Фитопланктон «запасает закуски»: как микроскопические водоросли готовятся к будущему
Фитопланктон — одноклеточные водоросли — демонстрируют феномен фенотипической памяти: они «помнят» прошлые условия среды, чтобы ускорить свой рост в будущем. Механизм этого явления долгое время оставался загадкой.
Исследователи из Университета Коннектикута, Гавайского университета, Рид-колледжа и Йельского университета разработали и проверили механистическую теорию, объясняющую этот феномен. Их работа опубликована в PNAS.
Фитопланктон критически важен для биосферы:
- Производит около половины глобального кислорода.
- Играет ключевую роль в глобальных циклах питательных веществ и экосистемах.
Рост фитопланктона зависит не только от текущих абиотических условий (температура, доступность питательных веществ), но и от прошлых — благодаря фенотипической памяти.
«У них нет мозга, так как же прошлая информация влияет на их жизнедеятельность?» — задаётся вопросом доцент Колин Кремер.
Эксперимент и модель
Для изучения феномена учёные:
- Выращивали разные виды фитопланктона в контролируемых условиях температуры и освещения, используя специально сконструированные термоградиентные блоки.
- Измеряли рост по накоплению биомассы.
- Разработали математическую модель для описания механизма памяти.
Модель, к удивлению исследователей, с высокой точностью предсказала экспериментальные данные.
«Модель идеально легла на данные с самого начала... Ключ в экологии — найти золотую середину между необходимостью понимать десятки биохимических путей и пониманием нескольких ключевых процессов», — отмечает Сэмюэл Фей.
Механизм: «запас закусок»
Ключевое открытие: способность накапливать и хранить питательные вещества для будущего производства биомассы определяет скорость роста.
- В холодной воде рост фитопланктона ограничен температурой.
- Однако клетки продолжают поглощать и запасать избыточные питательные вещества из среды («запасают закуски»).
- При потеплении температурное ограничение снимается, и организм, используя свои «запасы», демонстрирует всплеск роста («суперзаряженный рост»).
- После периода быстрого роста скорость падает, особенно если температура снова понижается, а «запасы» исчерпаны.
Таким образом, количество запасённых питательных веществ — это и есть «память» о прошлых условиях, влияющая на текущее состояние.
«В некоторых случаях мы наблюдаем, как фитопланктон совершает геркулесовы подвиги в течение нескольких дней... Фенотипическая память может смягчить негативные последствия теплового стресса, если волны жары начинаются в прохладных условиях», — говорит Фей.
Значение и перспективы
- Общий механизм: Теория хорошо объясняет данные для разных видов пресноводного и одного морского фитопланктона, что указывает на его универсальность.
- Следующие шаги: Прямое измерение количества различных запасённых питательных веществ (азота, фосфора и др.) с течением времени.
- Более широкий контекст: Способность накапливать ресурсы есть не только у фитопланктона. Понимание динамики фенотипической памяти у других организмов становится всё актуальнее в условиях меняющегося климата.
«Резкие изменения температуры были и останутся ключевым опытом жизни на Земле. Эта работа углубляет наше понимание того, как особи могут реагировать на температурные возмущения, которые будут определять XXI век», — заключает Фей.
Понимание этого механизма позволяет лучше прогнозировать последствия изменчивости среды для роста организмов, что критически важно для экологии в условиях растущей изменчивости температуры и уровня ресурсов.