Kiselalger – havets Törnrosa
I hundratals år kan de vila på havets botten, begravda i sedimentet utan tillgång till vare sig ljus eller syre. Kiselalgernas så kallade vilostadier har varit något av en gåta för forskningen. Hur överlever de egentligen?
Kiselalger är en stor grupp av mikroskopiska, encelliga alger som spelar en avgörande roll för allt liv på jorden. De producerar en femtedel av allt syre vi andas, men är också viktiga för att ta upp och begrava koldioxid från atmosfären. Dessutom spelar de en viktig roll som mat till filtrerare, som musslor, ostron och havstulpaner eller små kräftdjur som i sin tur äts av småfisk och andra djur. En egenskap som länge intresserat forskarna är kiselalgernas förmåga att överleva på havets botten under väldigt lång tid, i så kallade vilostadier. Genom att väcka upp kiselalger av olika ålder har forskare bland annat kunnat dra slutsatser om deras förmåga att hantera framtida klimatförändringar. Hur de överlever så länge i vilostadiet är däremot fortfarande okänt.
En bild av kopplingen mellan två celler i en kedja, taget genom ett elektronmikroskop. Detta visar kiselstrukturen som håller samman cellerna. Man kan förstå varför den här algen kallas för Skeletonema då dessa kopplingar ser ut som ett skelett. Foto: Anna Pielach, Core Facilities, Göteborgs universitet
Mikroskopiska ”växthus”
Kiselalger karaktäriseras av sina kiselskal som påminner om ett hölje av glas. Storleken varierar men de flesta är runt 0,01 millimeter i diameter, ungefär som en tjugondel av en människas hårstrå. Algerna lever i dessa ”växthus” av kisel som skyddar dem mot betare och hjälper dem att ta upp solljus. Det är på det sättet som kiselalgerna producerar syre och tar upp koldioxid – genom fotosyntes. Här i Norden kan det leda till stora algblomningar, oftast tidigt på våren när det finns mycket näring och ljus i vattnet. Algerna växer då väldigt fort och efter ett par veckor har de förbrukat mycket av näringen i vattnet. Då sjunker de ner mot havsbottnen. Majoriteten av algerna blir uppätna av bakterier eller djur på vägen ner, men många överlever och begravs i sedimenten på bottnen.
Blomning, sedimentation och uppblandning av kiselalgers vilostadier.
Outforskat fenomen
I de näringsrika sedimenten på havets botten finns ofta varken syre eller ljus. Här är det kallt året om. En stor mängd bakterier trivs och frodas här, men eftersom det saknas ljus kan ingen fotosyntes ske och därför kan kiselalgerna inte växa. I stället går de in i en sorts dvala som kallas för vilostadier. I ett enda gram sediment från den översta centimetern av havsbottnen kan man hitta över en miljon kiselalger som befinner sig i sådana vilostadier. Djupare ner kan man hitta vilande kiselalger som är flera hundra år gamla, men fortfarande vid liv.
Frågan är hur de kan överleva så länge i detta syrefria mörker. På något sätt måste de kunna underhålla och reparera den cell de består av under all denna tid och då borde de kunna andas och ta upp någon form av näring.
Kan kiselalgerna på något sätt ”hålla andan”… eller andas de något annat än syre? Vi vet till exempel att många bakterier kan andas nitrat eller svavel – kan samma sak vara fallet för kiselalgerna?
EN GENBANK PÅ HAVETS BOTTEN
Kiselalger kan dela sig en gång om dagen vid optimala förhållanden. Detta kan leda till väldigt snabba evolutionära förändringar, jämfört med till exempel människor som har en generationstid på flera decennier. Forskare tror att vilostadier kan fungera som en ”genbank” som arkiverar gamla gener som har varit ”framgångsrika” tidigare. Om dessa vilostadier blandas upp i ljuset igen så kan de blandas med nyare gener som finns i ytan. Det gör vilostadierna till en mycket viktig del av dessa algers livscykel.
Väcktes upp i labbet
För att besvara dessa frågor behövde vi en metod som gav oss full kontroll över experimentet. De kiselalger vi använde måste kunna jämföras med varandra och därför vore det alltför slumpmässigt att plocka dem från havsbotten, där hundratals generationer av kiselalger med olika genetisk uppsättning ligger blandade med varandra. I stället skapade vi våra egna vilostadier i labbet. Eftersom kiselalger kan föröka sig asexuellt genom celldelning kunde vi arbeta med kloner av en enda individ, utsätta den för olika behandlingar och jämföra resultatet på ett tillförlitligt sätt. Detta hade varit svårare om man måste ta hänsyn till skillnader mellan olika individer. Efter varje experiment väckte vi dem genom att skapa optimala förhållanden för kiselalger, lagom mycket ljus och näring. På det sättet kunde vi försäkra oss om att de överlevt försöket och kunde bilda nya algblomningar.
KAN BESVARA KLIMATFRÅGOR
Vilostadier av kiselalger finns oftast i bottnar utan syre, där inga djur lever som kan gräva upp och blanda om materialet. Det betyder att man kan mäta hur gamla cellerna är från ett visst djup av sedimentet och jämföra med dem som är aktiva idag. Denna metod har använts för att studera alger i områden som värmts upp av kylvatten från kärnkraftverk. Genom att jämföra populationer som var aktiva innan kraftverket togs i bruk med senare generationer så kan man få en bättre förståelse för hur algerna anpassar sig till högre temperaturer vid en global uppvärmning. Med hjälp av liknande experiment har vilostadier använts för att undersöka hur algerna påverkas av gruvbrytning, övergödning, och havsströmmar.
Lång väntan gav resultat
Vi ville veta om de vilande kiselalgerna kunde ta upp olika typer av näring och kolföreningar som är vanliga i de sediment där de vilar. För det använde vi en sekundär jonmasspektrometer, ett instrument som kan mäta sammansättningen av kol och kväve i mikroskopiska prover, till exempel enskilda celler. På så sätt kan man mäta näringsupptaget hos varje enskild kiselalg. För aktiva kiselalger kan näringsupptaget mätas inom loppet av några timmar, men för vilostadierna krävdes betydligt större tålamod. Dagar och veckor passerade, utan tydliga resultat. Först efter tre månader kunde vi få en bild av vad som faktiskt skedde inuti de vilande kiselalgerna. Det visade sig då att de mycket långsamt kunde ta upp näring från kemiska föreningar som produceras av bakterier i sediment, såsom nitrat, ammonium, urea, och acetat. Dessutom bekräftades vår misstanke – kiselalgerna kunde faktiskt andas med hjälp av nitrat i stället för syre. För den samlade kunskapen om kiselalgernas livscykel är detta en viktig pusselbit. Ju mer vi vet om dessa livsviktiga organismer, desto mer kan vi också lära oss om hur de kommer att hantera framtidens stora utmaningar.