Выживание в турбулентные времена: уроки от фитопланктона
Физики из Люксембургского университета вместе с учёными из Швеции, Израиля и Швейцарии установили механистические связи между физиологическим стрессом и миграционным поведением водных фотосинтезирующих микроорганизмов в условиях турбулентности.
Фитопланктон, водные микроорганизмы, кишащие в наших озёрах и океанах, незаменимы для поддержания баланса экосистемы, особенно в условиях быстро меняющейся окружающей среды. Как первичные продуценты, фитопланктон преобразует энергию солнечного света в органический углерод, занимая критически важное положение в основании водных пищевых сетей. Однако до сих пор не хватало механистического понимания того, как возникающие турбулентные ландшафты — следствие изменения климата — влияют на поведение и приспособленность фитопланктона.
Новаторские результаты, опубликованные в текущем выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences, дают беспрецедентное представление о судьбе морских микроорганизмов в условиях меняющегося климата.
Турбулентность — это стресс, но планктон, кажется, готов
Фитопланктон — это микроскопические фотосинтезирующие организмы, которые формируют основу большинства водных пищевых сетей, регулируют глобальные биогеохимические циклы и, перенося CO2 из атмосферы в океаны, производят половину мирового кислорода. Многие виды фитопланктона подвижны и часто мигрируют в ответ на гравитацию: вверх к свету днём и вниз ночью, к более высоким концентрациям неорганических питательных веществ. При этом клетки подвергаются воздействию различного уровня гидродинамической турбулентности. Давно известно, что турбулентность влияет на приспособленность фитопланктона и смену видов: подвижные виды доминируют в спокойных условиях, а неподвижные — в турбулентных. Однако механистического понимания влияния турбулентности на физиологию и миграционное поведение фитопланктона до сих пор не хватало.
Микробный SOS: изысканная биомеханическая система раннего предупреждения
Профессор Анупам Сенгупта, стипендиат ATTRACT и руководитель группы Physics of Living Matter в Люксембургском университете, возглавил международную команду учёных, чтобы восполнить этот давний пробел в морской микробной экологии. Комбинируя методы физики, гидромеханики и микробиологии, учёные количественно оценили накопление физиологического стресса — измеренного с помощью флуоресцентного мечения активных форм кислорода (Reactive Oxygen Species, ROS) в фитопланктоне — при вращении в специально разработанном водовороте, имитирующем океаническую турбулентность. Авторы раскрывают механистическую связь, математически моделируя экспериментальные данные и связывая физиологический стресс со статистикой плавания. Новые результаты демонстрируют изысканный биофизический механизм, с помощью которого фитопланктон интегрирует турбулентные сигналы во времени через стресс-сигнализацию, а затем использует свою биомеханическую стабильность для определения интенсивности этих сигналов, чтобы в конечном итоге запустить адаптивное миграционное поведение. Работа следует за пионерским открытием профессора Сенгупты, о котором ранее сообщалось в журнале Nature (Sengupta et al., Nature 2017), что почти 50% подвижных видов фитопланктона адаптируются к турбулентности за счёт быстрой диверсификации стратегий миграции.
Прогнозирование выживания видов в меняющемся климате
Новые климатические тенденции меняют гидродинамические ландшафты океанов и озёр, влияя на поведение, выживание и глобальную первичную продуктивность микробов. Связывая турбулентность — неизбежное возмущение окружающей среды — с фотосинтетической эффективностью и биологической приспособленностью, эта работа улучшает нашу способность прогнозировать долгосрочные последствия изменения климата, учитывая глобальные обратные связи между изменёнными океаническими течениями и первичной продуктивностью, опосредованной планктоном.
«Открытие опосредованной стрессом стратегии раннего предупреждения окажется важным для понимания того, как виды фитопланктона справляются (или терпят крах) при изменении характеристик турбулентности, и прольёт свет на то, какие виды будут успешно размножаться — включая те, которые мы наблюдаем в наших местных водоёмах в Люксембурге — по мере изменения климатических условий», — поясняет профессор Сенгупта.