Nuevos hallazgos pueden ayudar a los investigadores a perfeccionar las predicciones sobre dónde migrará el fitoplancton con el cambio climático
Los Prochlorococcus son los organismos fotosintetizadores más pequeños y abundantes del planeta. Una sola célula de Prochlorococcus es eclipsada por un glóbulo rojo humano, sin embargo, a nivel global, los microbios se cuentan en octillones y son responsables de una gran fracción de la producción mundial de oxígeno, ya que convierten la luz solar en energía.
Los Prochlorococcus se puede encontrar en las cálidas aguas superficiales del océano y su población desciende drásticamente en las regiones más cercanas a los polos. Los científicos han asumido que, como ocurre con muchas especies marinas, el rango de Prochlorococcus está determinado por la temperatura: cuanto más frías están las aguas, es menos probable que los microbios vivan allí.
Pero los científicos del Massachusetts Institute of Technology (MIT) han descubierto que el lugar donde vive el microbio no está determinado principalmente por la temperatura. Si bien las poblaciones de Prochlorococcus disminuyen en aguas más frías, es una relación con un depredador compartido, y no la temperatura, lo que establece el rango del microbio. Estos hallazgos, publicados hoy en Proceedings of the National Academy of Sciences, podrían ayudar a los científicos a predecir cómo cambiarán las poblaciones de microbios con el cambio climático.
"La gente asume que si el océano se calienta, el Prochlorococcus se moverá hacia los polos. Y eso puede ser cierto, pero no por la razón que predicen", dice la coautora del estudio, Stephanie Dutkiewicz, científica investigadora principal del Departamento de Ciencias Terrestres, Atmosféricas y Planetarias (EAPS) del MIT. "Entonces, la temperatura es una pista falsa".
Los coautores del estudio de Dutkiewicz son el autor principal y científico investigador de EAPS Christopher Follett, el profesor de EAPS Mick Follows, François Ribalet y Virginia Armbrust de la Universidad de Washington, y Emily Zakem y David Caron de la Universidad del Sur de California en Los Ángeles.
Colapso de la temperatura
Si bien se cree que la temperatura establece el rango del Prochloroccus y otro fitoplancton en el océano, Follett, Dutkiewicz y sus colegas notaron una curiosa disonancia en los datos.
El equipo examinó las observaciones de varios cruceros de investigación que navegaron por el noreste del Océano Pacífico en 2003, 2016 y 2017. Cada barco atravesó diferentes latitudes, muestreando aguas continuamente y midiendo concentraciones de varias especies de bacterias y fitoplancton, incluido de Prochlorococcus.
El equipo del MIT utilizó los datos de cruceros archivados públicamente para trazar un mapa de las ubicaciones donde el Prochlorococcus disminuyó o colapsó notablemente, junto con la temperatura del océano de cada ubicación. Sorprendentemente, encontraron que el colapso del Prochlorococcus ocurrió en regiones de temperaturas muy variables, que van desde alrededor de 13 a 18 grados Celsius. Curiosamente, se ha demostrado en experimentos de laboratorio que el extremo superior de este rango son las condiciones adecuadas para que el Prochlorococcus crezca y prospere.
"La temperatura en sí misma no pudo explicar dónde vimos estos descensos", dice Follett.
Follett también estaba elaborando una idea alternativa relacionada con el Prochlorococcus y el suministro de nutrientes. Como subproducto de su fotosíntesis, el microbio produce carbohidratos, un nutriente esencial para las bacterias heterótrofas, que son organismos unicelulares que no realizan la fotosíntesis sino que viven de la materia orgánica producida por el fitoplancton.
"En algún momento del camino, me pregunté, ¿Qué pasaría si esta fuente de alimento Prochlorococcus estuviera produciendo aumentada? ¿Y si tomamos este pomo y lo hacemos girar?", dice Follett.
En otras palabras, ¿Cómo cambiaría el equilibrio de Prochlorococcus y bacterias si la comida de las bacterias aumentara como resultado de, digamos, un aumento en otro fitoplancton productor de carbohidratos? El equipo también se preguntó: si las bacterias en cuestión fueran aproximadamente del mismo tamaño que el Prochlorococcus, es probable que los dos compartan un herbívoro o un depredador común. ¿Cómo cambiaría también la población de herbívoros con un cambio en el suministro de carbohidratos?
"Luego fuimos a la pizarra y comenzamos a escribir ecuaciones y resolverlas para varios casos, y nos dimos cuenta de que tan pronto como se llega a un entorno en el que otras especies agregan carbohidratos a la mezcla, las bacterias y los herbívoros crecen y aniquilan el Prochlorococcus", dice Dutkiewicz.
Cambio de nutrientes
Para probar esta idea, los investigadores emplearon simulaciones de la circulación oceánica y las interacciones de los ecosistemas marinos. El equipo ejecutó el MITgcm, un modelo de circulación general que simula, en este caso, las corrientes oceánicas y las regiones de aguas de surgencia en todo el mundo. Superpusieron un modelo biogeoquímico que simula cómo se redistribuyen los nutrientes en el océano. A todo esto, vincularon un modelo de ecosistema complejo que simula las interacciones entre muchas especies diferentes de bacterias y fitoplancton, incluido el Prochlorococcus.
Cuando ejecutaron las simulaciones sin incorporar una representación de bacterias, encontraron que el Prochlorococcus persistía hasta los polos, contrariamente a la teoría y las observaciones. Cuando agregaron las ecuaciones que describen la relación entre el microbio, las bacterias y un depredador compartido, el rango del Prochlorococcus se alejó de los polos, coincidiendo con las observaciones originales de los cruceros de investigación.
En particular, el equipo observó que el Prochlorococcus prosperaba en aguas con niveles muy bajos de nutrientes y donde es la fuente dominante de alimento para las bacterias. Estas aguas también resultan ser cálidas, y el Prochlorococcus y las bacterias viven en equilibrio, junto con su depredador común. Pero en entornos más ricos en nutrientes, como las regiones polares, donde el agua fría y los nutrientes surgen de las profundidades del océano, pueden prosperar muchas más especies de fitoplancton. Las bacterias pueden darse un festín y crecer con más fuentes de alimentos y, a su vez, alimentar y cultivar más de su depredador compartido. El Prochlorococcus, incapaz de mantenerse al día, es rápidamente diezmado.
Los resultados muestran que una relación con un depredador compartido, y no la temperatura, establece el rango del Prochlorococcus. La incorporación de este mecanismo en los modelos será crucial para predecir cómo el microbio, y posiblemente otras especies marinas, cambiará con el cambio climático.
"El Prochlorococcus es un gran presagio de cambios en el océano global", dice Dutkiewicz. "Si su rango se expande, es un canario, una señal de que las cosas han cambiado mucho en el océano".
"Hay razones para creer que su gama se expandirá con un mundo que se calienta", agrega Follett. "Pero tenemos que comprender los mecanismos físicos que establecen estos rangos. Y las predicciones basadas únicamente en la temperatura no serán correctas".
La investigación "Trophic interactions with heterotrophic bacteria limit the range of Prochlorococcus" se ha publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences
Imagen de cabecera: El lugar donde vive el microbio Prochlorococcus, representado en verde, no está determinado principalmente por la temperatura, como se pensaba anteriormente. Un estudio del MIT encuentra que una relación con las bacterias, el violeta, y un depredador compartido, el naranja, en realidad establece el rango del microbio.
