Trichodesmium در میان میکروب های دریایی غیرمعمول است زیرا هم دی اکسید کربن را مانند گیاهان "تنفس" می کند و هم گاز نیتروژن را از هوا می گیرد و آن را به کود دریاها "تثبیت" می کند.
چگونه تریکو هر دوی این کارها را انجام می دهد مدتهاست که محققان را متحیر کرده است، زیرا این دو فرآیند به خوبی با هم کار نمی کنند: تثبیت دی اکسید کربن باعث ایجاد اکسیژن می شود و اکسیژن آنزیمی را که تثبیت نیتروژن را ممکن می کند، مهار می کند. انگار نفس کشیدن رشد را سخت کرده است.
جولیت فینزی هارت، میکروبیولوژیست USC، می گوید: «همه تلاش کرده اند بفهمند چگونه این کار را انجام می دهند."هرچه بیشتر بتوانیم نحوه عملکرد آن را درک کنیم، بهتر می توانیم آن را مدل سازی کنیم، و بهتر می توانیم نقش آن را در زمینه چرخه جهانی کربن و نیتروژن درک کنیم."
در مطالعه جدیدی که در 30 مارس در نسخه اولیه مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم منتشر خواهد شد، فینزی هارت و همکارانش شواهد جدیدی ارائه کردند که نشان می دهد تریکو بخشی از روز را با تمرکز بر کربن و بخش دیگر می گذراند. روی نیتروژن.
با استفاده از فناوری تصویربرداری پیشرفته که به ندرت در علوم دریایی استفاده می شود، این مطالعه از این نظریه حمایت می کند که تریکو موفق می شود هر دو را با جداسازی فرآیندها به موقع برطرف کند.
تصاویر خیره کننده همچنین نقاط حساس خاصی را نشان می دهد که در آن نیتروژن ثابت به طور موقت ذخیره می شود و شواهد قوی ارائه می دهد که Tricho هم نیتروژن و هم کربن را در یک سلول ثابت می کند.
به عنوان یک سیانوباکتری، تریکو از نور خورشید برای تثبیت دی اکسید کربن و تبدیل آن به غذا با استفاده از فرآیندی مانند فتوسنتز استفاده می کند. علاوه بر این، این یک تثبیت کننده اصلی نیتروژن است، و آن را به یک "کود برای اقیانوس های باز" تبدیل می کند.
درست مانند کود در مزرعه، نیتروژن ثابت تریکو باعث رشد دریاها می شود و همراه با سایر تثبیت کننده های نیتروژن، در واقع سلامت کل اکوسیستم ها را کنترل می کنند.
نظریه ها در مورد اینکه چگونه Tricho کربن و نیتروژن را رفع می کند تا حد زیادی به دو دسته تقسیم می شوند.
طرفداران "زمان" معتقدند که تریکو، مانند برخی دیگر از میکروارگانیسم ها، تثبیت کربن و نیتروژن را با زمان جدا می کند. در اوج خورشید، تثبیت کربن مهار می‌شود، اکسیژن کمتری تشکیل می‌شود و پنجره‌ای برای تثبیت نیتروژن باز می‌شود.
از طرف دیگر، طرفداران "فضا" معتقدند که تریکو به طور فیزیکی فرآیندهای تثبیت کربن و نیتروژن را در نوعی "تقسیم کار" از هم جدا می کند.Tricho یک موجود زنده تک سلولی است که در کلنی ها زندگی می کند. هر سلول در رشته های بلندی به نام تریکوم روی هم قرار می گیرد و این تریکوم ها به هم می چسبند.
"فینزی هارت گفت: "آنها شبیه مژه هستند." «وقتی نمونه‌ای را جمع‌آوری می‌کنید، یک سطل بزرگ و یک قاشق بزرگ دریافت می‌کنید، و یک میز متشکل از 15 دانشمند دارید که به معنای واقعی کلمه Tricho را با دست انتخاب می‌کنند.»
حداقل در یک نوع دیگر از سیانوباکتری ها، سلول های یک رشته گروه هایی تشکیل می دهند: برخی از سلول ها کربن را ثابت می کنند، در حالی که برخی دیگر از نیتروژن مراقبت می کنند.
"برای بسیاری از موجودات، آنها یا کربن را در روز و نیتروژن را در شب تثبیت می کنند، یا اگر ارگانیسمی با زنجیره بلند باشند، سلول های خاصی خواهند داشت که از هم جدا شده اند.".
با این حال، بحث زمان و مکان در مورد Trichodesmium مشکل است. با Tricho، به نظر می‌رسد که یک سلول می‌تواند هر دو را انجام دهد.»
Finzi-Hart و همکارانش به NanoSIMS، یک فناوری تصویربرداری تخصصی که عمدتاً در علوم سیاره‌ای و پزشکی استفاده می‌شود، روی آوردند.
"ایده پشت این کار این بود که چگونه می توانیم به داخل یک سلول برویم و ببینیم که آیا و چگونه یک سلول کربن و نیتروژن را همزمان تثبیت می کند یا خیر."
داگ کاپون و کن نیلسون از USC از اولین کسانی بودند که این روش را در میکروبیولوژی دریایی اتخاذ کردند و از نزدیک با جنیفر پت ریج و پیتر وبر از آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور کار کردند.
