Одноклеточные растения, называемые фитопланктоном, запоминают условия прошлого, чтобы ускорить рост в будущем, но пока точно неизвестно, как именно они это делают.
Исследователи из Департамента экологии и эволюционной биологии Университета Коннектикута (ассистент профессора Колин Кремер), Гавайского университета (Дэвид Андерсон), колледжа Рид (Сэмюэль Фей и Ханна Мейер) и Йельского университета (Дэвид Вассер) в своей статье, опубликованной в PNAS, подробно описывают свою механистическую теорию того, как работает это явление, известное как фенотипическая память, у фитопланктона.
Хотя фитопланктон и мал, его значение огромно, поскольку он производит примерно столько же кислорода в мире, сколько все другие производители кислорода, о которых мы обычно думаем, например, деревья и травы, — говорит Кремер.
Фитопланктон в изобилии встречается в озёрах и океанах. Помимо того, что они являются жизненно важными создателями кислорода, они также играют значительную роль в глобальных циклах питательных веществ и экосистемах. Поэтому понимание условий, влияющих на их продуктивность, жизненно важно.
«Мы особенно заинтересованы в том, как на них влияют абиотические условия, такие как количество питательных веществ в окружающей среде и температура, потому что это влияет на скорость их роста и на то, где могут встречаться разные виды», — говорит Кремер.
В последние годы исследователи начали понимать, что прогнозирование темпов роста фитопланктона не так просто, как просто учитывать текущие условия роста, говорит Кремер, и что прошлые условия также играют значительную роль в текущем росте через фенотипическую память.
Кремер и его коллеги хотели разобраться в этом вопросе и разработать математическую модель для прогнозирования роста этих важных организмов. Зная эти детали, можно будет прогнозировать, как быстро растут популяции фитопланктона, как они преобразуют солнечную энергию в биомассу для пищевых сетей или биотоплива, а в случае некоторых видов — предсказывать местоположение и интенсивность токсичных цветений водорослей.
Фей и Мейер выращивали разные виды фитопланктона в контролируемых условиях температуры и освещённости. Чтобы управлять этим процессом, Кремер говорит, что они с Вассером и Феем создали блоки с температурным градиентом, чтобы более эффективно использовать пространство, одновременно тщательно изменяя условия выращивания для множества пробирок с фитопланктоном, с которыми они работали.
«Мы выращивали фитопланктон в пробирках при разных температурах, а затем управляли их прошлыми и текущими условиями, перемещая пробирки в разные места вдоль этого блока, — объясняет Кремер. — Затем мы измеряли их рост, наблюдая за тем, как накапливалась биомасса с течением времени».
В статье ведущий автор Андерсон подробно описал разработку математической теории для описания механизма фенотипической памяти. Он также сравнил экспериментальные данные с теоретической моделью, и Кремер говорит, что они были удивлены тем, насколько хорошо относительно простая модель отражала собранные в лаборатории данные.
Они обнаружили, что способность накапливать питательные вещества для производства биомассы в будущем является неотъемлемой и определяет, насколько быстро может расти фитопланктон.
«Самая простая аналогия, которую мы придумали для этого, такова: если вы думаете о фитопланктоне, растущем в довольно холодной воде, его способность к росту фундаментально ограничена температурой и клеточным механизмом роста, — говорит Кремер. — Но многие из этих фитопланктонов, хотя и растут не очень быстро, всё равно способны поглощать и накапливать дополнительные питательные вещества из окружающей среды. Это как запасаться закусками, а затем, если температура воды повысится, температура перестанет ограничивать скорость их роста, и у них будет много закусок, так что на какое-то время их рост ускорится».
После более быстрого роста в более тёплых условиях рост фитопланктона со временем замедляется. Как только температура снова понижается, их рост также замедляется, поскольку у них заканчиваются «закуски».
«В некоторых случаях мы наблюдаем, что фитопланктон способен выполнять геркулесовы подвиги в течение нескольких дней. Хотя такие периоды и кратковременны, они могут иметь значение для жизни или смерти этих организмов. Например, наши результаты показывают, что фенотипическая память может смягчать негативные последствия теплового стресса, если волны жары начинаются из относительно прохладных начальных условий», — говорит Фей.
«Это накопление питательных веществ или количество «закусок», которые у них есть под рукой, является способом переноса информации об их воздействии окружающей среды в прошлом, которая затем влияет на их поведение в любой момент времени», — говорит Кремер.
Для дальнейшего изучения этого механизма следующие шаги включают измерение количества различных питательных веществ, хранящихся с течением времени, — говорит Кремер.
«Мы показали, что существуют последовательные закономерности, которые хорошо объясняются нашей новой теорией для разных видов пресноводного фитопланктона и одного морского фитопланктона», — говорит Кремер.
«Мы думаем, что это, скорее всего, общий механизм для разных фитопланктонов, но мы хотели бы расширить способы сбора этих данных. Я также думаю, что теория предполагает множество различных вещей, которые мы теперь можем искать с точки зрения того, что происходит физиологически внутри этих клеток, чтобы выяснить, является ли это накоплением азота или фосфора, или какого-либо другого питательного вещества, которое вызывает эти закономерности», — говорит Кремер.
Другие виды организмов также могут накапливать энергию и питательные вещества, а не только фитопланктон, и Кремер говорит, что они надеются, что смогут начать понимать динамику и механизмы фенотипической памяти у других организмов. Эти вопросы становятся всё более актуальными по мере изменения климата.
«Резкие перепады температуры были и будут оставаться ключевым опытом жизни на Земле. Эта работа продвигает наше понимание того, как отдельные особи могут реагировать на температурные возмущения, которые будут определять XXI век», — говорит Фей.
«Понимание этого механизма позволяет нам делать прогнозы о последствиях [изменчивости], и это важно, — говорит Кремер. — Мы могли бы улучшить прогностическую способность экологии для разных организмов в средах, где температура и уровень ресурсов становятся всё более и более переменными».
Предоставлено Университетом Коннектикута.