Havets hemmelige sprog af dufte

Havets plankton lever i en blind verden. De mikroskopiske planktonorganismer er for små til at have øjne, der kan danne billeder.

Ganske vist er der mikroorganismer, der har noget, som ligner øjne, men de kan højst danne et billede på nogle få pixels. Det er nok til at skelne lys og mørke, men utilstrækkeligt til effektiv orientering og kommunikation.

Men havets mikroorganismer klarer sig fint alligevel. De 'taler' med hinanden ved hjælp af kemiske signalstoffer, og de finder føde og undgår fjender ved at udnytte kemisk information.

Planktonalger bliver således giftige eller ændrer adfærd, hvis der er græssere til stede, vandloppe-hanner finder hunner ved hjælp af feromoner, og bakterier bekæmper konkurrenter med antibiotika.

Den karakteristiske duft af hav, som vi alle kender, skyldes primært dimethylsulfid (CH3)2S, der udskilles af alger. Vi er så småt begyndt at forstå planktonets sanseverden, og der er efterhånden mange fascinerende eksempler på kemisk kommunikation og kemisk krigsførelse blandt havets mindste beboere.

Og der er et stort anvendelsespotentiale i de involverede stoffer. Det har imidlertid vist sig vanskeligt at isolere og identificere de stoffer, planktonorganismer bruger, men nye kemiske metoder viser vejen frem.

Kiselalgernes sex-feromoner afluret

Lad os tage nogle eksempler. Kiselalger er encellede planktonalger, der er indesluttet i en kiselskal, og de har interessante livscykler. De blomstrer i vore farvande typisk om foråret, og de formerer sig ved simpel celledeling. Men engang imellem har de kønnet formering.

I Napolibugt har en forskergruppe omkring Marina Montresor på Stazione Zoologica i Napoli således for nylig vist, at kiselalger af slægten Pseudo-nitzschia har koordineret sex præcis hver andet år.

Det med koordinationen er vigtigt, fordi det øger sandsynligheden for at møde en sexpartner. Husk på, at vi taler om mikrometer-store (små!) celler, der skal finde hinanden i en stor 3-dimensionel verden.

Sex-feromoner øger chancen for at finde hinanden

Man har længe ment, at sex-feromoner var involveret, fordi det dramatisk øger cellernes mulighed for at finde hinanden.

Nu er det lykkedes en tysk gruppe omkring kemikeren Georg Pohnert ved Friedrich Schiller Universitetet i Jena at bevise dette, og ved hjælp af en metode til systematisk at analysere stofskifteprodukter (metabolomics) har de identificeret feromonet hos en kiselalge.

Metoden er i princippet enkel:

Der er to celletyper, nogle der svømmer (hanner), og nogle der ikke gør (hunner). Hunnerne producerer et stof, der tiltrækker hanner. Ved at sammenligne profiler af alle de mange tusinde stoffer, som hanner og hunner producerer, kan man finde feromon-kandidater, som er de stoffer, kun hunnerne producerer.

Disse kan efterfølgende afprøves ved at undersøge, om de tiltrækker hanner. Og med held og dygtighed kan man så kemisk identificere det aktive stof. Det er nu for første gang lykkedes for Pohnert og hans medarbejdere.

Vandloppernes sexliv

Det meste dyreplankton har sex i hver generation, og her har man i mere end 100 år vidst, at der for nogle arter var sex-feromoner involveret, men flere forskergrupper har nu intensiveret studiet af sex-feromoner hos vandlopper.

Vi har for eksempel fundet ud af, at hunner af millimeter-store vandlopper kan afsætte et duftspor i vandet, som leder hannerne til hunnerne.

Afhængigt af hvordan duftsignalet spredes af hunnen, kan det give anledning til en fascinerende adfærd hos hannen, der enten ræser op langs et aflangt spor for at finde hunnen, eller han gennemfører noget, der ligner en parringsdans, i den duftsky en hun kan omgive sig med.

Feromonerne er ikke artsspecifikke

Det er klart, at duftsignalerne øger hannens mulighed for at finde hunner op mod 200 gange, har vi beregnet. Og duftsignalet informerer også om hunnens tilstand – nogle hanner reagerer mere begejstret på en jomfru end på en ældre frue.

Ved at studere hannens adfærd kan vi sige noget om de kemiske egenskaber ved feromonerne. For det første er de ikke meget artsspecifikke:

Hanner forfølger ikke kun hunner af egen art, men også af beslægtede arter. For det andet er de involverede molekyler antageligvis små – det er det mest økonomiske.

Ved hjælp af metabolomics forsøger vi nu at identificere sex-feromoner hos vandlopper. Men det er ikke nødvendigvis en nem opgave, for der kan være mange stoffer involveret. Sex-feromoner hos møl består for eksempel af en blanding af tre molekyler. Indtil videre har vi identificeret ca. 30 kandidat-molekyler hos tre arter.

Duftspor leder frem til føden

Dyreplankton kan også følge kemiske spor, når de leder efter føde. Det er velkendt, at hajer kan spore blod på lang afstand, og at bundlevende krabber vandrer opstrøms, hvis de får fært af føde.

Kemisk fødesporing blev første gang påvist hos en pelagisk invertebrat, en reje, af amerikaneren Bill Hamner fra University of California, Los Angeles, da han dykkede under sit forskningsfartøj.

Han observerede, hvordan rejer fulgte i sporet efter synkende, uidentificerbare organiske aggregater og koloniserede og åd disse, og han kunne vise, at de fulgte et kemisk spor. Aggregaterne viste sig i øvrigt at stamme fra en søsyg bådsmand, der havde brækket sig ud over rælingen – ifølge rapporten i Science.

