Планктон пристосовує клітинні мембрани до температури океанів

Планктон може бути мікроскопічним, але відіграє надзвичайно важливу роль в океанських екосистемах. Як основа морських харчових ланцюгів, ці крихітні організми підтримують життя у водах світового океану та допомагають регулювати клімат Землі шляхом накопичення вуглецю. Хоча лабораторні дослідження раніше показували, що планктон може пристосовувати свою хімію у відповідь на зміни навколишнього середовища, нове глобальне дослідження розкриває, як ці адаптації відбуваються в реальних океанських умовах.

Дослідження буде опубліковане 23 травня 2025 року в журналі Science Advances. Науковці з Центру морських екологічних наук Бременського університету та Вудс-Хольського океанографічного інституту повторно проаналізували масивні набори даних про великомасштабні розподіли ліпідів планктонного походження в океані, які спочатку були опубліковані Вудс-Хольським океанографічним інститутом у 2022 році.

«Це дослідження демонструє цінність відкритої науки», каже перший автор дослідження доктор Веймін Лю з MARUM. «Використовуючи нові методи на даних відкритого доступу, ми виявили раніше приховані закономірності адаптації планктону».

Набори даних, загальним обсягом понад 200 гігабайт мас-спектрометричних даних, включають профілі ліпідів — ключових компонентів клітинних мембран — з 930 зразків, зібраних в Атлантичному, Тихому та Арктичному океанах на глибинах від поверхні до 400 метрів. На відміну від традиційних підходів, які зосереджуються лише на відомих молекулах, це дослідження також включало невідомі ліпіди, використовуючи мережевий аналіз, дозволяючи даним говорити самим за себе. Такий підхід забезпечив більш всебічний та менш упереджений погляд на різноманітність ліпідів у морському планктоні.

Аналіз показав, що профілі ліпідів планктону тісно пов'язані з їхнім навколишнім середовищем. Найвища чисельна різноманітність ліпідів була виявлена в холодних полярних та субполярних океанах, де планктон використовує ширший спектр стратегій, таких як скорочення ланцюгів жирних кислот, щоб підтримувати плинність своїх клітинних мембран. У теплих відкритих океанах команда спостерігала зміни в розподілі ліпідів, які, ймовірно, відображають адаптації до низької доступності поживних речовин.

У глибших водах цих регіонів планктон збільшував виробництво ненасичених жирних кислот — стратегія, яка може відображати відповідь на умови слабкого освітлення. Ці зміни в ліпідах розкривають, як спільноти планктону адаптуються до свого оточення.

«Оскільки планктон, особливо фітопланктон, становить основу океанських екосистем, їхні реакції можуть поширюватися через весь морський харчовий ланцюг і призводити до далекосяжних, іноді несподіваних наслідків», пояснює доктор Лю.

Дослідження демонструє важливість розуміння механізмів адаптації планктону для прогнозування майбутніх змін в морських екосистемах. Планктон реагує на температурні зміни шляхом модифікації складу своїх клітинних мембран, що є критично важливим для підтримання їхньої життєздатності в різних океанських умовах.

У холодних водах планктон збільшує гнучкість мембран через скорочення ланцюгів жирних кислот, що запобігає затвердінню мембран при низьких температурах. Це дозволяє клітинам зберігати необхідну проникність та функціональність навіть в екстремально холодних умовах полярних регіонів.

Навпаки, у теплих тропічних водах планктон стикається з іншими викликами. Тут основною проблемою є не температура, а обмежена доступність поживних речовин. Планктон адаптується до цих умов шляхом зміни ліпідного складу мембран, що дозволяє більш ефективно використовувати доступні ресурси.

Особливо цікавими виявилися адаптації планктону до умов освітлення. У глибших водах, де світло обмежене, планктон збільшує виробництво ненасичених жирних кислот. Ця стратегія може бути пов'язана з необхідністю підтримувати ефективність фотосинтезу в умовах слабкого освітлення або з іншими метаболічними потребами, специфічними для глибоководних умов.

Дослідження також підкреслює важливість використання сучасних аналітичних методів для вивчення морських екосистем. Традиційні підходи часто обмежувалися аналізом лише відомих молекул, що могло призводити до неповного розуміння біологічних процесів. Використання мережевого аналізу для включення невідомих ліпідів дозволило отримати більш повну картину адаптивних стратегій планктону.

Це дослідження демонструє, як поєднання екологічної ліпідоміки з науковими даними може розкрити механізми адаптації планктону, пропонуючи нові погляди на функціонування морських екосистем. Робота отримала користь від створення експертизи в галузі хемоінформатики в рамках Кластеру досконалості «Дно океану — недосліджений інтерфейс Землі», що базується в MARUM.

Результати дослідження мають важливе значення для розуміння того, як морські екосистеми можуть реагувати на майбутні зміни клімату. Оскільки океани продовжують нагріватися та змінюватися через людську діяльність, розуміння адаптивних механізмів планктону стає критично важливим для прогнозування майбутнього стану морських екосистем.

Планктон не лише адаптується до поточних умов, але й може служити індикатором майбутніх змін в океанських екосистемах. Зміни в їхньому ліпідному складі можуть сигналізувати про ширші екологічні зрушення, що робить їх важливими біомаркерами для моніторингу здоров'я океанів.

Дослідження також підкреслює взаємозв'язок між різними рівнями морських екосистем. Зміни в планктоні можуть впливати на всі вищі рівні харчового ланцюга, від дрібних ракоподібних до великих морських ссавців. Розуміння цих зв'язків є ключовим для ефективного управління морськими ресурсами та збереження біорізноманіття океанів.