"فینزی هارت گفت: "شما قبلا هرگز چنین تصاویری دریافت نمی کردید." "ما دری را به داخل سلول ها باز کرده ایم."
NanoSIMS به دانشمندان این امکان را می دهد که اشکال ایزوتوپی پایدار کربن و نیتروژن را همانطور که ثابت می شوند ببینند. این ایزوتوپ‌ها در تصاویری که توسط طیف‌سنج تولید می‌شود، مانند چراغ‌های نورافکن روشن می‌شوند.
در این مطالعه، Finzi-Hart و همکارانش درون سلول های Tricho را بررسی کردند تا کربن و نیتروژن برچسب گذاری شده را در نقاط مختلف در یک دوره 24 ساعته تماشا کنند.
تصاویر به دست آمده هم نشان داد که نیتروژن در کجا به داخل سلول می رسد و هم اینکه چگونه توزیع و کمیت آن در طول زمان تغییر می کند. به طور خلاصه، این تکنیک روش جدیدی را برای نگاه کردن به بحث از نظر زمانی و مکانی ارائه کرد.
این مطالعه شواهد قوی در حمایت از تز جدایی زمانی پیدا کرد. در طول 24 ساعت، تصاویر به وضوح نشان دادند که درست پس از رسیدن به اوج تثبیت کربن، تثبیت نیتروژن افزایش یافت.
وقتی نوبت به نیتروژن رسید، تصاویر شگفت‌انگیز بودند: می‌توان دید که نیتروژن ثابت شده به آرامی وارد سلول می‌شود و پس از چند ساعت در «نقاط داغ» متمرکز می‌شود، سپس مشاهده می‌شود که این نقاط داغ فروکش کرده و توزیع یکنواخت‌تری دارند.. (مقایسه این تصاویر با تصاویر دیگر نشان داد که نقاط داغ اندامک های ذخیره ای به نام سیانوفایسین هستند.)
"آنها اساساً نیتروژن را می گرفتند، آن را تعمیر می کردند، آن را ذخیره می کردند، از آن استفاده می کردند، و سپس کل فرآیند را روز بعد دوباره شروع می کردند.
از نظر تئوری تفکیک فضایی، همه چیز پیچیده تر بود. در ابتدا، محققان فکر کردند که شواهد واضحی را کشف کردند که نشان می‌دهد هیچ تقسیم کار وجود ندارد، زیرا برچسب‌های کربن و نیتروژن به طور یکنواخت در نمونه وسیعی از سلول‌ها وجود داشتند.
به عبارت دیگر، هیچ خوشه ای از سلول ها وجود نداشت که فقط نیتروژن را ثابت کنند و خوشه های دیگری که فقط کربن را ثابت کنند، همانطور که توسط نظریه تفکیک فضایی پیش بینی شده بود.
با این حال، مطالعات قبلی نشان داده اند که پس از تثبیت نیتروژن، سلول های تریکو می توانند نیتروژن را در کمتر از 90 ثانیه توزیع کنند.
از آنجایی که اولین تصاویر NanoSIMS 15 دقیقه پس از معرفی ایزوتوپ ها گرفته شده است، این امکان وجود دارد که تفکیک مکانی وجود داشته باشد که ثبت نشده است.
"از آنجا که آنها می توانند محصول خود را به سرعت توزیع کنند، نمی توانیم به طور قطع بگوییم که هیچ گونه تفکیک فضایی وجود ندارد." فینزی هارت گفت.
با این حال، شواهد نشان می دهد که Tricho توانایی تثبیت کربن و نیتروژن را بدون تقسیم کار دارد. او گفت: «اگر تقسیم کار وجود داشته باشد، گذرا است.»
فینزی هارت تحقیقاتی را انجام داد که منجر به این مقاله به عنوان بخشی از پایان نامه خود زیر نظر داگ کاپون شد. پس از اخذ مدرک در سال 2007، او یک همکار سیاست دریایی Knauss در واشنگتن دی سی بود
او از آن زمان به USC بازگشت تا به عنوان استادیار پژوهشی در گروه جغرافیا در کالج USC و همچنین متخصص تحقیقات و برنامه ریزی منطقه ای با USC Sea Grant است.
او با برنامه Sea Grant برای تسهیل ارتباط بین دانشمندان، ماهیگیران، مقامات دولتی و سایر ذینفعان در سیاست و تحقیقات دریایی کار می کند.
همکاران فینزی هارت تروی گاندرسون، داگ کاپون و کن نیلسون از موسسه مطالعات زیست محیطی USC Wrigley بودند. جنیفر پت ریج، پیتر وبر و ایان هاچئون از آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور؛ رادو پوپا از دانشگاه ایالتی پورتلند؛ و استوارت فالون از دانشگاه ملی استرالیا.
این تحقیق تا حدی توسط دفتر تحقیقات زیست‌شناسی و زیست‌محیطی وزارت آموزش ایالات متحده، ژنوم ژنوم تا برنامه تحقیقات حیات تامین شده است. برنامه علوم اقیانوسی بنیاد ملی علوم؛ و وزارت انرژی ایالات متحده.