Attraktive kaloriebomber for plankton

Vi har netop vist, at zooplankton på tilsvarende måde kan følge det kemiske spor som millimeter-store aggregater – såkaldt 'marin sne' – efterlader, når de synker gennem vandet.

Havet er en ernæringsmæssig ørken for zooplankton, idet koncentrationen af deres føde, planktonalger, er meget lav. Men ind i mellem aggregerer algerne og bliver til 'snefnug', som er attraktive kaloriebomber for det hungrende zooplankton.

Det kemiske spor dannes, fordi bakterier nedbryder snefnugget og derved taber opløst organisk stof, som tegner et kemisk spor i vandet efter det synkende fnug.

Vandrer fra København til Skagen

Planktonorganismer udnytter også kemisk information til at undgå at blive ædt. Det har længe været kendt, hvordan dafnier i ferskvand gemmer sig i dybet, hvis de kan lugte fisk. Men det er nyt, at planktonalger også kan ændre deres adfærd, når de lugter dyreplankton.

Mange alger danner kæder af sammenlænkede celler. Vi ved ikke altid, hvorfor de gør det - hvad fordelen er. Men nogle dinoflagellater foretager vandringer i havet:

De svømmer mod overfladen om dagen for at høste lys til fotosyntesen, og de svømmer ned i dybet om natten for at samle næringsstoffer, som forekommer rigeligt her. På den måde kan alger, der måler blot 25 mikrometer (tusindedele millimeter), vandre 10 meter op og ned hver dag.

På menneskeskala svarer det nogenlunde til en tur fra København til Skagen og tilbage igen – hver dag. Det er de kun i stand til, hvis de kobler sig sammen i kæder og forener deres kræfter i at svømme hurtigt:

Celler er mere udsatte i kæder

Celler i kæder svømmer en halv gang hurtigere end enkelte celler. Men det har en pris, idet det er nemmere for en vandloppe at finde en cellekæde end en enkelt celle.

Vi har nu vist, at dinoflagellaterne kobler sig af kæden, hvis de kan lugte vandlopper. Det samme gør visse kiselalger. Andre arter igen begynder at producere giftstoffer, hvis de lugter vandlopper, for derved at undgå at blive ædt.

Vi har nu (næsten) identificeret det molekyle, vandlopperne udskiller, og som algerne reagerer på. Vi ved ikke, hvad formålet med molekylet er, men det er helt sikkert ikke at advare byttet.

Kampstoffer som evolutionær strategi

Kemisk krigsførelse synes i det hele at være almindelig blandt havets mikroorganismer, men det er ikke altid forstået, hvordan det evolutionært er opstået hos planktonorganismer.

Bakterier elsker at sidde på overflader, for eksempel på marin sne, og fasthæftede bakterier sidder ofte i grupper, hvor alle naboer er genetisk identiske, dvs. er kloner. Hvis enkelte bakterieceller udskiller kampstoffer for at hindre andre arter i at kolonisere det forsvarede område, er det til gavn for alle de fasthæftede celler.

Det er en evolutionær stabil strategi, fordi de alle er genetisk identiske. Men hvad med fritsvævende planktonalger? De kan ligeledes udskille kampstoffer, og hvis en enkelt planktonalge gør det, vil det også gavne de naboer, der tilfældigvis er i nærheden.

Stadig meget at forstå om kampstoffer

Forskergruppen i Napoli har undersøgt slægtskabsforholdene mellem algeceller af samme art, der optræder i samme vandmasse, og det tyder ikke på, at der er nært slægtskab mellem cellerne.

Hvis det er omkostningsfyldt at producere kampstoffer, vil der opstå snydere – dvs. individer, der sparer udgifterne og nasser på de andre. Snyderne vil få overtaget, fordi de kan øge investeringen i reproduktion.

Det er populært sagt det, man kalder 'tragedy of the commons', og kampstoffer er ikke en evolutionær stabil strategi. Der mangler derfor stadig en forklaring på fænomenet. Noget andet er kampstoffer, der forbliver i cellen, og forhindrer dyreplanktonet i at æde cellen – her er det producenten selv, der høster fordelen.

Erkendelse og forretning

Havets mindste organismer er også de mest betydningsfulde. Mere end 90 procent af de biologiske processer i havet skyldes organismer, der er mindre end 1 millimeter store. De er af betydning for det globale klima, og deres produktion er grundlaget for fiskebestandene. Vi vil gerne udvikle modeller af marine økosystemer for at kunne vurdere effekter af miljø- og klimaændringer.

De fundamentale vekselvirkninger mellem havets mindste organismer styres, som det er fremgået, i vid udstrækning af kemiske signaler og informationer.

Korrekte modeller forudsætter en korrekt forståelse af de grundlæggende mekanismer. Derfor vil vi gerne kunne tyde mikroorganismernes kemiske sprog og sanseverden.

Der er tillige store kommercielle interesser i at forstå, identificere og udnytte havets kemiske signaler. Antibiotika og sygdomsbekæmpelse er velkendt og et kolossalt forskningsfelt, efterhånden også når det gælder marine organismer.

Der er et stort uudnyttet potentiale i aktive stoffer fra planktonalger. Og vi forsøger at identificere sex-feromoner hos vandlopper for at effektivisere kultiveringen af dem. Det er akvakultur-industrien meget interesseret i, fordi levende vandlopper er det bedste startfoder for fiskelarver.

Spændende videoer på internettet

På internettet findes der et utal af spændende videoer om emnet. Her er tre udvalgte film, som kan anbefales:

Her kan ses hvordan kiselalgeferomoner tiltrækker hanceller.

Her er flere videoer, der viser hvordan copepoder udnytter sex-feromoner.

Her er videoer af, hvordan copepoder forfølger kemiske spor fra synkende aggregater.