фітопланктону, де вони вільно плавають у відкритих водоймах. Але їх також можна знайти на берегах і пляжах як біоплівку на камені та інших поверхнях. Водорості є не лише основою їжі для багатьох морських тварин, вони також відповідають за надзвичайно важливу екосистемну послугу: вони вносять значний внесок у глобальний фотосинтез і, отже, у виробництво кисню в земній атмосфері.
Діатомовий водорост Seminavis robusta (рисунок 1) добре підходить як модель організму для проведення поведінкових досліджень у біоплівці в лабораторії: він може розмножуватися статевим шляхом і чутливий до різних умов навколишнього середовища. Для побудови стійких мінеральних клітинних стінок діатомові водорості потребують силікату будівельного матеріалу, який вони повинні шукати в своєму середовищі.
Наші експерименти показали, що одноклітинні організми зигзагоподібно рухаються до джерел силікату, а потім залишаються в місцях, де вміст силікатів особливо високий. Хоча діатомові водорості рухаються близько двох мікрометрів на секунду, їх приваблює лише «запах» силікатів. Якщо замінити мінеральну сіль на структурно дуже подібні солі, токсичні для водоростей, вони віддаляються від джерела мінералів. Вперше можна було спостерігати опосередкований рецепторами пошук мікроорганізмів джерел мінеральних поживних речовин. Часто спостерігається неоднорідність біоплівки свідчить про те, що така поведінка може бути більш поширеною серед діатомових водоростей.
Їжа чи секс? Діатомові водорості можуть вибирати між пошуком партнера або пошуком їжі
Перш за все, водорості розмножуються безстатево шляхом поділу клітин, але епізодично статеве спаровування також необхідне для виживання, оскільки клітини стають меншими і меншими після безперервного поділу. Тільки завдяки статевому спарюванню вони можуть відновити початковий розмір клітини. Для того, щоб знайти партнерів, готових до спаровування, вони йдуть феромоновими слідами, які вони залишають позаду.
Наші експерименти з S. robusta показали, що одноклітинні організми навіть здатні гнучко пристосовувати свою поведінку до умов навколишнього середовища та реагувати по-різному, залежно від вимог статевого розмноження. Це означає: Залежно від розмноження або дефіциту їжі, водорості можуть залучатись або статевими феромонами, або поживними речовинами, і таким чином насправді демонструють примітивну поведінкову біологію.
Щоб довести пріоритетну поведінку, ми культивували клітини в різних умовах; зокрема, ми зіткнулися з ними з різною кількістю силікату та першим статевим феромоном, описаним для діатомових водоростей, ді-L-проліл-дикетопіперазином, також відомим як "дипролін". Ми спостерігали, що найпростіші рухаються до феромонів або джерел їжі, залежно від того, наскільки вони “зголодніли” до сексу чи поживних речовин. Цей тип прийняття рішень раніше приписувався лише вищим організмам.
Використовуючи математичні моделі, ми змогли зрозуміти складну взаємодію спільнот і, таким чином, довести, що хімічні сигнали насправді організовують громади. Розуміння того, як одноклітинні організми, які не мають нервової системи, обробляють ці подразники, зараз є наступною великою проблемою. Рішення, прийняті окремими водоростями, також пояснюють аспекти динаміки біоплівки, в якій незліченні діатомові води утворюють спільноти.
Метаболізм найпростіших має наслідки для глобальних матеріальних циклів
Той факт, що мікроводорості присутні в неймовірних кількостях у планктоні (рис. 2) і вносять майже половину світового обсягу фотосинтезу, також робить їх ключовими гравцями у глобальних циклах матеріалу. Таким чином, відкриття нових метаболічних шляхів у планктонних водоростях має прямі наслідки для нашого розуміння глобальних процесів.
Нам вдалося продемонструвати це вражаюче для циклу сірки. Сірка міститься в дуже різних сполуках у всьому світі, і існує добре відомий цикл морських процесів, коли сульфат відновлюється водоростями, а відновлена сірка виділяється у воду у разі осмотичного стресу або загибелі клітин. Звідти сірка потрапляє в атмосферу у вигляді диметилсульфіду, окислюється в повітрі і знову йде дощ у вигляді розчиненого сульфату. Ми, люди, асоціюємо запах диметилсульфіду з "морем".
За допомогою складного аналізу ми змогли вивчити погано вивчені високополярні природні речовини з мікроводоростей і виявили раніше невідомий сірковмісний метаболіт диметилсульфоксоній пропіонат (DMSOP). Багато одноклітинні водорості, але також бактерії, які також домінують у морському планктоні, виробляють цю сполуку сірки. Це не тільки відіграє важливу роль у реакції стресів на водорості, але й у всьому світі сприяє кругообігу сірки: від Арктики до Середземномор’я ми виявили DMSOP у всіх зразках планктону. Виробники сірковмісної сполуки можна знайти скрізь в океанах, і ця сполука є абревіатурою у встановленому циклі сірки. Навіть якщо мікроводорості виділяють лише незначну кількість сполуки, що складає до декількох мільярдів кілограмів на рік. Таким чином, реакція стресу одноклітинних водоростей має глобальні наслідки, пов'язані з кліматом.
Висновок
Організація мікробних спільнот в океані викликає загальне занепокоєння. Ми починаємо розуміти, як хімічні сигнали мають організуючу дію в біоплівках та в планктоні відкритого моря. Наші дослідження показують, як фізіологія і навіть примітивна поведінкова біологія одноклітинних організмів впливає на наш світ.