Биофизики из Люксембургского университета выяснили, как микропланктон — ключевые фотосинтезирующие организмы, которые производят почти 50% кислорода, которым мы дышим, — ведут бережливый образ жизни, когда питательные вещества становятся ограниченными. Они стратегически используют внутренние липиды, чтобы регулировать свойства плавания, чтобы максимизировать свою физическую форму.

Профессор Анупам Сенгупта и его команда открыли этот эволюционный трюк, наблюдая за вредными видами фитопланктона, формирующими цветение, используя многомасштабные количественные методы визуализации, аналитические и физиологические измерения, гидродинамическое моделирование и математическое моделирование.

Точное отслеживание внутриклеточных органелл (как размера, так и положения внутри клеток) и плавательного поведения выявляет возникающую синергию между активным движением липидов и формой клеток, что в конечном итоге позволяет микропланктону ориентироваться в динамических питательных ландшафтах. Инновационные открытия опубликованы в журнале Science Advances.

Микробные питательные вещества становятся дефицитными: неизбежное последствие изменения климата

По мере того, как открытые океаны продолжают нагреваться, измененные течения и усиленная стратификация усугубляют ограничение питательных веществ, тем самым ограничивая первичную продукцию. Способность вертикально мигрировать дает подвижному фитопланктону важное, но энергетически дорогое преимущество, которое позволяет вертикально перераспределять для роста, поглощения питательных веществ и накопления энергии в воде с ограниченным содержанием питательных веществ.

За последние годы профессор Сенгупта стал пионером открытий, указывающих на изысканные биомеханические стратегии, которые фитопланктон использует для адаптации к изменениям в своей среде обитания, например, из-за турбулентности океана ( Nature 2017), и защитным механизмам раннего предупреждения перед лицом биофизических стрессы ( Известия Национальной академии наук, 2021 г.).

Остается неизвестным , как эти крошечные, но незаменимые микробы адаптируются к изменяющимся питательным ландшафтам, в значительной степени обусловленным изменением климата . Теперь исследователи из группы физики живой материи, возглавляемой профессором Сенгуптой, раскрывают судьбу фитопланктона с помощью многомасштабного междисциплинарного исследования, охватывающего микробиологию, физику, математику и численное моделирование.

На основе микропланктона, образующего красный прилив, исследование раскрывает, как виды используют липидные капли (LD), которые, как известно, служат органеллами, накапливающими энергию, вдвойне в качестве биомеханических триггеров для регулирования плавательных свойств при ограничении питательных веществ. Активно контролируя положение и размер ЛД, клетки могут решать, плыть им вверх или вниз: ключевая черта выживания фотосинтезирующих микробов, поскольку их вертикальное положение в толще воды определяет доступность света и питательных веществ.

Кросс-масштабные и междисциплинарные подходы имели решающее значение для открытия

Наряду с внутриклеточным отслеживанием и количественной оценкой плавательных свойств с помощью специально созданной установки Ocean-in-Lab команда профессора Сенгупты измерила изменения способности планктона преобразовывать свет в энергию и производство окислительных молекул, ключевого маркера физиологического стресса. . Взятые вместе, результаты связывают внутриклеточную реорганизацию с биомеханикой плавания и в дальнейшем обеспечивают механистическую основу для оценки лежащей в основе энергетики приобретения ресурсов в условиях ограничений снабжения.

Сочетание покадровой визуализации одиночных клеток, измерения скорости движения плавающих популяций по изображению частиц, численного моделирования и моделирования континуума, а также множества микробиологических и аналитических методов имело решающее значение для этого новаторского открытия. Это междисциплинарное исследование открывает новые перспективы в изучении активной и разумной микробной материи и дает свежий взгляд на адаптацию микробов к изменениям окружающей среды, в том числе вызванным изменениями климата и образа жизни.