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| Com formação em engenharia, biologia e filosofia, WHOI cientista Sam Laney tem uma perspectiva única em sua pesquisa. Laney fitoplâncton estudos, a vida vegetal abundante microscópica na base de teias de alimento do oceano. Ele quer saber como é a vida para as células do fitoplâncton, como indivíduos e como eles se adaptam a condições de mudança rápida. (Foto por Carin Ashjian, Woods Hole Oceanographic Institution) |
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Unicelular fitoplâncton realizar a fotossíntese dentro de organelas especializadas chamadas cloroplastos. Como fábricas, máquinas, os cloroplastos 'fotossintética requer matérias-primas e energia solar-de operar. Células vivas no oceano devem rapidamente se adaptar a diferentes níveis de luz intermitentes causadas por condições de nebulosidade e brilhante. (Ilustração por Amy Caracappa-Qubeck e Joyce Katherine, Woods Hole Oceanographic Institution) |
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| Cientista Sam Laney e assistente de pesquisa Emily Peacock estudou os tipos e abundância do fitoplâncton na água do Ártico em um cruzeiro a bordo do navio quebra-gelo 2010 EUA Healy . Uma "liberdade gelo" proporcionou a chance de obter uma curta distância a partir do navio por um breve tempo. (Foto de Karen Romano jovem) |
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Em um cruzeiro de pesquisa recente ao Ártico, WHOI assistente de pesquisa Emily Peacock, membro do laboratório de Sam Laney, operado um FlowCytobot Imaging, um instrumento que imagens e identifica células individuais do fitoplâncton na água do oceano. Sam Laney adaptou o instrumento, desenvolvido pela primeira vez por biólogos WHOI Heidi Sosik e Olson Rob, para uso no mar e investigar populações de fitoplâncton em águas polares. (Foto de Karen Romano jovem) |
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| Diatomáceas, um tipo de fitoplâncton, podem ser células isoladas ou formam cadeias de células. O período de embarque imagem FlowCytobot tomou esta imagem de uma diatomácea cadeia de formação de águas do Ártico em um cruzeiro de investigação de 2010. Nesta espécie de diatomáceas, espinhos salientes a partir das células mantenha as células em conjunto, como um grupo. (Imagem cortesia do Sam Laney, Woods Hole Oceanographic Institution) |
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| Esta imagem, obtida no cruzeiro mesmo com mar Ártico Sam Laney instrumento FlowCytobot Imaging, mostra cadeia de formação de diatomáceas no ato de dividir de forma assexuada. O par de células do lado esquerdo foi recentemente dividido, produzindo duas células filhas de uma célula mãe. As células do lado direito estão ainda no processo de divisão. As células filhas são a construção de novas paredes celulares entre eles, mas ainda não estão totalmente separados um do outro. Filhas diferem ligeiramente em tamanho, embora isso não seja óbvio nesta imagem.(Imagem cortesia do Sam Laney, Woods Hole Oceanographic Institution) |
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Fitoplâncton é a base de teias alimentares do oceano, como a erva na pradaria. Quando os nutrientes e luz solar são abundantes, as células microscópicas do fitoplâncton desenvolver explosões populacionais enormes chamados flores. Algumas flores são tão grande que eles tonalidade da água e pode ser vista do espaço, como nesta imagem de satélite de uma flor entre o Norte da Nova Zelândia e Ilhas do Sul. Cores diferentes que rodam no oceano branco, verde e marrom são provavelmente devido a diferentes tipos de fitoplâncton, incluindo diatomáceas. (NASA Oceano Cor Group) |
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Vastos oceanos da Terra teem com inúmeras plantas microscópicas que fazem a fertilidade ea abundância dos Estados Unidos "olhar cinturão de cereais como, bem, uma gota no oceano. Estes fitoplâncton pequena são essenciais para a vida na Terra, diz o biólogo Sam Laney.
