Mikroskopisk marin plankton driver inte hjälplöst i havet. De kan uppfatta ledtrådar som indikerar turbulens, snabbt reagera för att reglera sitt beteende och aktivt anpassa sig. ETH-forskare har för första gången visat hur de gör detta.

Plankton i havet är ständigt i rörelse. På dagen, dessa små organismer, en tiondel av människohårets diameter, aktivt migrera mot den solbelysta havsytan för att utföra fotosyntes. På natten, de tar sig till tiotals meters djup, där tillgången på näringsämnen är större.

Under deras regelbundna resor mellan väl upplysta och näringsrika zoner, planktonceller möter ofta turbulenta lager, som stör detta väsentliga migrationsmönster. Det är fortfarande ett mysterium hur dessa små organismer kan navigera genom farorna med turbulenta vatten. Planktonceller virvlas runt av turbulens - särskilt av de minsta, millimeterstora flödesvirvlar – som om de vore i en miniatyrtvättmaskin, vilket kan orsaka permanent skada på deras framdrivningsbihang och cellhölje. I värsta fall, de kan gå under i turbulens.

Migrerande beteende observerat i mikrokammare

Vissa mikroalger har, dock, utvecklat ett sofistikerat svar på sådana turbulenta signaler. Postdoktorala forskarna Anupam Sengupta och Francesco Carrara, tillsammans med deras rådgivare Roman Stocker, Professor vid ETH Zurich Institute of Environmental Engineering, har visat detta i en studie som nyligen publicerats i tidskriften Natur .

Med hjälp av laboratorieexperiment, de tre forskarna "förde havet in i labbet" och undersökte migrationsbeteendet hos Heterosigma akashiwo, en alg känd för att bilda giftiga algblomningar. För att undersöka simbeteende, forskarna använde en mikrofabricerad kammare, bara några kubikmillimeter i volym, där de introducerade Heterosigma-cellerna. Kammaren kan roteras längs sin axel med hjälp av en datorstyrd motor, utsätter celler för periodiska vändningar i orientering som replikerar hur små turbulenta virvlar vänder cellerna upp och ner i havet.

Dykning med framförhållning

Forskarna kunde observera att en algpopulation som rör sig uppåt delade sig i två lika stora grupper under en period av 30 minuter efter att kammaren upprepade gånger vänds med 180 grader. En grupp celler fortsatte att sträva uppåt, medan den andra gruppen bytte beteende och började simma i motsatt riktning. Denna populationsdelning inträffade inte med alger i stationära kammare, där alla simmade kontinuerligt uppåt och samlades nära den övre ytan.

Genom att zooma in i enskilda celler, forskarna upptäckte orsaken till förändringen i simbeteende. När de utsätts för turbulensliknande signaler, cellerna kunde aktivt och snabbt ändra sin form:från asymmetriska päronformade celler som simmade uppåt, cellerna förvandlades till äggformade strukturer som simmade nedåt. Slående, denna förskjutning innebar förändringar på mindre än en mikrometer. "Det är spektakulärt att en cell knappt 10 mikrometer stor kan anpassa sin form för att ändra sin simriktning, "säger studiens medförfattare Francesco Carrara.

Perfekt anpassning

Roman Stocker ser inte denna mekanism som bara en slump. "Algerna har anpassat sig perfekt till sin havsmiljö:de kan aktivt simma, de uppfattar en rad olika miljösignaler, inklusive turbulens, och de anpassar sig snabbt och reglerar sitt beteende därefter." Anupam Sengupta tillägger:"Vi förstår nu bättre hur dessa mikroorganismer möter potentiellt skadliga situationer, dock, för närvarande kan vi bara spekulera i varför cellerna gör detta."

Forskarna hävdar att uppdelning i två grupper skapar en evolutionär fördel för befolkningen:på detta sätt, hela befolkningen går inte förlorad när den möter ett lager av stark turbulens, men i värsta fall bara halva. För att undvika turbulensen genom att dyka, de nedåtsimmande cellerna lider av den kortsiktiga kostnaden för att få för lite ljus för att utföra fotosyntes, vilket betyder att de inte kan växa. Forskarna hittade också bevis för att turbulensens vändning har en fysiologisk inverkan på algerna. Celler som vänts i deras experiment uppvisade högre nivåer av stress än de i de stationära kamrarna.

Klimatförändringarna påverkar turbulensen

Forskarna planerar nu att observera algerna i en större tank, där de kommer att utsätta cellerna inte bara för vändning utan också för verklig turbulens. Att förstå hur dessa små celler reagerar på turbulens har stor betydelse för vår förståelse av havet. "Nu vet vi att den globala klimatförändringen kommer att förändra turbulenslandskapet i havet, det är särskilt viktigt att förstå hur organismerna som är grunden för det marina näringsnätet reagerar på det. Detta arbete bidrar med en pusselbit, genom att visa att växtplankton inte bara är turbulensens nåd, men kan aktivt hantera det, säger ETH-professorn.