なぜこれらのプランクトンは通常の6倍も膨らむのか

微細なプランクトンは海洋食物連鎖の中心であり、クジラのようなはるかに大きな動物の餌となっている。しかし、単細胞の植物プランクトン（そのほとんどは遊泳を助ける付属肢を持たない）がどのように移動しているのかについてはあまりわかっていない。植物プランクトンたちは、海の最も暗く冷たい深海から海面まで上昇し、そして再び沈んでいく。Pyrocystis noctilucaと呼ばれる生物発光植物プランクトンの一種は、通常の6倍の大きさに膨らむことでこれを実現する。この膨張により、通常は数百ミクロンの幅しかないプランクトンが海面に向かって約656フィート上昇し、太陽光を捕らえて餌を作ることができる。海洋を移動するためのこのユニークな戦略は、10月17日にCell Press誌のCurrent Biology誌に掲載された研究で説明されている。

「この論文で発見したのは、これらのP.ノクチルカ細胞は小さな潜水艦のようなもので、密度を非常に正確に制御できるため、水柱内のどこに居たいかを選択できるということだ」と、研究の共著者でスタンフォード大学の海洋生物学者兼バイオエンジニアであるマヌ・プラカシュ氏は声明で述べた。

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平均して、植物プランクトンは海水よりわずか 5 ～ 10 パーセント重いだけです。つまり、植物プランクトンは光合成のために海面に留まりたい場合、重力と戦わなければなりません。

プラカシュ氏とスタンフォード大学の博士研究員で研究共著者のアダム・ラーソン氏はハワイ沖の研究船に乗っていた際、 P. noctilucaの大発生を目撃した。驚いたことに、彼らの網の中には2種類の非常に異なる大きさのプランクトンがいた。

「細胞がこのように大きく膨らむ様子を撮影したビデオを撮影するまで、その理由を解明するのに時間がかかりました」とラーソン氏は声明で述べた。「これは突然起こることがあるため、顕微鏡のそばで10分間眠っていたら、見逃してしまうかもしれません。」

研究では、この急速な成長がプランクトンにどのような影響を与えるかをテストしました。そのために、重力マシンと呼ばれるツールが開発されました。

「重力装置により、無限の水柱の中の細胞一つ一つを細胞以下の解像度で観察することができます」とプラカシュ氏は言う。「これはスナネズミやネズミの観覧車のようなものですが、これは一つの細胞用です。ディナープレートほどの大きさで回転するので、細胞は自分の基準系の中では上ったり沈んだりしていないことに気づきません。」

重力装置内の水圧と密度を変えることで、海の深みを模倣した仮想現実環境が作り出される。この装置を使って、チームは膨張した細胞が周囲の海水よりも密度が低いことを発見した。これにより、細胞は重力の下向きの引力から逃れ、仮想表面に向かって浮上することができる。

さらに詳しく観察すると、この膨張はプランクトンの細胞周期の自然な一部として起こることが分かりました。単細胞プランクトンが 2 つに分裂した後、液胞と呼ばれる内部構造が淡水で濾過されます。これにより、2 つの新しい細胞のサイズが大幅に大きくなります。その後、2 つの娘細胞は軽い淡水で膨らみ、上向きに航行します。

ビデオ:ピロシスティスの細胞周期。パート 1 はピロシスティスのライフサイクルを示しています。パート 2 は細胞壁の崩壊を示しています。パート 3 は細胞の膨張を示しています。パート 4 は分裂後に細胞質で発生するダイナミクスの詳細を示しています。クレジット: Larson 他/Current Biology

「細胞分裂中に海中でパチンコを打つという、非常に巧妙な方法だと分かりました」とプラカシュ氏は言う。「では、平常時にはどうなるのでしょうか？ タンパク質を大量に作り、太陽光をたっぷり浴び、重くなって沈むまで大量のバイオマスを作ります。その後、深海で細胞分裂を行い、膨張を利用して母親のサイズに戻ります。」

この細胞周期全体は約 7 日間かかり、プランクトンが太陽光と栄養素を求めて上方へと移動し始める時期と一致します。プラカシュ氏によると、これはこの細胞周期が生態学的パラメータによって制御されていることを示す最初の明確な証拠となる可能性があります。

「すべての細胞は重力の影響を受けており、細胞自身やその後の子孫が抵抗しない限り、重力の罠にかかって永遠に海の底に沈んでしまう」と、研究の共著者でスタンフォード大学の博士研究員ラフル・チャジュワ氏は声明で述べた。

重力測定装置からの結果と生態学的、生理学的観察結果を利用して、研究チームは海中のすべてのプランクトンに適用できる数学的枠組みを開発した。研究チームは、生化学を利用して密度を調節し、水柱を上下に移動する可能性のある多数のプランクトンに関する隠された謎をさらに解明したいと考えている。