"Assim como as plantas em terra, fazer fotossíntese do fitoplâncton: Eles sugam o dióxido de carbono e oxigênio escape. Cerca de metade do oxigênio do planeta vem de fitoplâncton, de forma cada respiração que você toma é outro ar fitoplâncton. Na verdade, a Terra não tinha originalmente oxigênio em sua atmosfera, a evolução do fitoplâncton é responsável por não estar de oxigênio para nós em primeiro lugar.
"Além disso, o fitoplâncton são a base da cadeia alimentar marinha.Atum ou lula finalmente existe porque no início da cadeia alimentar, alguém comeu fitoplâncton. "
Mas Laney, um cientista da Instituição Madeira Hole Oceanographic, tem sua própria perspectiva individual.
"A maioria dos oceanógrafos pensa sobre o fitoplâncton como uma cultura ou população, você sabe, uma grande biomassa de plantas.Eles pensam neles como "condutas para geochemistry'-o que é bom.Mas eles são pessoas, também. Eu estou interessado neles como seres individuais, e não apenas como um conjunto de milhões de células. "
"Então, o que é a vida de um phytoplank ter? Se você fosse uma célula de fitoplâncton, como é que você vê o seu ambiente? Que coisas são importantes para você? Que tipo de situações você experimentar ao longo do seu tempo de vida curto, e que tipos de coisas que você pode fazer em resposta? "
Como você explorar a vida de células individuais no oceano?
Esse sempre foi um dos desafios reais da ecologia do fitoplâncton: Você pode olhar sob um microscópio e ver um celular . Mas você não pode segui-lo ao longo de sua vida útil ou através de sua história.Ecologistas terrestres têm fácil, eles podem marcar um leão. Nós, oceanógrafos não pode marcar uma célula fitoplâncton individual (um phytoplank ter ) e segui-lo ao redor do oceano. É difícil ver o mundo como um phytoplankter faz.
Eu tento contornar este problema, olhar para as coisas de uma célula fitoplâncton pode mudar sobre si mesmo dentro de um dia ou dois, porque isso seria a sua vida útil. Porque uma população é apenas um grupo de indivíduos . Se eu posso te dizer uma única diatomáceas um tipo de fitoplâncton, pode responder a uma nuvem que passa, então eu posso te dizer como diatomáceas populações responder a nuvens que passam.
Como é uma história phytoplankter vida começa?
Bem, é nascido, mas, novamente, não é realmente "nasceu" - uma célula e sua irmã são formados quando a célula-mãe se divide em dois. Trabalho de cada filha é sobreviver o tempo suficiente para si mesmo reproduzir. O nome do jogo está absorvendo nutrientes e energia suficiente para crescer grande o suficiente para que você pode dividir-e para fazer isso rapidamente , porque alguém está tentando comê-lo.
Enquanto as pessoas podem comer queijo 'n' hambúrgueres ou mac e obter a energia e nutrição para fora da refeição, o fitoplâncton tem que obter deles em duas porções separadas. Eles obter energia a partir de absorver a luz solar, mas eles têm de absorver nutrientes dissolvidos para obter a sua nutrição. Em mar aberto, os nutrientes perto da superfície, muitas vezes bem acima da água mais profunda. Assim, os nutrientes estão vindo abaixo, mas a luz do sol está vindo de cima. Se você é uma célula de fitoplâncton e você é muito alto na coluna de água, você tem muita luz, mas não nutrientes, e se você for muito baixo, você começar a abundância de nutrientes, mas não um monte de luz. O melhor lugar para o fitoplâncton de viver está em um ponto doce no meio. Essa é uma forma phytoplankter vê o mundo: É olhando em duas direções para as duas coisas importantes que ele precisa.
Soa como uma existência incerta.
Fale sobre ambientes extremos! Se você é uma árvore que vive há anos, você pode depositar em ter os níveis de luz bastante decente sobre a maior parte de sua vida. Mas se você é um fitoplâncton, que vive apenas alguns dias que você possa ter luz decente um dia, mas, em seguida, uma corrente empurra você para baixo na coluna de água para amanhã que você tem pouca ou nenhuma luz. O que você faria se a sua realidade diária é: haverá amanhã luz?
