Image
Ctenophora pulchella – bentisk kiselalg
Breadcrumb

Fotoniska egenskaper hos kiselalger

Forskningsprojekt
Active research
Project period
2019 - ongoing
Project owner
Institutionen för biologi och miljövetenskap

Short description

Kiselalger (diatoméer) är encelliga mikroskopiska alger med cellväggar (frustuler) av kiseldioxid. Frustulerna har mikro/nanoporer arrangerade i artspecifika mönster genom vilka utbyte med omgivningen sker (näring, gaser, vatten etc). Bakomliggande teori är att diatoméernas fotoniska egenskaper är artspecifika och baseras på olika morfologiska karaktärer samt den ljusinstrålning de evolutionärt sett varit utsatta för. Genom avancerade optiska mätningar undersöker vi hur olika typer av frustulers porgeometri interagerar med ljus av olika våglängder.


Kiselalger som också kallas diatoméer är encelliga mikroskopiska alger med cellväggar som består av kiseldioxid plus en liten del vatten. Cellen består av två halvor, som en burk med lock. I kiselväggen,"skalet" som benämns frustul, finns det små (mikrometer till nanometer stora) porer som arrangeras i ettmönster som är specifikt för varje art. Dessa mönster är väldigt skulpturala och kiselalger kan med rättakallas havets juveler. Genom porerna har kiselalgen sitt utbyte med omgivningen, t ex näringsupptag och utsöndring av avfallsämnen, men frustulen fungerar också som ett mekaniskt skydd och ett filter.

Morfologisk detalj av bentisk kiselalg.
Photo: Adil Yousif Al-Handal

Man talar om alltifrån 20 000 till 2 miljoner arter. Nya arter hittas hela tiden. Storleken kiselalgernavarierar från enstaka mikrometer till en halv millimeter. Fossil indikerar att kiselalger har funnits i ca 200miljoner år. Man delar in kiselalgerna i två större grupper baserad morfologi, de centriska som ärevolutionärt äldst och främst hittas i den fria vattenmassan och de pennata som divergerade från decentriska för ca 90 miljoner år sedan och dominerar i bottenlevande ekosystem samt i havsis.

Det har visat sig att frustulernas mikro- och nanoporer effektivt interagerar med ljus, huvudsakligengenom olika diffraktionsprocesser (ljusböjande egenskaper) som samlar det synliga ljuset i mycket små kallade "hotspots". Vidare har man observerat att som ett resultat av kiselalgernas nanoporösamönster i denna kiselmatris kan de fotoluminiscera, dvs återutsöndra ljus av annan våglängd än dende belystes med. Således kan frustulerna med sitt komplexa pormönster, designad genom evolutionensårmiljoner, inte bara fungera som mekaniskt skydd eller filter mot omgivningen, utan också som mycketeffektiva ljusinsamlare (trattar) vilket kan förklara kiselalgernas effektiva fotosyntes i både svagt och starktljus. Vad gäller skadlig ultraviolett ljus verkar det som att frustulerna kan fungera som ett visstsolskydd, detta genom flera olika processer som vi i detta projekt vill identifiera och detaljstudera. Detskulle kunna vara en förklaring till att kiselalger i motsats till flera andra mikroalgsgrupper verkar varatoleranta mot UV-strålning trots att kiselalgerna i de flesta fall saknar UV-absorberande ämnen (t expigment analoga med melanin i vår hud).

Kloroplaster hos bentisk kiselalg, fotograferad med konfokalmikroskop.
Photo: Angela Wulff

Detta projekt är ett samarbete mellan forskare från olika discipliner främst inom biologi, fysik och teknik.Den bakomliggande teorin är att kiselalgernas fotoniska egenskaper är artspecifika och baseras på derasolika morfologiska karaktärer samt den ljusinstrålning de evolutionärt sett varit utsatta för. Vi förutser en generell skillnad mellan de äldsta centriska vs de evolutionärt yngre pennata grupperna. Särskilt menar viatt denna skillnad ska vara uppenbar när frustulerna och de intakta cellerna exponeras för solljusetsultravioletta delar. Vi studerar olika typer av frustuler och genom avancerade optiska mätningar studerar vi hur porgeometrin fungerar som både ljusinsamlare, ljusuppdelare och ljusskydd. Genom biologiskaexperiment utsätter vi också valda arter för ökad intensitet av UV-strålning och genom både ekofysiologiska mätningar och tillväxtmätningar jämför vi arter med olika ursprung och morfologi samtrelaterar detta till frustulernas (porgeometrins) potentiella UV-skydd.

I stort kan man säga att alla de fotoniska egenskaper man kan hitta i kiselalgernas frustuler gällande bådeultraviolett strålning, synligt ljus och infrarött ljus, kan potentiellt användas i olika tekniska applikationersåsom mikro- och nanosensorer i optokemiska sensorer och biosensorer liksom nanolinser och UV-skyddande material/tillämpningar. Ett aktuellt område är att öka effektiviteten hos solceller där tester för närvarande pågår i både Sverige, liksom inom och utom Europa.

Utbildning

Vill du lära dig mer om alger och havet men kanske inte har möjlighet att gå en längre biologiutbildning? Angela Wulff är en engagerad lärare och leder två kurser inom ämnena. Inga specifika förkunskaper krävs.