Фитопланктон использует турбулентность для путешествий на «социальные собрания»
Ранее считалось, что фитопланктон — пассивный дрейфующий организм, неспособный противостоять течениям. Однако исследования показали, что многие виды этих одноклеточных микроорганизмов могут плавать. Учёные из MIT и Оксфордского университета выяснили, что подвижность помогает фитопланктону определять свою судьбу в океанической турбулентности.
Вместо равномерного распределения, которое диктует физика для мелких частиц в жидкости, отдельные водовороты действуют как «социальные микшеры». Они сближают однородные клетки, потенциально усиливая половое размножение и другие экологически важные процессы.
«Турбулентное расслоение»
В статье в Nature Communications описано, как в масштабе миллиметров фитопланктон, попавший в водоворот, формирует высококонцентрированные скопления в центре вихря. В турбулентном океане этот процесс повторяется, перенося микроорганизмы от одного «микшера» к другому.
Этот результат контринтуитивен, поскольку турбулентность — самый эффективный способ смешивания. Неподвижные микроорганизмы образовали бы однородное распределение. Однако исследование показывает, что турбулентность заставляет подвижный фитопланктон формировать концентрированные скопления — происходит «турбулентное расслоение».
«Для фитопланктона это способ эффективно находить клетки того же вида без сенсорной информации об их местоположении», — говорит Роман Штокер, руководитель исследования.
Плюсы и минусы скоплений
Образование скоплений имеет как преимущества, так и риски:
- Плюс: Увеличивает шанс встречи с другими клетками для образования устойчивых цист, переживающих суровые условия.
- Минус: Делает фитопланктон лёгкой добычей для зоопланктона и усиливает конкуренцию за питательные вещества.
«Этот механизм предполагает, что фитопланктон может регулировать свою подвижность, чтобы получить лучшее из обоих миров», — отмечает Уильям Дарем, первый автор статьи.
Эксперименты и моделирование
Исследователи провели эксперименты в лаборатории, используя вид Heterosigma akashiwo. В специальной камере, создающей контролируемые водовороты, подвижные микроорганизмы формировали плотные скопления в центрах вихрей. Мёртвые клетки распределялись равномерно.
Компьютерное моделирование океанической турбулентности в большем масштабе (с >3 млн фитопланктонных клеток) показало, что степень образования скоплений увеличивается более чем в 10 раз, когда фитопланктон активно плавает. С ростом скорости плавания росла и степень скопления.
Это позволяет предположить, что в эволюционных масштабах микроорганизмы могли развить способность активно регулировать свою скорость, чтобы модулировать взаимодействия с сородичами и хищниками.