Tiefseesensor zeigt, dass Korallen reaktive Sauerstoffspezies produzieren

Genau wie wir atmen Korallen Sauerstoff ein und fressen organischen Kohlenstoff. Und genau wie wir produzieren Korallen als Nebenprodukt der Umwandlung von Energie und Sauerstoff im Körper reaktive Sauerstoffspezies (ROS), eine Familie chemischer Verbindungen, die auf natürliche Weise von Zellen während der Zellteilung hergestellt werden, während sie Krankheitserreger bekämpfen und andere physiologische Aufgaben erfüllen Funktionen.

Bisher war jedoch nicht bekannt, ob gesunde Tiefseekorallen eine bestimmte Art von ROS produzieren, die Superoxid (O2•-) genannt wird. Superoxid ist ein hochreaktives ROS, das dafür bekannt ist, die Meeresökologie und die Physiologie von Organismen zu beeinflussen und die Chemie im Ozean voranzutreiben, einschließlich des Abbaus von Kohlenstoff und der Bioverfügbarkeit von Metallen und Nährstoffen.

Eine aktuelle Studie veröffentlicht in PNAS-Nexus zeigt zum ersten Mal, dass Tiefseekorallen und Schwämme tatsächlich ROS-Superoxid produzieren, was bedeutet, dass diese Chemikalien eine Reihe bisher unbekannter Auswirkungen auf das Leben und die Chemie der Ozeane in der Tiefsee haben. Die Autoren beweisen, dass ROS nicht nur als Stressreaktion produziert werden, sondern ein wesentlicher Bestandteil ihrer Funktionsweise sind.

In der Studie führten die Autoren direkte Messungen des Superoxidgehalts im Wasser in der Nähe von Korallen durch, indem sie einen einzigartigen Tiefsee-Chemolumineszenzsensor namens „ SOLARISin den über 2.000 Meter tiefen Ozean, an Bord des Alvin-Tauchboots.

„Dies sind die ersten Messungen dieser Chemikalie überhaupt in der Tiefsee“, sagte Colleen Hansel, leitende Wissenschaftlerin für Meereschemie und Geochemie am Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) und leitende Autorin der Studie.

Der Nachweis von Superoxid im Ozean ist eine einzigartig anspruchsvolle Aufgabe, die kollaboratives Fachwissen von der Chemie über die Physik bis hin zum Ingenieurwesen erfordert. Als hochreaktive Verbindung bleibt Superoxid im Wasser nur wenige Sekunden bestehen. Die WHOI-Ingenieure Jason Kapit, Co-Autor des Papiers, und William Pardis entwickelten zusammen mit Hansel und dem assoziierten Wissenschaftler Scott Wankel das SOLARIS-System als robotergesteuertes Instrument, das Wasser direkt an der Korallenoberfläche ansaugen kann.

Das Wasser gelangt in den Detektionsstab und vermischt sich in einer Kammer, wo eine chemische Reaktion mit Superoxid Licht erzeugt, das in Echtzeit gemessen werden kann. Während dieser Expedition wurden die Bewegungen des Zauberstabs mit den mechanischen Armen von Alvin gesteuert, wobei Kapit und Hänsel Teil des dreiköpfigen Teams waren, das in Alvin hineintauchte.

„Ein fantastischer Aspekt dieses Projekts besteht insbesondere darin, dass es Wissenschaft und Technik auf eine für WHOI einzigartige Weise kombiniert“, sagte Kapit.

Die ersten Tauchgänge mit SOLARIS fanden im Oktober 2019 im Monterey Bay National Marine Sanctuary vor der Küste Kaliforniens statt, wo sie große, gesunde Korallen fanden, die in einer geschützten Meeresumgebung leben. Dies trug dazu bei, die Möglichkeit auszuschließen, dass Superoxid ausschließlich als Stressreaktion produziert wurde.

