Il microscopico plancton marino non è impotente alla deriva nell'oceano. Possono percepire segnali che indicano turbolenza, rispondere rapidamente per regolare il proprio comportamento e adattarsi attivamente. I ricercatori dell'ETH hanno dimostrato per la prima volta come farlo.

Il plancton nell'oceano è costantemente in movimento. di giorno, questi minuscoli organismi, un decimo del diametro di un capello umano, migrano attivamente verso la superficie dell'oceano illuminata dal sole per effettuare la fotosintesi. Di notte, si fanno strada fino a decine di metri di profondità, dove l'apporto di nutrienti è maggiore.

Durante i loro viaggi regolari tra zone ben illuminate e ricche di sostanze nutritive, le cellule del plancton incontrano spesso strati turbolenti, che interrompono questo essenziale modello migratorio. È ancora un mistero come questi minuscoli organismi possano navigare attraverso i pericoli delle acque turbolente. Le cellule di plancton sono fatte ruotare dalla turbolenza, in particolare dalle più piccole, vortici di flusso di dimensioni millimetriche, come se fossero in una lavatrice in miniatura, che possono indurre danni permanenti alle loro appendici propulsive e all'involucro cellulare. Nel peggiore dei casi, possono perire in turbolenza.

Comportamento migratorio osservato nelle microcamere

Alcune microalghe hanno, però, sviluppato una risposta sofisticata a tali segnali turbolenti. Ricercatori post-dottorato Anupam Sengupta e Francesco Carrara, insieme al loro consigliere Roman Stocker, Professore all'ETH Zurich Institute of Environmental Engineering, lo hanno dimostrato in uno studio recentemente pubblicato sulla rivista Natura .

Utilizzando esperimenti di laboratorio, i tre scienziati "hanno portato l'oceano in laboratorio" ed hanno esaminato il comportamento migratorio di Heterosigma akashiwo, un'alga nota per la formazione di fioriture algali tossiche. Per esaminare il comportamento di nuoto, i ricercatori hanno utilizzato una camera microfabbricata, solo pochi millimetri cubi di volume, in cui hanno introdotto le cellule Heterosigma. La camera può essere ruotata lungo il suo asse utilizzando un motore controllato da computer, esponendo le cellule a capovolgimenti periodici nell'orientamento replicando come minuscoli vortici turbolenti capovolgono le cellule nell'oceano.

Immergersi con lungimiranza

Gli scienziati sono stati in grado di osservare che una popolazione di alghe che si è spostata verso l'alto si è divisa in due gruppi di uguali dimensioni in un periodo di 30 minuti dopo che la camera è stata ripetutamente capovolta di 180 gradi. Un gruppo di cellule ha continuato a tendere verso l'alto, mentre l'altro gruppo ha cambiato comportamento e ha iniziato a nuotare nella direzione opposta. Questa divisione della popolazione non si è verificata con le alghe in camere stazionarie, in cui tutti nuotavano continuamente verso l'alto e si accumulavano vicino alla superficie superiore.

Ingrandendo le singole celle, i ricercatori hanno scoperto la ragione del cambiamento nel comportamento di nuoto. Quando esposto a segnali simili a turbolenze, le cellule sono state in grado di cambiare attivamente e rapidamente la loro forma:da cellule asimmetriche a forma di pera che nuotano verso l'alto, le cellule si sono trasformate in strutture a forma di uovo che nuotano verso il basso. Sorprendentemente, questo spostamento ha comportato variazioni inferiori al micrometro. "È spettacolare che una cellula di appena 10 micrometri possa adattare la sua forma per cambiare la sua direzione di nuoto, ", afferma il coautore dello studio Francesco Carrara.

Adattamento perfetto

Roman Stocker non considera questo meccanismo solo una coincidenza. "Le alghe si sono adattate perfettamente al loro habitat oceanico:possono nuotare attivamente, percepiscono una gamma di diversi segnali ambientali, compresa la turbolenza, e si adattano rapidamente e regolano il loro comportamento di conseguenza." Anupam Sengupta aggiunge:"Ora capiamo meglio come questi microrganismi affrontano situazioni potenzialmente dannose, però, al momento possiamo solo speculare sul perché le cellule lo facciano".

I ricercatori sostengono che la scissione in due gruppi crea un vantaggio evolutivo per la popolazione:in questo modo, l'intera popolazione non si perde quando incontra uno strato di forte turbolenza, ma nel peggiore dei casi, solo metà. Nell'evitare la turbolenza immergendosi, le cellule che nuotano verso il basso subiscono il costo a breve termine di ricevere troppa poca luce per effettuare la fotosintesi, nel senso che non possono crescere. I ricercatori hanno anche trovato prove che il ribaltamento per turbolenza ha un impatto fisiologico sulle alghe. Le cellule che sono state capovolte nel loro esperimento hanno mostrato livelli di stress più elevati rispetto a quelle nelle camere stazionarie.

Il cambiamento climatico influenza la turbolenza

I ricercatori hanno ora in programma di osservare le alghe in una vasca più grande, dove esporranno le cellule non solo a capovolgimenti ma anche a vere turbolenze. Comprendere come queste minuscole cellule rispondono alla turbolenza è di grande importanza per la nostra comprensione dell'oceano. "Poiché ora sappiamo che il cambiamento climatico globale modificherà il panorama delle turbolenze nell'oceano, è particolarmente importante capire come vi rispondono gli organismi che sono alla base della rete trofica marina. Questo lavoro contribuisce con un pezzo del puzzle, dimostrando che il fitoplancton non è solo in balia della turbolenza, ma può farvi fronte attivamente, "dice il professore dell'ETH.