Bild: Helena Höglander

Kiselalgen - en livsviktig överlevnadsexpert

Kiselalger producerar syre, lagrar koldioxid och blir mat till andra arter som lever i havet. Men de är också mästare på att anpassa sig till förändringar i miljön. Genom att väcka liv i hundra år gamla kiselalger har forskare kunnat dra fascinerande slutsatser om dessa organismers strategier för överlevnad.

Kiselalgen Skeletonema är en överlevnadsexpert med stor mångfald inom arten, detta gör den anpassningsbar till förändringar i sin omgivande miljö. Foto: Helena Höglander

Det finns flera anledningar till att det är så viktigt att förstå hur kiselalger fungerar. Till att börja med är de en förutsättning för allt övrigt liv i havet. Kiselalgerna står för ungefär 40 procent av allt syre som produceras i havet och 20 procent av det som produceras totalt på jorden. De är också mycket viktiga för jordens klimat, för samtidigt som de producerar syre tar de upp koldioxid från atmosfären och transporterar detta till havets djup. Dessutom är de viktig föda för djurplankton som i sin tur blir mat till fiskar.

Det som gör kiselalgerna så intressanta är också deras anpassningsförmåga till miljöförändringar. Vad är deras överlevnadstaktik? Hur har de kunnat klara sig så bra i tider av övergödning? Och hur ser deras framtid ut? Genom våra studier hoppades vi komma ett litet steg närmare svaren på dessa frågor.

Växer under vårblomningen

Kiselalger är en viktig grupp av växtplankton som har fått sitt namn av det skal av kisel som de formar omkring sig. När ljuset och näringen är tillbaka efter vintern utgör de en viktig del av den så kallade vårblomningen. Då tar kiselalgerna effektivt upp näringsämnen i vattnet och ökar i antal. Efter vårblomningen sjunker så småningom tillgången på näring i vattnet. Då klumpar kiselalgerna ihop sig och sjunker ner till havets botten. Detta brukar kallas marin snö, eftersom samlingarna av kiselalger liknar fluffiga snöflingor när de dalar neråt.

På grund av de små hus av kisel som omger kiselalgerna är de extra tunga, vilket gör dem effektiva som transportmedel. Med sig tar de kol och näringsämnen som blir föda till djur och bakterier som lever på havets botten. Transporten av kol från atmosfären till en långsiktig lagring på havsbotten är också till fördel för jordens klimat.

VÅRBLOMNINGEN
Tidpunkten för vårblomningen beror på var i Sverige man befinner sig. På Västkusten sker den redan i februari men uppe i Bottenhavet ibland så sent som i april. Vanligen domineras vårblomningen av kiselalger, den snabbväxande grupp växtplankton som är så viktig för havets näringsflöden och som under blomningen uppnår mycket hög biomassa i havets belysta skikt.

Viloceller på havets botten

Många av de kiselalger som sjunker ner i havet i slutet av en blomning går sedan in i viloläge. Cellerna sänker då sin aktivitet tills de befinner sig i ett stadium där de inte längre växer men fortfarande är vid liv. Dessa så kallade viloceller ansamlas i sedimentet på havets botten, och hur länge de stannar där beror på miljön de befinner sig i. På platser där sedimentet ofta blandas om, till exempel av maskar, musslor och andra djur, kommer de snart upp till ytan igen och kan delta i nästkommande vårblomning. På det sättet fungerar vilocellerna också som en genpool som säkrar arternas överlevnad för framtiden.

På platser där vattnet står mer stilla blir vilocellerna i stället kvar i sedimentet. Ofta är det i områden med syrebrist, där inga djur som annars skulle ha blandat om sedimentet kan leva. I stället för att röras upp till ytan täcks kiselalgernas viloceller av nästa års blomning och snöfall av organiskt material. I lager efter lager arkiveras de i sedimenten och kan bevaras under väldigt lång tid.

Här öppnar sig stora möjligheter för forskare som vill studera kiselalgernas utveckling över tid. Kiselalgerna kan nämligen väckas upp igen genom att sediment som legat i mörkret på havets botten tas in i en ljus och näringsrik laboratoriemiljö.

Sediment som inte omblandas bildar skikt, och dessa går att datera för att ta reda på när kiselalgerna på olika lager bildade sina vilostadier. Om man sedan jämför de gamla kiselalgerna med sådana från ytligare lager i sedimentet, kan man studera hur arten har påverkats av miljö- och klimatförändringar under de senaste hundra åren.


