DMS (P): die erstaunliche Geschichte eines durchdringenden Indikatormoleküls im marinen Nahrungsnetz

Zu Ehren des Chemietags hier im Blognetz habe ich ausgegraben einen Artikel über ökologische Chemie aus den Archiven von Culturing Science umgeschrieben. Genießen!

Dimethylsulfid.Bedeutet dir dieses Wort etwas? "Warum ja", sagen die Nerds der organischen Chemie, "es ist eindeutig ein Schwefelmolekül mit zwei Methylgruppen." Soweit ich hätte kommen können - bis in die vergangene Woche (19. Juli 2010), als ich mich mit Informationen über Dimethylsulfid (DMS) überschwemmte, inspiriert von einem Artikel, das in veröffentlicht wurde Wissenschaft. Jetzt bin ich aufgeklärt - was für ein wunderbares Molekül! Lassen Sie mich es für Sie verderben: Es ist ein chemisches Stichwort, das das gesamte Nahrungsnetz der Meere durchdringt und auch das Klima der Erde beeinflusst. (Siehe Abbildung unten im Beitrag für eine Zusammenfassung.) Richtig. Nur ein Schwefelmolekül mit zwei Methylgruppen. Jetzt lass uns ein wenig zurückgehen.

DMS ist eine Schwefelverbindung, die etwa 60% des gesamten natürlichen reduzierten Schwefelflusses in die Atmosphäre ausmacht (sogar mehr als entweder Vulkane oder Vegetation). (Die Daten wurden im Januar 2011 aktualisiert.) Wir neigen dazu, atmosphärischen Schwefel als schädlich zu betrachten, da er sauren Regen verursachen kann. Es spielt aber auch eine wichtige Rolle, da es Wolken bildet. Damit Wasser von Gas zu einer flüssigen Wolke in der Atmosphäre übergehen kann, muss es an einem anderen Teilchen haften bleiben: an einem Wolkenkondensationskern. Schwefeloxid, das von DMS abgeleitet werden kann, ist eines dieser Partikel. Wolken transportieren nicht nur Niederschlag, sondern reflektieren Sonnenlicht und Wärme zurück in den Weltraum und kühlen unseren Planeten.

Nachdem die Wissenschaftler ihre Bedeutung als Kern der Wolkenkondensation erkannt hatten, begannen sie, nach der planetaren Quelle von DMS zu suchen. Sie fanden heraus, dass 95% des atmosphärischen DMS aus den Ozeanen stammt - aber woher? Wie in meiner Zeichnung auf der rechten Seite dargestellt, wird sie in bestimmten Arten von Phytoplankton gebildet. Phytoplankton wandelt ihre zellulären Schwefelvorräte in ein Molekül um, das als DMSP bezeichnet wird. Wenn die Zellwand zusammenbricht, oft durch den Verzehr von Pflanzenfressern, setzt das Phytoplankton DMSP und ein Enzym, DMSP-Lyase, in das umgebende Wasser frei. Diese DMSP-Lyase entfernt die Phosphatgruppe und hinterlässt uns damit unser Lieblingsmolekül des Tages, DMS.

Der notorische Biochemiker James Lovelock und eine Handvoll seiner Lakaien bauten 1987 DMS in die atmosphärische Großtheorie in die CLAW-Hypothese (benannt nach seinen Autoren) ein, um seine Gaia-Hypothese zu unterstützen. Die Gaia-Hypothese legt nahe, dass Mikroorganismen das Klima der Erde regulieren, um lebenswerte Bedingungen zu gewährleisten. CLAW vermutete, dass ein zu warmes Klima dazu führt, dass Phytoplankton größere Mengen an DMSP produziert, um DMS in die Atmosphäre freizusetzen, Sonnenlicht abzulenken und eine globale Abkühlung zu bewirken. Wie die meisten Befürworter der Gaia-Hypothese verlangt CLAW jedoch, dass das Phytoplankton altruistisch wirkt und das DMS zum Wohl des Planeten hochreguliert - ein Konzept, das angesichts der natürlichen Selektion wenig Sinn macht. (Eine gute Besprechung dieses und der obigen Abschnitte finden Sie in diesem Artikel von Rafel Simo.)

Anstatt zu überlegen, warum Phytoplankton DMSP freisetzt, erschien ein Artikel in Wissenschaft In dieser Woche (16. Juli 2010) von Justin Seymour, Rafel Simo und anderen wird der Einfluss von DMSP auf die kleinsten Grasfresser untersucht: Mikroben. Die Forscher verwendeten ein Mikrofluid-Gerät, um die Diffusion von DMSP in Meerwasser zu kontrollieren, und versuchten, ihre Bewegung im offenen Ozean nach besten Kräften nachzuahmen. Sie haben die Stärke der Anziehung von 4 verschiedenen Arten von Mikroben (7 Arten) zu unterschiedlichen Konzentrationen von DMSP gemessen.

Die getesteten Organismen wechselten auf unterschiedliche Weise mit dem Molekül. Eine Algenart und zwei Bakterien nahmen es auf, vermutlich wegen seines Kohlenstoffs und Schwefels. Eine Alge reagierte nicht und die andere spaltete das DMSP in DMS und assimilierte das. Die letzten beiden Planktonarten bewegten sich in Richtung des DMSP, nicht weil sie das Molekül verzehren wollten, sondern weil sie sich von denen ernähren wollten, die sich näherten. Ein pflanzenfressender Plankter Oxyrrhis Marina verschlang die köderten Algen, und ein räuberischer Plankter aß die Bakterien, die das DMSP verzehrten.

