Movilidad inducida por inflación para la migración vertical de larga distancia
Muchos plancton viajan desde las frías y oscuras profundidades de nuestros océanos hasta la superficie, para luego volver a descender a la oscuridad en un ritmo perpetuo. Sin embargo sigue siendo un misterio, cómo el fitoplancton unicelular, la mayoría del cual no tiene apéndices que les ayuden a nadar, hace esta peregrinación.
En un nuevo artículo los investigadores describen una especie de fitoplancton bioluminiscente, llamada Pyrocystis noctiluca, que crece hasta alcanzar seis veces su tamaño original de unos pocos cientos de micrones.
Esta inflación masiva permite al plancton viajar hasta 200 metros hacia la superficie del océano para capturar la luz solar y luego hundirse, mostrando una estrategia única para los viajes oceánicos de larga distancia.
El fitoplancton es, en promedio, entre un 5 y un 10% más pesado que el agua de mar, lo que significa que si quiere permanecer en la superficie para realizar la fotosíntesis, tiene que encontrar una forma de vencer la gravedad.
"Decidimos trabajar en plancton que aparentemente no tiene apéndices para nadar", dice el autor principal Manu Prakash, biólogo marino y bioingeniero de la Universidad de Stanford.
"Lo que hemos descubierto en este artículo es que estas células de P. noctiluca son como pequeños submarinos que pueden controlar su densidad con tanta precisión que pueden elegir dónde quieren estar en la columna de agua".
En un barco de investigación frente a la costa de Hawái, Prakash y un investigador postdoctoral de la Universidad de Stanford, Adam Larson, uno de los primeros autores del estudio, se toparon con una floración de P. noctiluca y, sorprendentemente, encontraron dos tamaños muy diferentes en sus redes.
"Nos llevó un tiempo entender por qué, hasta que grabamos los vídeos en los que vimos cómo las células se inflaban de forma masiva", afirma Larson. "Puede suceder de forma bastante repentina, por lo que si duermes frente al microscopio durante 10 minutos, es posible que no lo notes".
Vídeo: Datos recopilados en el microscopio de seguimiento vertical a bordo del buque R/V Kilo Moana sobre el comportamiento de migración vertical de células nativas de Pyrocystis noctiluca recolectadas a una profundidad de 75 m frente a la costa de Hawái Crédito: Larson et al./Current Biology
Para comprobar qué efectos podría tener este rápido crecimiento sobre el plancton, el equipo de investigación utilizó su novedosa "máquina de gravedad".
"La máquina de gravedad nos permite ver una sola célula con resolución subcelular en una columna de agua infinita", afirma Prakash.
"Es un poco como una rueda de la fortuna para jerbos o ratones, pero para una sola célula. Tiene el tamaño de un plato de comida y gira, por lo que la célula no sabe que no está trepando o hundiéndose en su propio marco de referencia".
Al alterar la presión y la densidad del agua dentro de la máquina de gravedad, el equipo puede crear un entorno de realidad virtual que imita las profundidades del océano. Con la máquina, el equipo descubrió que las células infladas eran menos densas que el agua de mar circundante, lo que les permitía escapar de la atracción descendente de la gravedad y flotar hacia la superficie virtual.
Investigaciones posteriores demostraron que esta expansión ocurre como parte natural del ciclo celular del plancton. Una vez que un plancton unicelular se divide en dos, una estructura interna llamada vacuola, una especie de tanque de agua flexible, filtra agua dulce, lo que hace que las dos nuevas células crezcan enormemente en tamaño.
Estas dos células hijas, ahora hinchadas con el agua dulce más liviana, se desplazan hacia arriba. "Lo que nos dimos cuenta es que esta es una forma muy inteligente de lanzarse como una honda en el océano durante la división celular", dice Prakash.
"Entonces, ¿Qué sucede durante el tiempo normal? Se producen muchas proteínas, hay toneladas de luz solar y se genera mucha biomasa hasta que se vuelve más pesado y se hunde. Luego, se produce la división celular en aguas más profundas y se utiliza la inflación para volver al tamaño de la madre".
Imagen: Una célula individual que migra verticalmente (A) Pyrocystis noctiluca realiza una migración vertical de más de 50 m dentro de la zona eufótica inferior. Las poblaciones de células en división se centran 50 m por debajo de las células vegetativas.
El ciclo celular completo dura aproximadamente siete días, coincidiendo con la búsqueda vertical de luz y nutrientes por parte del plancton. "De esta manera se puede ver cómo podría haber evolucionado este ciclo celular", dice Prakash.
"Creo que esta es la primera vez que tenemos evidencia clara de que el ciclo celular, que es un mecanismo fundamental para controlar una célula y la división celular, posiblemente esté controlado por un parámetro ecológico".
Con estos conocimientos en mente, utilizando un marco teórico, el equipo descubrió el parámetro ecológico que actúa como un límite fundamental que impulsa esta evolución.
"Todas las células experimentan una atracción gravitatoria hacia abajo y, a menos que ellas o su descendencia posterior contraataquen, se hundirán para siempre en el fondo del océano en una trampa gravitatoria", dice el investigador postdoctoral Rahul Chajwa, el otro primer autor del estudio, también de la Universidad de Stanford.
Ahora, utilizando los resultados de la máquina de gravedad, así como sus observaciones ecológicas y fisiológicas, el equipo de investigación ha desarrollado un marco matemático que podría generalizarse y aplicarse a todo el plancton del océano.
Para proyectos futuros, el laboratorio de Prakash busca descubrir misterios ocultos de una gran cantidad de plancton que pueden usar la nueva bioquímica para regular la densidad y subir y bajar por la columna de agua.
"En este momento tenemos alrededor de 600 especies en nuestro Atlas del Comportamiento y estamos midiendo sistemáticamente todo tipo de mecanismos. Resulta que hay cuatro o cinco trucos diferentes que coevolucionan para esta función. Creo que uno de los aspectos realmente divertidos es que tenemos una larga lista de organismos para estudiar; porque hay millones de especies que viven en el océano, esto es la punta del iceberg".
La investigación se ha publicado el 17 de octubre en Current Biology: Inflation-induced motility for long-distance vertical migration