Laut Hansel produzierten die von ihnen gemessenen Korallen Superoxid mit einem Enzym namens NOX, das Sauerstoff außerhalb der Zellen in Superoxid umwandelt, was bedeutet, dass es wahrscheinlich ein grundlegender Teil ihrer normalen Lebensfunktionen ist – ob es nun wächst oder es möglicherweise produziert, um Beute zu betäuben . Die Tiefseekorallen in ihrer Studie haben keine Algensymbionten wie Flachkorallen – von denen bereits bekannt ist, dass sie extrazelluläre ROS produzieren, und es wurde lange angenommen, dass diese von den symbiotischen Algen stammen.

Diese Ergebnisse schließen Algen als Superoxidquelle aus und deuten stattdessen darauf hin, dass das Korallentier selbst oder seine bakteriellen Symbionten die Quellen sind. Ohne weitere Forschung können die Autoren nicht völlig ausschließen, dass Bakterien eine Rolle bei der ROS-Produktion spielen könnten, aber die Autoren halten dies aufgrund des Vorhandenseins von NOX in den hier untersuchten Korallen für unwahrscheinlich.

„Insbesondere im letzten Jahrzehnt gab es zahlreiche Studien, die genau untersuchten, wie die Produktion von extrazellulären ROS wie Superoxid positive Aspekte für einen Organismus haben kann“, sagte Lina Taenzer, Studentin des Joint Program für Meereschemie und Geochemie und Hauptautorin von die Studie, die 2019 in Hansels Labor am WHOI eintrat. Sie tauchte auch in Alvin, um Superoxid mit SOLARIS zu messen.

„Es ist faszinierend, dass Korallen ROS regulieren können, um anderen Zellen Signale zu senden und ihre Funktionsweise und Reaktion auf die Umwelt zu verändern“, sagte Taenzer. „Es ist auch im Hinblick auf einen zellulären Abwehrmechanismus interessant.“ Wenn ein Organismus beispielsweise von einem Krankheitserreger befallen wird, kann es zu einem starken oxidativen Ausbruch kommen. Dies dient als eine Art chemischer Kriegsführung, um sich selbst zu schützen. Auf der anderen Seite kann eine Überproduktion von Superoxid schädliche Auswirkungen auf ein Tier haben und essentielle Proteine ​​im Körper abbauen und die DNA zerstören.

Auch die Artenvielfalt war wichtig. Während ihres Tauchgangs in Alvin maß Taenzer zufällig eine Vielzahl von Arten, darunter Schwämme und Seesterne.

„Es gab einen Aspekt der Erkundung, und die Tatsache, dass wir ein neues Instrument verwendeten, das wir noch nie zuvor verwendet hatten, machte es wirklich aufregend und erfreulich“, sagte Taenzer.

Auch wenn wir immer noch nicht viel darüber wissen, wie Tiefseekorallen funktionieren und auf ihre Umgebung reagieren, hilft diese Studie dabei, Licht auf die grundlegenden Kontrollen der Korallengesundheit und -aktivität zu werfen. Und je mehr Wissenschaftler verstehen und teilen, desto genauer können sie prognostizieren, wie Korallenökosysteme auf die Erwärmung der Meere und den Klimawandel reagieren werden.

„Es ist schwierig zu modellieren, wie Korallen auf veränderte Meeresbedingungen reagieren, wenn wir nicht verstehen, wie sie derzeit unter Grundbedingungen funktionieren“, sagte Hansel. „Wir müssen verstehen, wie eine gesunde Koralle aussieht, wie eine kranke Koralle aussieht und welche Faktoren die Gesundheit und Physiologie dieser Organismen steuern.“

Das langfristige Ziel besteht darin, mit SOLARIS Korallen, Tiefseeschwämme und andere ROS-produzierende Organismen in anderen Regionen der Welt zu messen, um ein umfassenderes Bild davon zu erhalten, wie Meereslebewesen die Chemie der Ozeane beeinflussen.

„Die Entdeckung dieser hochreaktiven Verbindungen in der Tiefsee könnte sich auch auf den Kohlenstoffkreislauf, den Metallkreislauf und die mikrobielle Ökologie auswirken, um nur einige zu nennen. Dies ist zum jetzigen Zeitpunkt noch völlig unbekannt, aber es ist spannend, darüber in größerem Maßstab nachzudenken“, so Hänsel sagte.