Microscopisch zeeplankton is niet hulpeloos op drift in de oceaan. Ze kunnen signalen waarnemen die op turbulentie duiden, reageren snel om hun gedrag te reguleren en zich actief aan te passen. ETH-onderzoekers hebben voor het eerst aangetoond hoe ze dit doen.

Plankton in de oceaan is constant in beweging. Bij dag, deze kleine organismen, een tiende van de diameter van een mensenhaar, migreren actief naar het zonovergoten oceaanoppervlak om fotosynthese uit te voeren. 's Nachts, ze banen zich een weg naar diepten van tientallen meters, waar de aanvoer van voedingsstoffen groter is.

Tijdens hun regelmatige reizen tussen goed verlichte en voedselrijke zones, planktoncellen komen vaak turbulente lagen tegen, die dit essentiële migratiepatroon verstoren. Het is nog steeds een raadsel hoe deze minuscule organismen door de gevaren van turbulente wateren kunnen navigeren. Planktoncellen worden rondgewerveld door turbulentie, vooral door de kleinste, stromingswervels ter grootte van een millimeter - alsof ze in een miniatuurwasmachine zitten, die permanente schade aan hun voortstuwingsaanhangsels en celomhulling kunnen veroorzaken. In het slechtste geval, ze kunnen in turbulentie omkomen.

Trekgedrag waargenomen in microkamers

Bepaalde microalgen hebben, echter, ontwikkelde een uitgekiend antwoord op dergelijke turbulente signalen. Postdoctoraal onderzoekers Anupam Sengupta en Francesco Carrara, samen met hun adviseur Roman Stocker, Professor aan het ETH Zürich Institute of Environmental Engineering, hebben dit aangetoond in een onderzoek dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd Natuur .

Met behulp van laboratoriumexperimenten, de drie wetenschappers "brachten de oceaan naar het laboratorium" en onderzochten het trekgedrag van Heterosigma akashiwo, een alg die bekend staat om het vormen van giftige algenbloei. Om zwemgedrag te onderzoeken, de onderzoekers gebruikten een microgefabriceerde kamer, slechts een paar kubieke millimeter in volume, waarin ze de Heterosigma-cellen introduceerden. De kamer kan langs zijn as worden gedraaid met behulp van een computergestuurde motor, het blootstellen van cellen aan periodieke oriëntatieveranderingen die repliceren hoe kleine turbulente wervelingen de cellen ondersteboven in de oceaan omdraaien.

Duiken met een vooruitziende blik

De wetenschappers konden waarnemen dat een algenpopulatie die zich naar boven bewoog in twee even grote groepen splitste gedurende een periode van 30 minuten nadat de kamer herhaaldelijk 180 graden was omgedraaid. Een groep cellen bleef naar boven streven, terwijl de andere groep van gedrag veranderde en in de tegenovergestelde richting begon te zwemmen. Deze populatiesplitsing deed zich niet voor bij algen in stationaire kamers, waarin ze allemaal continu naar boven zwommen en zich ophoopten nabij het bovenoppervlak.

Door in te zoomen op enkele cellen, de onderzoekers ontdekten de reden voor de verandering in zwemgedrag. Wanneer blootgesteld aan de turbulentie-achtige signalen, de cellen waren in staat om actief en snel van vorm te veranderen:van asymmetrische peervormige cellen die naar boven zwemmen, de cellen veranderden in eivormige structuren die naar beneden zwommen. Opvallend, deze verschuiving omvatte veranderingen van minder dan een micrometer. "Het is spectaculair dat een cel van amper 10 micrometer zijn vorm kan aanpassen om zijn zwemrichting te veranderen, ", zegt co-auteur Francesco Carrara van de studie.

Perfecte aanpassing

Roman Stocker beschouwt dit mechanisme niet als louter toeval. "De algen hebben zich perfect aangepast aan hun oceaanhabitat:ze kunnen actief zwemmen, ze nemen een reeks verschillende omgevingssignalen waar, inclusief turbulentie, en ze passen zich snel aan en reguleren hun gedrag dienovereenkomstig." Anupam Sengupta voegt toe:"We begrijpen nu beter hoe deze micro-organismen omgaan met potentieel schadelijke situaties, echter, op dit moment kunnen we alleen maar speculeren waarom de cellen dit doen."

De onderzoekers stellen dat het opsplitsen in twee groepen een evolutionair voordeel oplevert voor de bevolking:op deze manier de hele bevolking gaat niet verloren wanneer ze een laag sterke turbulentie tegenkomt, maar in het ergste geval slechts de helft. Door de turbulentie te vermijden door te duiken, de naar beneden zwemmende cellen lijden op korte termijn aan de kosten van het ontvangen van te weinig licht om fotosynthese uit te voeren, wat betekent dat ze niet kunnen groeien. De onderzoekers vonden ook aanwijzingen dat het omslaan door turbulentie een fysiologische invloed heeft op de algen. Cellen die in hun experiment werden omgedraaid, vertoonden hogere niveaus van stress dan die in de stationaire kamers.

Klimaatverandering beïnvloedt turbulentie

De onderzoekers zijn nu van plan om de algen in een grotere tank te observeren, waar ze de cellen niet alleen blootstellen aan flippen, maar ook aan echte turbulentie. Begrijpen hoe deze minuscule cellen reageren op turbulentie is van groot belang voor ons begrip van de oceaan. "Zoals we nu weten dat de wereldwijde klimaatverandering het turbulentielandschap in de oceaan zal veranderen, het is vooral belangrijk om te begrijpen hoe de organismen die aan de basis liggen van het mariene voedselweb, erop reageren. Dit werk draagt ​​een stukje van de puzzel bij, door aan te tonen dat fytoplankton niet alleen overgeleverd is aan turbulentie, maar kan er actief mee omgaan, ", zegt de ETH-hoogleraar.