Spoločenstvá planktónu Ako si jednobunkové organizmy vyberajú a reagujú na stres ScienceBlog
Jednobunkové riasy sú v planktóne a biofilmoch našich oceánov všadeprítomné. Georg Pohnert (Max Planck Fellow a Univ.Prof) a jeho tímy na Inštitúte Maxa Plancka pre chemickú ekológiu (Jena) a na Univerzite Friedricha Schillera (Jena) skúmajú, ako chemické signály riadia mikrobiálne spoločenstvá, či už ide o rozsiahle zbierky rias v planktóne oceánov alebo dočasných spoločenstvách biofilmov. Dokázali preukázať, že mikroskopické riasy aj baktérie v planktóne produkujú predtým neznámu zlúčeninu síry, a tým zásadne ovplyvňujú tak mikrobiálne interakcie, ako aj globálny cyklus síry. *
Diatomy môžu „cítiť“ rozpustené kremičitany vo vode
Diatómy sú hlavnou súčasťou morského fytoplanktónu, kde sa nachádzajú voľne plávajúce v otvorenej vode. Ale dajú sa nájsť aj na brehoch a plážach ako biofilm na kameňoch a iných povrchoch. Riasy nie sú len základom potravy pre mnoho morských živočíchov, sú tiež zodpovedné za mimoriadne dôležitú ekosystémovú službu: významne prispievajú k globálnej fotosyntéze, a tým k produkcii kyslíka v zemskej atmosfére.
Rozsievka Seminavis robusta (obrázok 1) je veľmi vhodná ako modelový organizmus na uskutočňovanie behaviorálnych štúdií v biofilme v laboratóriu: môže sa sexuálne množiť a je citlivá na rôzne podmienky prostredia. Na vybudovanie stabilných bunkových stien z minerálov potrebujú rozsievky kremičitan stavebného materiálu, ktorý musia vo svojom prostredí hľadať.
Naše experimenty ukázali, že jednobunkové organizmy sa kľukato prechádzajú smerom k zdrojom kremičitanu a potom zostávajú na miestach, kde je obsah kremičitanu obzvlášť vysoký. Zatiaľ čo rozsievky prechádzajú okolo dvoch mikrometrov za sekundu, priťahuje ich iba „vôňa“ kremičitanov. Ak nahradíme minerálnu soľ štruktúrne veľmi podobnými soľami, ktoré sú toxické pre riasy, vzďaľujú sa od minerálneho zdroja. Po prvýkrát bolo možné pozorovať mikroorganizmami hľadané zdroje minerálnych živín prostredníctvom mikroorganizmov. Často pozorovaná heterogenita biofilmov naznačuje, že toto správanie by mohlo byť rozšírenejšie medzi rozsievkami.
Jedlo alebo sex? Diatomy si môžu vybrať medzi hľadaním partnera alebo hľadaním potravy
V prvom rade sa riasy reprodukujú nepohlavne bunkovým delením, ale pre prežitie je nevyhnutné aj občasné sexuálne párenie, pretože bunky sa po kontinuálnom delení zmenšujú. Iba sexuálnym párením môžu získať späť svoju pôvodnú veľkosť buniek. Aby našli partnerov, ktorí sú pripravení na párenie, sledujú feromónové trasy, ktoré po sebe zanechávajú.
Naše experimenty so S. robusta ukázali, že jednobunkové organizmy sú schopné prispôsobiť svoje správanie pružne podmienkam prostredia a reagovať odlišne v závislosti od požiadaviek pohlavného rozmnožovania. To znamená: V závislosti od množenia alebo nedostatku potravy môžu byť riasy priťahované buď sexuálnymi feromónmi alebo výživnými látkami, a tak skutočne vykazujú primitívnu biológiu správania.
Aby sme dokázali prioritné správanie, kultivovali sme bunky za rôznych podmienok; obzvlášť sme ich konfrontovali s rôznymi množstvami kremičitanu a feromónu prvého pohlavia opísaného pre rozsievky, di-L-prolyl-diketopiperazínu, tiež známeho ako „diprolín“. Zistili sme, že prvoky sa pohybujú smerom k feromónom alebo potravinovým zdrojom, v závislosti od toho, aký „hladný“ bol po sexe alebo po výživných látkach. Tento typ rozhodovania sa doteraz pripisoval iba vyšším organizmom.
Pomocou matematických modelov sme boli schopní pochopiť zložité interakcie v spoločenstvách a dokázať tak, že chemické signály spoločenstvá skutočne organizujú. Pochopenie toho, ako jednobunkové organizmy, ktoré nemajú nervový systém, tieto podnety spracúvajú, je teraz ďalšou veľkou výzvou. Rozhodnutia jednotlivých rias tiež vysvetľujú aspekty dynamiky biofilmov, v ktorých sa nespočetné množstvo rozsievok spája a vytvárajú spoločenstvá.
Metabolizmus prvokov má dôsledky na globálne materiálne cykly
Skutočnosť, že mikroriasy sú v planktóne prítomné v neuveriteľných množstvách (obrázok 2) a prispievajú takmer polovicou globálneho fotosyntetického výstupu, z nich tiež robí kľúčových hráčov v globálnych cykloch materiálov. Objavenie nových metabolických dráh v planktónových riasach má teda priame dôsledky na naše chápanie globálnych procesov.
Dokázali sme to pôsobivo demonštrovať pre cyklus síry. Síra sa nachádza vo veľmi rozdielnych zlúčeninách po celom svete a pre morské procesy existuje známy cyklus, pri ktorom sa síran redukuje riasami a znížená síra sa uvoľňuje do vody v prípade osmotického stresu alebo smrti buniek. Odtiaľ síra vstupuje do atmosféry vo forme dimetylsulfidu, oxiduje sa na vzduchu a opäť prší ako rozpustený síran. My ľudia si spájame vôňu dimetylsulfidu s „morom“.
Pomocou sofistikovanej analýzy sme boli schopní preskúmať zle pochopené vysoko polárne prírodné látky z mikrorias a našli sme predtým neznámy metabolit obsahujúci síru dimetylsulfoxónium propionát (DMSOP). Mnoho jednobunkových rias, ale aj baktérií, ktoré tiež dominujú planktónu mora, produkujú túto zlúčeninu síry. Nielenže hrá dôležitú úlohu pri stresovej reakcii rias, ale tiež globálne prispieva k cyklu síry: Od Arktídy po Stredozemné more sme vo všetkých vzorkách planktónu našli DMSOP. Producentov zlúčeniny obsahujúcej síru nájdete v oceánoch všade a táto zlúčenina je skratkou zavedeného cyklu síry. Aj keď mikroriasy uvoľňujú iba malé množstvo zlúčeniny, ročne to predstavuje niekoľko miliárd kilogramov. Stresová reakcia jednobunkových rias má teda globálne klimatické dôsledky.
Záver
Organizácia mikrobiálnych spoločenstiev v oceáne je predmetom globálneho záujmu. Začíname chápať, ako majú chemické signály organizačný účinok v biofilmoch a v planktóne otvoreného mora. Náš výskum ukazuje, ako jednobunková fyziológia a dokonca primitívna biológia správania ovplyvňuje náš svet.