Nuvens que passam também podem causar flutuações na luz solar.Sobre as nuvens do oceano são muitas vezes intermitente, portanto, um phytoplankter experimenta pouca luz, então a luz brilhante, então dim novamente, e assim por diante. Quando o sol nasce de manhã, como é que um plano de phytoplankter frente? Será que vai ser um uniformemente turva ou sol, ou um dia brilhante nublado brilhante-nublado? Isso faz uma grande diferença para uma phytoplankter. Tem que ser muito flexível em suas respostas às mudanças nas condições de luz.
Como fazer fitoplâncton energia aproveitam a luz?
A fotossíntese é iniciado com a luz solar absorvente, o que é feito através da clorofila e outros pigmentos coloridos. Clorofila é encontrado dentro de estruturas chamadas cloroplastos, onde as moléculas de clorofila individuais são embalados em pacotes pequenos chamados "centros de reação." O trabalho de um centro de reacção é a de absorver um fotão de luz e pá essa energia em energia útil moléculas que armazenam ou electrões de armazenamento, tais como ATP (trifosfato de adenosina) e NADPH (nicotinamida-adenina-dinucleótido-fosfato). A célula usa ATP e NADPH em As reacções que formam compostos a célula necessita: os açúcares, lípidos, aminoácidos e DNA. Esta energia também pode ir para reparar danos às células, fornecendo energia para nadar, se você pode nadar, e, claro, para a reprodução quando chega a hora.
Soa um pouco como uma linha de montagem em uma fábrica.
Sim, manter um bom fluxo de energia através de seus centros de reação é muito importante para as plantas. Uma vez que o centro de reação processou um fóton, que está pronto para a próxima. É apenas "um fóton de cada vez, um fóton de cada vez ...". Mas se tiver que esperar muito tempo entre fótons, a linha de montagem está ocioso.Isso é ineficiente.
Clorofila funciona assim: Quando uma molécula de clorofila absorve um fóton, soa como um sino-começa ressonância. Mas uma clorofila só pode lidar com uma certa quantidade de energia de cada vez. Se ele recebe o equivalente a dois fótons "de energia de uma só vez, pode quebrar. Esta é a outra razão pela qual as plantas fazem tanto quanto possível para manter um bom fluxo de energia através de todos os centros de reação. Você não quer que sua linha de montagem ocioso, mas você também não quer que ele quebrar quando os níveis de luz de repente aumentar.
O que pode um phytoplankter fazer para responder às mudanças nas condições de luz?
Isso é algo que eu estou investigando agora. Se uma célula sofre pouca luz pode fazer mais clorofila, mas que leva muitas horas e custa muito de energia. Você não pode usar essa resposta para ajustar a mudanças rápidas de luz solar causadas por nuvens intermitentes, por exemplo. Então você precisa de outros, respostas mais rápidas para continuar alimentando clorofila a quantidade certa de energia: o suficiente para que eles não são em vão, mas não tanto que eles ficam muito excitados e quebrar.
Para realizar isto, o fitoplâncton evoluíram outros tipos de pigmentos especiais, incluindo os chamados xantofilas. Em plantas terrestres, estes são os pigmentos de cor amarela que permanecem em folhas no outono, após a clorofila verde foi embora.
Alguns destes fitoplâncton ajuda xantofilas absorvem mais luz, mas outros ajudá-los a se livrar do excesso de luz, agindo como protetor solar. Alguns xantofilas realmente fazer ambos e pode mudar rapidamente de ser um pigmento auxiliar para ser um pigmento de protecção. As mudanças na luz, finalmente, causar deslocamentos pequenos na estrutura das moléculas de xantofila. Essas pequenas mudanças estruturais fazem com que se comportem de maneira diferente o suficiente para que eles ou alimentar de luz para a clorofila, ou luz shunt de distância, mantendo um bom fluxo de energia da luz através dos centros de reação.
