Hoe kleine fytoplankton lange afstanden omhoog trekken in de oceaan

Het is een van de grootste migraties op aarde: een enorme biomassa van kleine plankton die van diep in de zee naar de oppervlakte reizen. Toch hebben niet al die organismen ledematen om zich omhoog te duwen. Dus hoe sommige van hen erin slagen om zo'n lange reis te maken, is een mysterie geweest.

Nu heeft een team van onderzoekers aangetoond dat een soort fytoplankton een ingenieuze oplossing heeft: het opzwellen tot zes keer zijn oorspronkelijke grootte. Het proces vermindert de dichtheid ervan en stelt het in staat om omhoog te drijven als een heliumballon, bio-ingenieur Manu Prakash en zijn collega's van de Stanford University rapporteren op 17 oktober in Current Biology.

Help ons verbeteren door onze 15-vragen lezersenquête in te vullen.

"Dit is uniek," zegt Andre Visser, een oceanograaf aan de Technische Universiteit van Denemarken in Kongens Lyngby. "Ze hebben eigenlijk een argument gemaakt voor een nieuwe manier waarop deze cellen daadwerkelijk drijvend kunnen blijven of in de buurt van de oppervlakte kunnen blijven."

Het team verzamelde watermonsters ongeveer 160 kilometer uit de kust van Hawaï, op zoek naar en observerend het gedrag van Pyrocystis noctiluca. Deze 1 millimeter lange eencellige fytoplankton, beter bekend om hun bioluminescentie, maken een eenmalige reis van ongeveer 125 meter diepte naar ongeveer 50 meter, waar meer zonlicht is dat ze nodig hebben om fotosynthese te doen. Dergelijke reizen voor fytoplankton kunnen dagen duren, in tegenstelling tot de kleine dieren, of zoöplankton, die meestal dagelijks de tocht maken.

In het laboratorium gebruikte het team speciale microscopen die het fytoplankton op een soort "hydrodynamische loopband" plaatsten om de beweging van de cel die door de waterkolom reist, opnieuw te creëren. "Dit is een beetje als een virtual reality-machine voor enkele cellen," zegt Prakash.

P. noctiluca is dichter dan zeewater en zou moeten zinken. Maar aan het begin van zijn levenscyclus zet het uit, waardoor de dichtheid wordt verminderd en beweegt omhoog in de waterkolom, ontdekte het team. Aan het einde van zijn levenscyclus van zeven dagen begint de cel zich dan te verdelen in twee dochtercellen terwijl het zinkt. Wanneer de deling is voltooid, zwellen de twee pasgeboren cellen op door zich te vullen met zeewater - ze ballonneren tot zes keer hun oorspronkelijke grootte in ongeveer 10 minuten. En zo begint de cyclus opnieuw.

De onderzoekers veronderstellen dat de cel minder dicht en meer drijvend wordt omdat aquaporine-eiwitten in de cel dicht zout filteren uit het inkomende zeewater. "Op deze manier kan veel minder dicht materiaal de cel binnenstromen, waardoor het minder dicht kan zijn dan het omringende zeewater," zegt Stanford bio-ingenieur Adam Larson.

Calcium in het zeewater kan een rol spelen bij het triggeren en mogelijk maken van die transformatie, experimenten met zeewater met en zonder calcium suggereren.

Opblazen helpt niet alleen het fytoplankton omhoog te komen. "Groot worden heeft eigenlijk enorme gevolgen voor andere aspecten van hun leven," merkt Visser op. "Grotere cellen hebben over het algemeen minder roofrisico. Er zijn minder dingen die hen kunnen eten." Het helpt ook bij de opname van voedingsstoffen en fotosynthese: een groter oppervlak stelt de cel in staat meer zonlicht op te vangen.