Общности на планктона: Как едноклетъчните организми избират и реагират на стреса

Едноклетъчните водорасли са повсеместни в планктона и биофилмите на нашите океани. Георг Понерт (стипендиант на Макс Планк и Унив. Профил) и неговите екипи от Института по химическа екология „Макс Планк“ (Йена) и в университета „Фридрих Шилер“ (Йена) изследват как химическите сигнали контролират микробните съобщества, независимо дали става въпрос за големите натрупвания на водорасли в планктона на океаните или временни биофилмови общности. Те успяха да покажат, че както микроводораслите, така и бактериите в планктона произвеждат неизвестно досега сярно съединение и по този начин фундаментално влияят както върху микробните взаимодействия, така и върху глобалния серен цикъл. *

Диатомите могат да „помиришат“ разтворени силикати във вода

Диатомените са основен компонент на морския фитопланктон, където се срещат свободно плуващи в открити води. Но те могат да бъдат намерени и по банки и плажове като биофилм върху камъни и други повърхности. Водораслите са не само основата на храна за много морски животни, но също така са отговорни за изключително важна екосистемна услуга: Те допринасят значително за глобалната фотосинтеза и по този начин за производството на кислород в земната атмосфера.

Диатомето Seminavis robusta (Фигура 1) е много подходящо като модел на организма за провеждане на поведенчески изследвания в биофилма в лаборатория: той може да се размножава по полов път и е чувствителен към различни условия на околната среда. За да изградят стабилните си минерални клетъчни стени, диатомеите се нуждаят от строителния материал силикат, който те трябва да търсят в своята среда.

Нашите експерименти показаха, че едноклетъчните организми преминават на зигзаг към източниците на силикат и след това остават на местата, където съдържанието на силикат е особено високо. Докато диатомеите се движат около два микрометра в секунда, те се привличат само от „аромата“ на силикатите. Ако заменим минералната сол със структурно много сходни соли, които са токсични за водораслите, те се отдалечават от минералния източник. За първи път може да се наблюдава медиирано от рецепторите търсене на микроорганизми за минерални хранителни източници. Често наблюдаваната хетерогенност на биофилмите предполага, че това поведение може да бъде по-широко разпространено сред диатомовите водороди.

Храна или секс? Диатомеите могат да избират между търсене на партньор или търсене на храна

На първо място, водораслите се размножават безполово чрез клетъчно делене, но епизодично сексуалното чифтосване също е необходимо за оцеляване, тъй като клетките стават все по-малки и по-малки след продължително делене. Само чрез сексуално чифтосване те могат да възвърнат първоначалния си размер на клетките. За да намерят партньори, които са готови да се чифтосват, те следват феромонови пътеки, които оставят след себе си.

Нашите експерименти със S. robusta показаха, че едноклетъчните организми дори са способни да адаптират поведението си гъвкаво към условията на околната среда и да реагират по различен начин в зависимост от изискванията на половото размножаване. Това означава: В зависимост от размножаването или недостига на храна, водораслите могат да бъдат привлечени или от полови феромони, или от хранителни вещества и по този начин всъщност показват примитивна поведенческа биология.

За да докажем приоритетното поведение, ние култивирахме клетките при различни условия; по-специално, ние се сблъскахме с различни количества силикат и първия полов феромон, описан за диатомовите киселини, ди-L-пролил-дикетопиперазин, известен също като „дипролин“. Забелязахме, че протозоите се придвижват към феромони или източници на храна, в зависимост от това колко гладни са били за секс или хранителни вещества. Този тип вземане на решения досега се приписва само на висшите организми.

Използвайки математически модели, успяхме да разберем сложните взаимодействия в общностите и по този начин да докажем, че химическите сигнали всъщност организират общностите. Разбирането на начина, по който едноклетъчните организми, които нямат нервна система, обработват тези стимули, сега е следващото голямо предизвикателство.Решенията на отделните водорасли обясняват и аспекти на динамиката на биофилмите, в които безброй диатомови съединения се образуват общности.

Метаболизмът на протозоите има последици за глобалните материални цикли

Фактът, че микроводораслите се намират в невероятни количества в планктона (Фигура 2) и допринасят за почти половината от глобалната фотосинтетична продукция, също ги прави ключови играчи в глобалните материални цикли. По този начин откриването на нови метаболитни пътища в планктонните водорасли има директни последици за нашето разбиране за глобалните процеси.

Успяхме да покажем това впечатляващо за цикъла на сярата. Сярата се намира в много различни съединения по целия свят и има добре известен цикъл за морски процеси, при който сулфатът се редуцира от водорасли и редуцираната сяра се отделя във водата в случай на осмотичен стрес или клетъчна смърт. Оттам сярата навлиза в атмосферата под формата на диметилсулфид, окислява се във въздуха и отново вали като разтворен сулфат. Ние, хората, свързваме миризмата на диметил сулфид с "морето".

С усъвършенстван анализ успяхме да изследваме слабо разбраните високополярни природни вещества от микроводорасли и открихме неизвестния досега метаболит диметилсулфоксониев пропионат, съдържащ сяра (DMSOP). Много едноклетъчни водорасли, но също и бактерии, които също доминират в морския планктон, произвеждат това сярно съединение. Той не само играе важна роля в реакцията на стрес на водораслите, но също така допринася глобално за цикъла на сярата: От Арктика до Средиземноморието открихме DMSOP във всички проби от планктон. Производителите на съдържащото сяра съединение могат да бъдат намерени навсякъде в океаните и съединението е съкращение в установения цикъл на сярата.Дори ако микроводораслите отделят само малки количества от съединението, това добавя до няколко милиарда килограма годишно. Следователно реакцията на стрес на едноклетъчните водорасли има глобални последици, свързани с климата.

Заключение

Организацията на микробни общности в океана е от глобално значение. Започваме да разбираме как химическите сигнали имат организиращ ефект в биофилмите и в планктона на открито море. Нашите изследвания показват как физиологията и дори примитивната поведенческа биология на едноклетъчните организми влияят на нашия свят.