Eu tenho feito experimentos em laboratório para tentar imitar algumas dessas situações do nível de luz para ver o quão rápido e quão forte essas respostas rápidas pode ser. Esses pigmentos xantofila pode virar-flop dentro de minutos para converter de ajudante em pigmentos protetor. É um truque muito pouco surpreendente para um micróbio.
Eu também olhei para respostas fotossintéticas à variabilidade natural na nuvem oceano real fora Havaí, onde nem sempre é tão ensolarado como as pessoas podem pensar. A maioria dos dias tem alguma cobertura de nuvens, e você pode ter um dia sem nuvens a cada 10 ou assim. , Pensava-se que estes pigmentos flip-flop e para trás realmente não aumentar a performance fotossintética muito no mundo real. Mas pelo que eu vejo, eu acho que talvez ele pode mudar eficiência global do fitoplâncton em 25 por cento, que não é nada desprezível.
Isso não é um valor trivial.
Sim, exatamente, você aceitaria pagar 25 por cento de corte? Isso é o que as plantas fazem quando estão fazendo esses ajustes fotossintéticos. Eles estão tentando otimizar seus ganhos, quanto do campo de luz externa pode se transformar em energia biológica útil?
Uma valorização de 25 por cento durante 30 minutos pode ser o suficiente para importar ecologicamente poderia fazer a diferença entre ser capaz de reproduzir hoje ou ter que esperar até amanhã para dividir.E enquanto você está parado por noite, esperando o sol nascer, você está presa!
(Quais são algumas outras razões para estudar fitoplâncton como indivíduos?
Nós tendemos a presumir que, quando organismos unicelulares dividem-se assexuadamente, eles produzem duas células-filhas idênticas. Os cientistas sabem há algum tempo que quando diatomáceas dividir, eles produzem uma célula filha que é ligeiramente menor do que a sua irmã.
Então, eu estive olhando para isto: Existe alguma diferença que não seja de tamanho entre duas células filhas de diatomáceas, e em caso afirmativo, qual célula filha faz melhor? Para os organismos que dão à luz gêmeos, há uma série de estudos sobre se o mais velho ou o mais novo solteiro faz melhor. Estas são perguntas óbvias para perguntar sobre cachorros ou macacos ou pessoas. Às vezes surpreende-me como nos chegou até aqui sem pedir esses mesmos tipos de perguntas sobre fitoplâncton.
Como você investigar isso e que você encontrou?
Eu fiz uma experiência com meus colegas de WHOI Rob Olson e Heidi Sosik onde fiz lapso de tempo filmes de células em divisão de diatomáceas geração após geração. Eu escrevi software para acompanhar células individuais nesses filmes.
Nós apenas publicamos o nosso estudo em 2012 edição de setembro de Limnologia e Oceanografia , e mostrou que a menor das duas filhas de diatomáceas tipicamente herda mais de material celular de seu pai (ou citoplasma), e que, em seguida crescer mais rápido e dividir mais cedo do que o seu irmãs maiores. Parece que as diatomáceas "favor" de alguma forma as filhas mais novas.
Esta é a primeira vez que este tem sido demonstrado em diatomáceas, que a célula-mãe realmente favorece uma filha ao longo de sua irmã.Outros estudos sugerem que é verdade em bactérias, bem como, e talvez por isso este tipo de favoritismo é uma característica mais universal em micróbios. Isso poderia ter implicações ecológicas.
Como você chegou a essa área de pesquisa?
Eu tenho um diploma de engenharia e um grau de biologia. Eu costumava pensar que o grau de engenharia foi útil porque me permitiu construir as coisas, o que é verdade. Mas agora eu estou começando a pensar que o diploma de engenharia é valiosa porque permite-me a aplicar "engenharia estilo de pensamento" para sistemas biológicos.
Por "pensamento de engenharia de estilo", que quer dizer pensar sobre as células do fitoplâncton como máquinas?
