Som ånder, der passerer mellem verdener, rejser milliarder af usynlige væsener sig for at møde stjernelyset, og går derefter ned i mørket ved solopgang. Mikroskopisk planktons daglige rejse mellem havets dybder og overflade rummer nøglen til at forstå afgørende planetariske processer, men har indtil nu stort set været et mysterium. Et nyt Stanford-udviklet roterende mikroskop, skitseret i en undersøgelse offentliggjort 17. august i Nature Methods, tilbyder for første gang en måde at spore og måle disse gådefulde mikroorganismers adfærd og molekylære processer, mens de foretager sig på deres daglige vertikale migrationer.
"Dette er en helt ny måde at studere livet i havet på," sagde undersøgelsens første forfatter Deepak Krishnamurthy, en ph.d.-studerende i maskiningeniør ved Stanford.
Innovationen kunne give et nyt vindue ind i havorganismers og økosystemers hemmelige liv, sagde seniorforfatter Manu Prakash, lektor i bioteknik ved Stanford. "Det åbner videnskabelige muligheder, vi kun havde drømt om indtil nu."
Oceaniske mysterier
På Jorden sker halvdelen af al omdannelsen af kulstof til organiske forbindelser i havet, hvor plankton udfører det meste af det arbejde. De små skabningers store rolle i denne proces, kendt som kulstoffiksering, og andre vigtige planetariske cyklusser har været svære at studere i havets vertik alt lagdelte landskab, som involverer store dybder og tidsskalaer.
Konventionelle tilgange til prøveudtagning af plankton er fokuseret på store populationer af mikroorganismerne og har typisk manglet beslutningen om at måle individuelt planktons adfærd og processer over økologiske skalaer. Som følge heraf ved vi meget lidt om biologiske og molekylære processer i mikroskala i havet, såsom hvordan plankton registrerer og regulerer deres dybde, eller endda hvordan de kan forblive suspenderet i vandsøjlen, selvom de ikke har nogen vedhæng, der hjælper med mobiliteten.
"Jeg kunne sætte et mærke til en hval og se, hvor den går hen, men efterhånden som tingene bliver mindre og mindre, bliver det ekstremt svært at kende og forstå deres oprindelige adfærd," sagde Prakash. "Hvordan kommer vi tættere på et mikroskopisk objekts indfødte adfærd og giver det den frihed, det fortjener, fordi havet er så stort et rum og ekstremt lodret orienteret?"
For at bygge bro over kløften udviklede Prakash og forskere i hans laboratorium et vertik alt sporingsmikroskop baseret på det, de kalder et "hydrodynamisk løbebånd." Idéen involverer en enkel, men elegant indsigt: en cirkulær geometri giver en uendelig vandsøjlering, der kan bruges til at simulere havdybder. Organismer, der sprøjtes ind i dette væskefyldte cirkulære kammer, bevæger sig frit, mens enheden sporer dem og roterer for at imødekomme deres bevægelse. Et kamera fører farvebilleder i fuld opløsning af planktonet og andre mikroskopiske marine væsener ind i en computer til feedbackkontrol med lukket sløjfe. Enheden kan også genskabe dybdekarakteristika i havet, såsom lysintensitet, hvilket skaber, hvad forskerne kalder et "virtuel virkelighedsmiljø" for enkeltceller.
Teamet har indsat instrumentet til felttest på Stanfords Hopkins Marine Station i Monterey, i Puerto Rico og også på et forskningsfartøj ud for Hawaiis kyst. Det innovative mikroskop har allerede afsløret forskellige mikroorganismers adfærd, der tidligere var ukendt for videnskaben. For eksempel afslørede den i små detaljer, hvordan larver af havdyr fra den californiske kyst, såsom flagermusstjernen, søagurken og stillehavssanddollaren, anvender forskellige metoder til at bevæge sig gennem havet, lige fra et konstant svæv til hyppige ændringer i ciliært slag og svømmebevægelse eller blink. Dette kunne give forskere mulighed for bedre at forstå disse unikke organismers spredningsegenskaber i det åbne hav. Enheden har også afsløret den vertikale svømmeadfærd hos encellede organismer såsom marine dinoflagellater, hvilket kunne gøre det muligt for forskere at forbinde denne adfærd med økologiske fænomener såsom algeopblomstring.
I Puerto Rico blev Krishnamurthy og Prakash chokerede over at observere en kiselalger, en mikroorganisme uden svømmevedhæng, gentagne gange ændre sin egen tæthed til at falde og stige i vandet - en forvirrende adfærd, der stadig er et mysterium.
"Det er, som om nogen fort alte dig, at en sten kunne flyde og derefter synke og så flyde igen," sagde Krishnamurthy.
Bringer havet til laboratoriet
Prakash krediterer enhedens succes den tværfaglige karakter af hans laboratorieteam, som omfatter elektriske, mekaniske og optiske ingeniører, såvel som dataloger, fysikere, cellebiologer, økologer og biokemikere. Holdet arbejder på at udvide mikroskopets muligheder yderligere ved stort set at kortlægge alle aspekter af de fysiske parametre, som en organisme oplever, når den dykker ned i havets dybder, herunder miljømæssige og kemiske signaler og hydrostatisk tryk.
"For virkelig at forstå biologiske processer, der er i spil i havet på mindste længdeskalaer, er vi glade for både at bringe et stykke af havet til laboratoriet og samtidig bringe et lille stykke af laboratoriet til havet," sagde Prakash.
Prakash er også senior fellow ved Stanford Woods Institute for the Environment; et medlem af Bio-X, Maternal & Child He alth Research Institute og Wu Tsai Neurosciences Institute; en fakultetsstipendiat ved Howard Hughes Medical Institute; og en efterforsker ved Chan Zuckerberg Biohub.
Medforfattere til studiet omfatter Hongquan Li, en kandidatstuderende i elektroteknik; François Benoit du Rey og Pierre Cambournac, tidligere sommerpraktikanter i Prakash-laboratoriet fra École Polytechnique; Ethan Li, en kandidatstuderende i bioteknik og Adam Larson, en postdoc-forsker i bioteknik.
Dele af teknologien beskrevet her er en del af et verserende amerikansk patent.
Finansiering leveret af et Bio-X Bowes og SIGF-stipendier, National Science Foundation, Gordon and Betty Moore Foundation, HHMI Faculty Fellows Program.
