Mänskliga aktiviteter förändrar havet på en global skala, med havsvatten i vissa regioner som blir varmare, surare, och mindre väl blandad. Ett möjligt resultat av minskad havsblandning är att näringsämnen, som fungerar som gödningsmedel för marina alger, kan bli mindre tillgänglig nära havsytan.

Många forskare studerar hur dessa förändringar kan påverka de mikroskopiska marina algerna som ger syre till jordens atmosfär och utgör grunden för havets näringsnät. En sak som forskarna med säkerhet vet är att de olika grupperna av alger reagerar olika på variationer i havsförhållanden, både säsongsmässigt och över längre tidsperioder. Att lära sig hur dessa olika grupper reagerar är nyckeln till att förstå hur havets ekosystem förändras över perioder från månader till decennier.

Tyvärr, att studera svaren från specifika typer av alger i det öppna havet är mycket svårt, eftersom havsförhållandena alltid fluktuerar, liksom de typer av alger som finns. Av denna anledning, forskare har vänt sig till laboratoriestudier. De flesta av dessa studier har involverat odling av alger i batchkulturer. Inom sådana kulturer, algerna växer snabbt och förökar sig, men sedan minskar deras populationer när de använder näringsämnen i det omgivande vattnet. Det betyder att sådana experiment inte riktigt kan replikera de mer steady-state förhållanden som ofta förekommer i det öppna havet.

För några år, MBARI Mikrobiolog Alexandra Worden och hennes forskargrupp har arbetat på ett nytt sätt att odla alger i steady-state kulturer med hjälp av högteknologiska inkubationskammare som kallas "foto-bioreaktorer". Dessa enheter gör det möjligt för forskarna att odla alger under exakt kontrollerade ljusnivåer, temperatur, och näringsämnen.

I en ny uppsättning experiment, forskarna utsatte algerna för låga koncentrationer av näringsämnen i veckor i taget. Sådana ihållande låga näringsämneskoncentrationer är vanliga i vissa delar av havet, men har inte testats i tidigare labbexperiment. De senaste experimenten gjorde det möjligt för forskarna att i detalj studera de biokemiska processer som hjälpte algerna att vänja sig vid förhållanden med låga näringsämnen. Sådana experiment skulle inte ha varit möjliga med en batchkultur eftersom algerna gradvis skulle ha dött av av brist på näringsämnen.

Wordens labb publicerade nyligen en artikel i Naturens mikrobiologi som beskriver resultaten av deras första foto-bioreaktorexperiment. Den första författaren på tidningen är tidigare MBARI-postdoktor Jian Guo. Andra författare inkluderar en svit av medarbetare, inklusive flera författare från det amerikanska energidepartementets Pacific Northwest National Laboratory.

För denna studie växte forskarna en liten, simalg som kallas Micromonas commoda under förhållanden där fosfat, ett viktigt algnäringsämne, hölls på relativt låga nivåer. Detta experiment simulerade förhållanden som finns i vissa öppna havsområden, som Sargassohavet.

Under experimentet som beskrivs i deras papper, forskarna gav först algerna rikligt med fosfat så att de växte snabbt. Efter att ha tagit bort nästan allt fosfat i vattnet, de ökade fosfatkoncentrationerna precis tillräckligt för att hålla algerna vid liv. På det här sättet, forskarna kunde hålla algerna växande under många dagar relativt låga, men konstant, fosfatkoncentrationer.

Under hela deras experiment, forskarna tog små prover av alger och använde sofistikerade genomiska tekniker för att ta reda på vilka gener i algerna som blev mer eller mindre aktiva under låg- och högfosfathalt. De använde också "proteomiska analyser" för att studera förändringar i de typer av proteiner som produceras av algerna under olika förhållanden.

Som Worden förklarade, "Dessa celler är så små att vi inte kan säga mycket genom att titta genom ett mikroskop, så generna och proteinerna de uttrycker är vår krok för att "visualisera" tillväxt och stress i havet."

De proteomiska analyserna hjälpte forskarna att förstå hur förändringar i näringskoncentrationer påverkar Micromonas förmåga att utföra fotosyntes. Tidigare studier har föreslagit att otillräckliga näringsämnen kan tillåta starkt solljus (som det som finns vid havsytan) att skada fotosyntesapparaten i algceller. Men den nya forskningen tyder på att Micromonas har förmågan att skydda sig mot sådana skador. Algen uppnår tydligen detta med hjälp av en föga förstådd uppsättning proteiner som forskarna hoppas kunna studera vidare.

En annan sak som forskarna upptäckte var att, efter tillväxt med begränsad fosfattillgång, Micromonas kan fortplanta sig snabbt inom 24 timmar efter att ha stött på högre fosfatkoncentrationer. Detta tyder på att Micromonas kan återhämta sig snabbt från fosfatbegränsning - kanske snabbare än andra typer av alger. Detta kan hjälpa Micromonas att snabbt anpassa sig till förändringar i sin omgivning, eller att transporteras horisontellt eller vertikalt av havsströmmar.

Forskarna noterar att några av samma proteiner som hjälper algen att växa under fosfatbegränsade förhållanden också hjälper till att skydda algerna från att ändra ljusnivåer. Detta tyder på att processerna genom vilka alger reagerar på miljöförändringar kan vara mer komplicerade än forskare tidigare hade misstänkt.

Forskare i Wordens labb utökar dessa experiment för att studera hur marina alger reagerar på förändringar i andra viktiga näringsämnen, som kväve, såväl som de kombinerade effekterna av förändringar i näringskoncentrationer tillsammans med förändringar i havstemperatur och atmosfärisk koldioxid.

"Vi är glada över att vi nu förstår en del av cellbiologin bakom hur alger hanterar säsongsförändringar, ", sa Worden. "Detta ger oss insikter i mekanismerna som hjälper alger att acklimatisera sig eller anpassa sig till framtida förhållanden. Dessa fynd tillåter oss att gå ut på fältet och undersöka realtidsupplevelsen av alger med mycket större känslighet än någonsin tidigare."