Exatamente! Você pode olhar para uma máquina em um sentido físico, com engrenagens e um motor e fios. Uma célula de fitoplâncton é assim: Há interior material que faz certos trabalhos, e estas coisas estão ligadas uma à outra, de modo que toda a célula funciona como um dispositivo coordenada. Um engenheiro mecânico vai buscá-la quando você descrever uma célula fitoplâncton desta forma.
Mas você também pode olhar para as máquinas em um sentido mais abstrato, uma rede coordenada de itens individuais ligados entre si, que, como um todo, fazer uma coisa em certo caso de fitoplâncton, para crescer e se reproduzir. Esta pode ser a forma como ele é visto por operações de engenheiros que fazer projeto de fábrica e se preocupa com o fluxo das coisas através de um sistema grande e complexo.
Por exemplo, pense sobre como você pode planejar para uma fábrica que produz iPads: Você tem que ter diferentes matérias-primas, e então você tem que processar estes através de uma fábrica de iPads para que sair do outro lado. Você precisa otimizar o fluxo para que não haja pontos de estrangulamento, de modo que tudo está funcionando sem problemas, de onde o minério é extraído de onde você comprar o seu iPad, em Boston.
Quando eu comecei a pensar de fitoplâncton de uma perspectiva de engenharia, eu pensei sobre eles como pequenos computadores, fazendo perguntas tais como: Qual é o seu algoritmo para lidar com as mudanças na vida? Agora é mais como fitoplâncton como "sistemas dinâmicos", que é como um engenheiro de operações pode pensar deste problema de manter a energia da luz que flui suavemente através de um celular.
Descrever esta abordagem dos sistemas dinâmicos.
Presumivelmente pessoas na Apple descobri o que acontece se eles não podem obter um metal raro dado a partir de uma determinada fonte. Eles constroem seus sistemas para ser robusto, para que eles não acabem com uma linha de montagem ocioso e uma escassez iPad se um fornecedor através de quedas. Eles têm um software sofisticado à sua disposição para enfrentar dinâmicos perguntas como: "Como é que uma mudança na disponibilidade de uma parte crítica afetar as taxas de produção globais? Como você planeja para o futuro quando algo fundamental para você pode não estar sempre disponível? Esse é um problema difícil matemática.
As ferramentas matemáticas que os engenheiros desenvolveram para lidar com esses problemas agora podem ser usados por pessoas como eu que não são engenheiros de operações. No meu caso, é o fluxo de luz através de uma planta, eo que acontece se o fluxo de luz é interrompido. É fenomenal, a complexidade do organismo fitoplâncton, dada a forma como supostamente é simples. Não é uma árvore, não é uma planta carnívora, é um micróbio. Ele não parece complicado em comparação com plantas maiores, mas não é preciso muito para um sistema muito simples para exibir comportamento complexo.
Você tem uma abordagem filosófica.
Isso é porque eu passei os dois primeiros anos de faculdade estudando filosofia política!
Você recomenda que?
Sim! Todos os estudantes de ciência deveria estudar um pouco de filosofia, especialmente a filosofia da ciência. Um monte de pessoas sabem como fazer uma pergunta científica e enfrentá-lo, mas isso não significa necessariamente que eles têm uma grande foto ou apreciar os limites para o conhecimento. Qualquer um que tenha estudado filosofia da ciência vai dizer que você nunca pode provar qualquer coisa, você pode na melhor das hipóteses apenas refutar algo.
Ter esse fundo de artes liberais me ajudou a animar os meus ouvidos a esses tipos de idéias. Para mim, a ciência não é para responder a perguntas, o meu trabalho é fazer perguntas!
Como um cientista que está na fronteira do conhecimento. Não há nada à sua frente, mas o espaço vazio, até que você começar a colocar as idéias para ele. Alguns dos melhores cientistas são os que estão confortáveis olhando para o negro, onde nada se sabe, e perceber como muito não se sabe nada, e depois ainda estar disposto a dar esse passo para a frente. Este trabalho foi financiado por uma Prêmio Investigador da NASA Novo , um WHOI Ocean Life Bolsa de Pós-Doutorado do Instituto, e do Fundo de Penzance WHOI.
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