Plankton-Ballon wächst in neu entdeckter Art der Ozeanreise um das Sechsfache seiner Größe

Viele Planktonarten wandern aus den kalten, dunklen Tiefen unserer Ozeane an die Oberfläche und steigen schließlich in unaufhörlichem Tempo in die Dunkelheit hinab. Doch wie einzelliges Phytoplankton, von dem die meisten keine Gliedmaßen haben, die ihnen beim Schwimmen helfen, diese Pilgerreise antreten kann, bleibt ein Rätsel.

In einem Artikel veröffentlicht am 17. Oktober in Aktuelle BiologieForscher beschreiben eine Art biolumineszierendes Phytoplankton namens Pyrocystis noctiluca, das auf das Sechsfache seiner ursprünglichen Größe von einigen hundert Mikrometern anschwillt.

Diese enorme Inflation ermöglicht es dem Plankton, bis zu 200 Meter in Richtung Meeresoberfläche zu wandern, um Sonnenlicht einzufangen und dann zurückzufallen, was eine einzigartige Strategie für Langstreckenreisen auf dem Meer darstellt.

Phytoplankton ist im Durchschnitt 5 bis 10 Prozent schwerer als Meerwasser, was bedeutet, dass es, wenn es an der Oberfläche bleiben will, um Photosynthese zu betreiben, einen Weg finden muss, die Schwerkraft optimal zu nutzen.

„Wir haben beschlossen, an Dingen zu arbeiten, die scheinbar keine Anhängsel zum Schwimmen haben“, sagt Hauptautor Manu Prakash, Meeresbiologe und Bioingenieur an der Stanford University.

„Was wir in dieser Arbeit herausgefunden haben, ist, dass diese P. noctiluca-Zellen wie kleine U-Boote sind, die ihre Dichte so präzise steuern können, dass sie wählen können, wo sie in der Wassersäule sein wollen.“

Auf einem Forschungsschiff vor der Küste Hawaiis stießen Prakash und ein Postdoktorand an der Stanford University, Adam Larson, einer der Erstautoren der Studie, auf eine Blüte von P. noctiluca und fanden überraschenderweise zwei sehr unterschiedliche Größen in ihren Netzen.

„Es dauerte eine Weile, bis wir die Videos aufnahmen, in denen wir sahen, wie die Zellen diese massive Inflation durchführten“, sagt Larson. „Es kann ganz plötzlich passieren. Wenn man also zehn Minuten vor dem Mikroskop schläft, könnte es passieren, dass man es verpasst.“

Um die Auswirkungen dieses schnellen Wachstums auf das Plankton zu testen, nutzte das Forscherteam seine neue „Gravitationsmaschine“.

„Die Gravitationsmaschine ermöglicht es uns, eine einzelne Zelle in einer unendlichen Wassersäule mit subzellulärer Auflösung zu sehen“, sagt Prakash.

„Es ist ein bisschen wie ein Riesenrad für Rennmäuse oder Mäuse, aber für eine einzelne Zelle. Es hat die Größe eines Esstellers und dreht sich, sodass die Zelle nicht weiß, dass sie in ihrem eigenen Referenzrahmen nicht klettert oder sinkt.“

Durch die Änderung des Drucks und der Dichte des Wassers innerhalb der Gravitationsmaschine kann das Team eine Virtual-Reality-Umgebung schaffen, die die Tiefen des Ozeans nachahmt. Mit der Maschine entdeckte das Team, dass die aufgeblasenen Zellen eine geringere Dichte als das umgebende Meerwasser hatten, sodass sie der nach unten gerichteten Schwerkraft entkommen und zur virtuellen Oberfläche schweben konnten.

Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Expansion ein natürlicher Teil des Planktonzellzyklus ist. Sobald sich ein einzelliges Plankton in zwei Teile teilt, filtert eine innere Struktur namens Vakuole, eine Art flexibles Wasserreservoir, frisches Wasser, wodurch die beiden neuen Zellen massiv wachsen.

Diese beiden Tochterzellen, jetzt mit leichterem Süßwasser angeschwollen, segeln nach oben. „Wir haben festgestellt, dass dies eine sehr clevere Möglichkeit ist, während der Zellteilung in den Ozean zu gelangen“, sagt Prakash.

„Was passiert also normalerweise? Man produziert viel Protein, man hat Tonnen von Sonnenlicht und man produziert viel Biomasse, bis man schwerer wird und sinkt. Dann führt man in tieferen Gewässern eine Zellteilung durch und nutzt die Inflation, um zur Muttergröße zurückzukehren.“ .

Der komplette Zellzyklus dauert etwa sieben Tage und fällt mit der vertikalen Suche des Planktons nach Licht und Nährstoffen zusammen. „Man kann dann sehen, wie sich dieser Zellzyklus entwickelt haben könnte“, sagt Prakash.

„Ich denke, dies ist das erste Mal, dass wir eindeutige Beweise dafür haben, dass der Zellzyklus, der ein grundlegender Mechanismus zur Steuerung einer Zelle und ihrer Zellteilung ist, möglicherweise durch einen ökologischen Parameter gesteuert wird.“

Mit diesem Wissen und unter Verwendung eines theoretischen Rahmens entdeckte das Team den ökologischen Parameter, der als grundlegende Grenze am Ursprung dieser Entwicklung fungiert.

„Alle Zellen erfahren eine nach unten gerichtete Anziehungskraft, und wenn sie oder ihre Nachkommen sich nicht wehren, sinken sie für immer in einer Gravitationsfalle auf den Meeresboden“, sagt der Postdoktorand Rahul Chajwa, der andere Erstautor der Studie, ebenfalls in Stanford Universität.

Mithilfe der Ergebnisse der Gravitationsmaschine sowie ihrer ökologischen und physiologischen Beobachtungen hat das Forschungsteam nun ein mathematisches Rahmenwerk entwickelt, das verallgemeinert und auf das gesamte Plankton im Ozean angewendet werden kann.

Für zukünftige Projekte möchte Prakashs Labor die verborgenen Geheimnisse großer Planktonmengen aufdecken, die mithilfe neuer Biochemie die Dichte regulieren und sich in der Wassersäule auf und ab bewegen könnten.

„Wir haben derzeit etwa 600 Arten in unserem Verhaltensatlas, und wir messen systematisch alle möglichen Mechanismen. Es stellt sich heraus, dass es vier oder fünf verschiedene Tricks gibt, die sich alle für diese Funktion gemeinsam entwickeln. Ich denke, einer der roten Fäden ist, was wirklich ist.“ Der Spaß besteht darin, dass wir eine lange Liste von Organismen haben, die es zu untersuchen gilt, da es Millionen von Arten gibt, die im Ozean leben, das ist nur die Spitze des Eisbergs.“

Hongquan Li, ein Doktorand im Prakash-Labor, ist ebenfalls Autor der Studie.