Le attività umane stanno cambiando l'oceano su scala globale, con l'acqua di mare in alcune regioni che diventa più calda, più acido, e meno ben mescolati. Un possibile risultato della ridotta miscelazione degli oceani è che i nutrienti, che fungono da fertilizzante per le alghe marine, potrebbe diventare meno disponibile vicino alla superficie del mare.

Molti ricercatori stanno studiando come questi cambiamenti potrebbero influenzare le microscopiche alghe marine che forniscono ossigeno all'atmosfera terrestre e costituiscono la base per le reti trofiche oceaniche. Una cosa che gli scienziati sanno per certo è che i diversi gruppi di alghe reagiscono in modo diverso alle variazioni delle condizioni oceaniche, sia stagionalmente che per periodi di tempo più lunghi. Imparare come rispondono questi diversi gruppi è la chiave per capire come cambiano gli ecosistemi oceanici in periodi che vanno da mesi a decenni.

Sfortunatamente, studiare le risposte di specifici tipi di alghe in mare aperto è molto difficile, perché le condizioni dell'oceano sono sempre fluttuanti, così come i tipi di alghe presenti. Per questa ragione, gli scienziati si sono rivolti agli studi di laboratorio. La maggior parte di questi studi ha coinvolto la crescita di alghe in colture batch. All'interno di tali culture, le alghe crescono rapidamente e si riproducono, ma poi le loro popolazioni diminuiscono man mano che consumano i nutrienti nell'acqua circostante. Ciò significa che tali esperimenti non possono davvero replicare le condizioni più stazionarie che spesso si verificano in mare aperto.

Per molti anni, La microbiologa MBARI Alexandra Worden e il suo gruppo di ricerca hanno lavorato su un nuovo modo di coltivare le alghe in colture allo stato stazionario utilizzando camere di incubazione ad alta tecnologia chiamate "foto-bioreattori". Questi dispositivi consentono ai ricercatori di coltivare alghe con livelli di luce controllati con precisione, temperatura, e nutrienti.

In una recente serie di esperimenti, i ricercatori hanno esposto le alghe a basse concentrazioni di nutrienti per settimane alla volta. Tali concentrazioni di nutrienti costantemente basse sono comuni in alcune parti dell'oceano, ma non sono stati testati in precedenti esperimenti di laboratorio. I recenti esperimenti hanno permesso ai ricercatori di studiare in dettaglio i processi biochimici che hanno aiutato le alghe ad acclimatarsi a condizioni di scarso nutrimento. Tali esperimenti non sarebbero stati possibili utilizzando una coltura batch perché le alghe si sarebbero gradualmente estinte per mancanza di nutrienti.

Il laboratorio di Worden ha recentemente pubblicato un articolo in Microbiologia della natura descrivendo i risultati dei loro esperimenti iniziali sul foto-bioreattore. Il primo autore del documento è l'ex MBARI Postdoctoral Fellow Jian Guo. Altri autori includono una suite di collaboratori, tra cui diversi autori del Pacific Northwest National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Per questo studio gli scienziati hanno coltivato un piccolo, alga natante chiamata Micromonas commoda in condizioni in cui il fosfato, un nutriente algale chiave, è stato mantenuto a livelli relativamente bassi. Questo esperimento ha simulato le condizioni riscontrate in alcune aree oceaniche aperte, come il Mar dei Sargassi.

Durante l'esperimento descritto nel loro articolo, i ricercatori hanno prima somministrato alle alghe molto fosfato in modo che crescessero rapidamente. Dopo aver rimosso quasi tutto il fosfato nell'acqua, hanno aumentato le concentrazioni di fosfato quanto basta per mantenere in vita le alghe. In questo modo, i ricercatori sono stati in grado di mantenere la crescita delle alghe per molti giorni a un livello relativamente basso, ma costante, concentrazioni di fosfato.

Durante il loro esperimento, i ricercatori hanno prelevato piccoli campioni di alghe e hanno utilizzato sofisticate tecniche genomiche per capire quali geni nelle alghe sono diventati più o meno attivi in ​​condizioni di basso e alto fosfato. Hanno anche usato "analisi proteomiche" per studiare i cambiamenti nei tipi di proteine ​​prodotte dalle alghe in condizioni diverse.

Come ha spiegato Worden, "Queste cellule sono così piccole che non possiamo dire molto guardando attraverso un microscopio, quindi i geni e le proteine ​​che esprimono sono il nostro gancio per "visualizzare" la crescita e lo stress nell'oceano".

Le analisi proteomiche hanno aiutato gli scienziati a capire come i cambiamenti nelle concentrazioni di nutrienti influenzino la capacità di Micromonas di eseguire la fotosintesi. Precedenti studi hanno suggerito che nutrienti insufficienti possono consentire alla luce solare intensa (come quella che si trova sulla superficie del mare) di danneggiare l'apparato fotosintetico all'interno delle cellule algali. Ma la nuova ricerca suggerisce che Micromonas ha la capacità di proteggersi da tali danni. L'alga apparentemente raggiunge questo obiettivo utilizzando un insieme di proteine ​​poco compreso che i ricercatori sperano di studiare ulteriormente.

Un'altra cosa che i ricercatori hanno scoperto è che, dopo la crescita con scorte limitate di fosfato, Micromonas può riprodursi rapidamente entro 24 ore dall'incontro con concentrazioni di fosfato più elevate. Ciò suggerisce che Micromonas può riprendersi rapidamente dalla limitazione dei fosfati, forse più rapidamente di altri tipi di alghe. Questo potrebbe aiutare Micromonas ad adattarsi rapidamente ai cambiamenti nell'ambiente circostante, o di essere trasportati orizzontalmente o verticalmente dalle correnti oceaniche.

I ricercatori osservano che alcune delle stesse proteine ​​che aiutano l'alga a crescere in condizioni limitate di fosfato aiutano anche a proteggere le alghe dai cambiamenti dei livelli di luce. Ciò suggerisce che i processi attraverso i quali le alghe rispondono ai cambiamenti ambientali potrebbero essere più complicati di quanto i ricercatori avessero sospettato in precedenza.

Gli scienziati del laboratorio di Worden stanno ampliando questi esperimenti per studiare come le alghe marine rispondono ai cambiamenti in altri nutrienti essenziali, come l'azoto, così come gli effetti combinati dei cambiamenti nelle concentrazioni di nutrienti insieme ai cambiamenti nella temperatura dell'oceano e nell'anidride carbonica atmosferica.

"Siamo entusiasti di aver compreso parte della biologia cellulare alla base del modo in cui le alghe affrontano i cambiamenti stagionali, " Worden ha detto. "Questo ci dà informazioni sui meccanismi che aiuteranno le alghe ad acclimatarsi o ad adattarsi alle condizioni future. Questi risultati ci consentono di andare sul campo e sondare l'esperienza in tempo reale delle alghe con una sensibilità molto maggiore di quanto sia mai stato possibile prima".