Планктон адаптує свої клітинні мембрани відповідно до температури океанських вод.

Дослідники встановили, що морський планктон адаптує хімічний склад своїх клітинних мембран у відповідь на зміни температури, наявності поживних речовин та рівня освітлення в океанах.

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 глибоких водах цих територій спостерігається підвищення виробництва ненасичених жирних кислот у планктоні — це може бути свідченням їхньої адаптації до умов обмеженого освітлення. Ці зміни в ліпідному складі демонструють, яким чином планктонні спільноти реагують на навколишнє середовище.

"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 підкреслює значення вивчення механізмів адаптації планктону, що є необхідним для передбачення майбутніх змін у морських екосистемах. Планктон реагує на зміни температури, коригуючи склад своїх клітинних мембран, що є ключовим для збереження їхньої життєздатності в умовах різних океанських середовищ.

У холодних водах планктон сприяє підвищенню гнучкості мембран завдяки скороченню ланцюгів жирних кислот, що запобігає їх затвердінню при низьких температурах. Це забезпечує клітинам можливість підтримувати необхідну проникність і функціональність, навіть у надзвичайно холодних умовах полярних регіонів.

В протилежність, у теплих тропічних водах планктон стикається з іншими труднощами. Основною проблемою тут є не температура, а недостатня кількість поживних речовин. Щоб адаптуватися до цих умов, планктон змінює склад ліпідів у своїх мембранах, що дозволяє йому ефективніше використовувати наявні 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 акцентує увагу на значущості застосування сучасних аналітичних методів при вивченні морських екосистем. Звичні підходи часто зосереджувалися лише на аналізі вже відомих молекул, що могло призвести до недостатнього розуміння біологічних процесів. Використання мережевого аналізу для включення невідомих ліпідів дозволило створити більш детальну 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 тільки пристосовується до наявних умов, але й може виступати як індикатор майбутніх трансформацій в океанських екосистемах. Зміни в їхньому складі ліпідів здатні вказувати на більш широкі екологічні зрушення, що робить їх важливими біомаркерами для спостереження за станом океанів.

Дослідження також акцентує увагу на зв'язках між різними рівнями морських екосистем. Зміни в популяціях планктону здатні впливати на всі вищі етапи харчового ланцюга, починаючи з дрібних ракоподібних і закінчуючи великими морськими ссавцями. Розуміння цих взаємозалежностей є критично важливим для ефективного управління морськими ресурсами та збереження океанського біорізноманіття.