Dieser letzte Teil ist der interessanteste: Das DMSP ist ein chemisches Signal, das diese beiden letzten Spezies zu ihrem Planktonfutter zog. Von all den Molekülen, die aus der geplatzten Zelle austreten und auf Beute hinweisen könnten, ist genau dieses Molekül, DMSP, der Trick.

Die Geschichte endet nicht hier, da DMSP auch auf höheren trophischen Niveaus als Beutekennzeichen wirkt. Ein 2008 Wissenschaft Papier von UC-Davis und UNC fand heraus, dass sich planaktivoröses Fischaggregat in der Nähe von DMSP-Hotspots befand. Darüber hinaus überprüfte Gabrielle Nevitt 2008 die Literatur darüber, wie Seevögel (Order: Procellariiformes) Fische und Tintenfische aufspüren, indem sie DMSP riechen - und die Beute selbst nachspürte, um ihre eigene Beute zu finden. Ein ähnliches Muster wurde auch bei Robben und Walhaien beobachtet.

Alle diese verschiedenen Arten entwickelten die Fähigkeit, DMSP von allen Molekülen zu erfassen, um sie in Richtung Nahrung zu ziehen. Warum DMSP? Es hat etwas Besonderes zu bieten, was andere Moleküle nicht tun: Schwefel. Wir alle kennen diesen Geruch, und vielleicht ist es diese Stinkheit, die ihn zu einem allgegenwärtigen Indikator im gesamten marinen Nahrungsnetz gemacht hat. In ihrem Beitrag diskutiert Nevitt die Entwicklung der DMS-Empfindlichkeit bei Seevögeln. Anhand von evolutionären Bäumen weist sie darauf hin, dass nur Erwachsene, die allein auf Geruch angewiesen sind, um Lebensmittel in dunklen Höhlen zu identifizieren, als Erwachsene DMS-Empfindlichkeit aufweisen.

Es ist verlockend, noch weiter zu springen und zu überlegen, wie diese Raubtier-Beute-Beziehungen das DMS-beeinflusste Klima beeinflussen. Ich bezweifle, dass wir direkte Folgen aufführen können. Die Autoren der Wissenschaft Auf dem Papier wird darauf hingewiesen, dass "mikrobielles Verhalten, das sich über mikroskalige chemische Landschaften ausspielte, planktonische Nahrungsnetze formt und möglicherweise das Klima auf globaler Ebene beeinflusst." DMS könnte eine positive Rückkopplungsschleife erzeugen: Seine anfängliche Freisetzung zieht Pflanzenfresser an, um mehr Zellen zu öffnen, und erhöhtes DMSP, wodurch wiederum mehr Pflanzenfresser ad infinitum gezogen werden.

Einige Studien deuten darauf hin, dass klimatische Variablen wie Licht, Temperatur und Salzgehalt bestimmen, welche Arten gedeihen und wie viel DMSP produziert wird (Übersicht von Stefels et al. Hier). Es scheint mir jedoch, dass DMS-as-prey-cue und DMS-as-klimaregulierende Prozesse nicht miteinander verbunden sind und daher nicht auf vorhersehbare Weise zusammenarbeiten würden. Wie alle Biogeochemiker wissen, kommt der Stoff der Luft häufig aus dem Stoff, in dem wir leben, und zwar in Boden und Wasser. Dies ist einfach ein weiteres Beispiel dafür, wie Mikroben und abiotische Substanzen an klimaregulierende Moleküle gebunden werden.

(Sidenote: Soll ich die strikte Wissenschaft aufgeben und ein Wissenschaftsillustrator werden?)

DeBose, J., Lema, S. & Nevitt, G. (2008). Dimethylsulfoniopropionat als Suchtreffer für Reef Fishes Science, 319 (5868), 1356-1356 DOI: 10.1126 / science.1151109

Nevitt, G. (2008). Sinnesökologie auf hoher See: Die Geruchswelt der prokellariiformen Seevögel Journal of Experimental Biology, 211 (11), 1706-1713 DOI: 10.1242 / jeb.015412

Seymour, J., Simo, R., Ahmed, T. & Stocker, R. (2010). Chemoattraktion zu Dimethylsulfoniopropionat in der gesamten Marine Microbial Food Web Science, 329 (5989), 342-345 DOI: 10.1126 / science.1188418

Simó, R. (2001). Produktion von atmosphärischem Schwefel durch ozeanisches Plankton: biogeochemische, ökologische und evolutionäre Verbindungen Trends in Ecology & Evolution, 16 (6), 287-294 DOI: 10.1016 / S0169-5347 (01) 02152-8

Stefels, J., Steinke, M., Turner, S., Malin, G. & Belviso, S. (2007). Umweltbedingte Einschränkungen bei der Produktion und Entfernung des klimatisch aktiven Gases Dimethylsulfid (DMS) und Auswirkungen auf die ÖkosystemmodellierungBiogeochemie, 83 (1-3), 245-275 DOI: 10.1007 / s10533-007-9091-5

Van Alstyne, K., Wolfe, G., Freidenburg, T., Neill, A. & Hicken, C. (2001). Aktivierte Abwehrsysteme in marinen Makroalgen: Nachweis für eine ökologische Rolle bei der DMSP-Spaltung Marine Ecology Progress Series, 213, 53-65 DOI: 10.3354 / meps213053

G. V. Wolfe, M. Steinke und G. O. Kirst (1997). Weiden aktivierte chemische Abwehr in einer einzelligen MeeresalgeNature, 387, 894-897

Die geäußerten Ansichten sind die des Autors und sind nicht notwendigerweise die.

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