Skeletonema
och Chaetoceros är två viktiga grupper av kedjeformande kiselalger som ofta dominerar under vårblomningen. Med sina långa spröt kan Chaetoceros hålla sig uppe i ljuset och även undvika att bli uppäten av betare. Foto: Helena Höglander

Fascinerande mångfald

För att få tag på riktigt gamla viloceller valde vi den danska Mariagerfjorden som under ett helt sekel varit utsatt för övergödning, vilket gjort delar av botten syrefri. Här hittade vi upp till hundra år gamla kiselalger av släktet Skeletonema. Det är en vanligt förekommande kiselalg, både runt Sveriges kuster och i resten av världen. Skeletonema förökar sig genom celldelning där varje ny cell får samma genetiska material som utgångscellen. Det faller sig naturligt att utgå från att celler som härstammar från samma ursprungliga cell också har ungefär samma egenskaper - samma potential att växa, att ta upp näring och så vidare. Länge har man också trott att detta gällde kiselalgerna, men här gjorde vi en intressant upptäckt. Med hjälp av moderna metoder kunde vi mäta upptag av kol och kväve hos enskilda celler och konstatera att skillnaderna var slående, både mellan kloner av samma släkte och mellan celler inom samma klon (de som härstammar från samma ursprungliga cell). Alla hade en enorm variation i sitt upptag av både kol och kväve.

Ännu mer nyfikna blev vi när vi märkte att variationen mellan enskilda celler var lika stor hos de kiselalger av samma klon som vilat i sedimentet i nästan hundra år, som mellan de som bildat viloceller under de senaste åren. Vi tror att denna stora variation är en del av svaret på varför detta släkte varit så framgångsrikt i att sprida sig till nya områden och varit så uthålligt i tider av ökad övergödning. Ett släkte som har en stor naturlig mångfald kan enklare anpassa sig till förändringar utan att behöva genomgå någon genetisk förändring. Istället finns det alltid celler som är redo att växa över ett stort spann av omgivande miljöförhållanden. Detta är nu något som forskare även matematiskt påvisat genom att använda så kallad spelteori, där en stor mångfald på cellnivå visar sig öka stabiliteten hos hela planktonsamhällen.

Tätt samarbete med bakterier

Men det är inte bara förmågan att variera sig som gör kiselalgerna till överlevnadsexperter - de är också duktiga på att samarbeta med sin omgivning. Kiselalger och andra växtplankton lever nämligen tätt ihop med bakterier, som dras till kiselalgernas utsöndring av organiskt material. Mellan dem sker ett utbyte av bland annat vitaminer men framför allt verkar bakterierna hjälpa kiselalgerna att ta upp näring. Nyligen kunde vi visa att kiselalger är väldigt duktiga på att ta upp kväve i form av ammonium, även under perioder när det var väldigt låga koncentrationer av kiselalger i vattnet. I själva verket lyckades de ta upp tre till fyra gånger så mycket ammonium som de borde vara kapabla till enligt teoretiska beräkningar, och detta just tack vare de bakterier som omgav dem. Denna förmåga till samarbete gör att kiselalgerna kan hålla en hög takt på kol- och kväveomvandlingen även långt efter algblomningen.

Både när det gäller förmågan att anpassa sig och att samarbeta har vi alltså utgått från kiselalgernas upptag av näring. Genom att mäta upptag i enskilda celler kan vi avslöja mönster i födoväven som annars skulle förbli okända. Kunskap om hur planktonsamhällen fungerar från grupp- ner till cellnivå är viktig för att kunna förutse hur växtplankton påverkas av klimatförändringar och nya förutsättningar i havet. Förändringarna kommer att få konsekvenser för kiselalgerna, men vi har kunnat visa att mångfalden är till deras fördel i sådana situationer. Förhoppningsvis kan detta hjälpa denna viktiga grupp att överleva även i framtiden.

TEXT OCH KONTAKT:
Malin Olofsson och Helle Ploug,Institutionen för marina vetenskaper, Göteborgs universitet
LÄS MER:
Nitrate and ammonium fluxes to diatoms and dinoflagellates at a single cell level in mixed field communities in the sea. Artikel i vetenskaplig tidskrift.

High single-cell diversity in carbon and nitrogen assimilations by a chain‐forming diatom across a century. Artikel i vetenskaplig tidskrift.

The theory of games and microbe ecology. Artikel i vetenskaplig tidskrift.