Планктон раздувается в шесть раз в новом открытом способе океанического путешествия
Многие планктонные организмы совершают путешествие из холодных, темных глубин океанов к поверхности, чтобы затем снова опуститься в темноту в вечном ритме. Однако оставалось загадкой, как одноклеточный фитопланктон, большинство из которого не имеет придатков для плавания, совершает это паломничество.
В статье, опубликованной 17 октября в Current Biology, исследователи описывают вид биолюминесцентного фитопланктона Pyrocystis noctiluca, который раздувается до шести раз от своего исходного размера в несколько сотен микрон.
Это массивное надувание позволяет планктону подниматься на 200 метров к поверхности океана для захвата солнечного света, а затем опускаться обратно, демонстрируя уникальную стратегию для дальних океанических путешествий.
Фитопланктон в среднем на 5–10% тяжелее морской воды, а значит, чтобы оставаться у поверхности для фотосинтеза, ему нужно найти способ противостоять гравитации.
«Мы решили работать с организмами, у которых, казалось бы, нет придатков для плавания», — говорит старший автор Ману Пракаш, морской биолог и биоинженер из Стэнфордского университета.
«Мы обнаружили в этой работе, что эти клетки P. noctiluca похожи на маленькие подводные лодки, которые могут так точно контролировать свою плотность, что могут выбирать, где им находиться в толще воды».
На исследовательском судне у побережья Гавайев Пракаш и постдокторант Стэнфордского университета Адам Ларсон, один из первых авторов исследования, случайно обнаружили цветение P. noctiluca и с удивлением нашли в своих сетях клетки двух очень разных размеров.
«Потребовалось время, чтобы понять, почему, пока мы не записали видео, где увидели, как клетки совершают это массивное надувание», — говорит Ларсон. «Это может произойти довольно внезапно, так что если вы задремлете у микроскопа на 10 минут, то можете пропустить это».
Чтобы проверить, какие эффекты может иметь этот быстрый рост на планктон, исследовательская группа использовала свою новую «гравитационную машину».
«Гравитационная машина позволяет нам видеть отдельную клетку с субклеточным разрешением в бесконечной водной колонне», — говорит Пракаш.
«Это немного похоже на колесо обозрения для песчанок или мышей, но для одной клетки. Оно размером с обеденную тарелку и вращается, так что клетка не понимает, что она не поднимается и не опускается в своей собственной системе отсчета».
Изменяя давление и плотность воды внутри гравитационной машины, команда может создать среду виртуальной реальности, имитирующую океанские глубины. С помощью машины команда обнаружила, что раздутые клетки были менее плотными, чем окружающая морская вода, что позволяло им избегать силы тяжести и всплывать к виртуальной поверхности.
Дальнейшее исследование показало, что это расширение происходит как естественная часть клеточного цикла планктона. После того как одноклеточный планктон делится на две части, внутренняя структура, называемая вакуолью — своего рода гибкий водяной резервуар, — фильтрует пресную воду, заставляя две новые клетки значительно увеличиваться в размерах.
Эти две дочерние клетки, теперь наполненные более легкой пресной водой, всплывают вверх. «Мы поняли, что это очень умный способ, по сути, совершать "выстрел" в океане во время клеточного деления», — говорит Пракаш.
«Итак, что происходит в обычное время? Вы производите много белков, у вас много солнечного света, и вы создаете много биомассы, пока не становитесь тяжелее и не опускаетесь. Затем вы делитесь в более глубоких водах и используете надувание, чтобы вернуться к размеру материнской клетки».
Весь клеточный цикл занимает примерно семь дней, что совпадает с вертикальным движением планктона за светом и питательными веществами. «Тогда можно увидеть, как мог развиться этот клеточный цикл», — говорит Пракаш.
«Я думаю, это первый раз, когда у нас есть четкие доказательства того, что клеточный цикл — такой фундаментальный механизм контроля клетки и деления — возможно, контролируется экологическим параметром».
Имея в виду эти идеи и используя теоретическую основу, команда обнаружила экологический параметр, действующий как фундаментальный предел, движущий эту эволюцию.
«Все клетки испытывают гравитационное притяжение вниз, и если они или их последующее потомство не будут сопротивляться, они навсегда утонут на дно океана в гравитационной ловушке», — говорит постдокторант Рахул Чайва, другой первый автор исследования, также из Стэнфордского университета.
Теперь, используя результаты гравитационной машины, а также свои экологические и физиологические наблюдения, исследовательская группа разработала математическую модель, которую можно обобщить и применить ко всему планктону в океане.
В будущих проектах лаборатория Пракаша надеется раскрыть скрытые тайны огромного количества планктонных организмов, которые могут использовать новую биохимию для регулирования плотности и перемещения вверх и вниз по водной толще.
«Сейчас в нашем Поведенческом атласе примерно 600 видов, и мы систематически измеряем всевозможные механизмы. Оказывается, существует четыре или пять разных уловок, которые совместно эволюционируют для этой функции. Я думаю, что одна из действительно интересных нитей — это то, что у нас есть длинный список организмов для изучения; потому что в океане живут миллионы видов, это лишь верхушка айсберга».
Хунцюань Ли, аспирант лаборатории Пракаша, также является автором исследования.