Cómo logran evitar la luz brillante los organismos unicelulares inmóviles
Demasiado de algo bueno no es bueno en absoluto. Los organismos vivos disfrutan de la luz solar (de hecho, la necesitan para mantenerse vivos), pero tienden a evitar la luz demasiado brillante. Los animales van a su refugio, los humanos duermen la siesta, incluso las plantas tienen mecanismos para evitar una sobredosis de luz.
Pero, ¿Cómo se las arreglan los organismos unicelulares inmóviles con una luz demasiado intensa? Investigadores de la Universidad de Ámsterdam han descubierto una sorprendente respuesta.
Su nombre científico completo es Pyrocystis lunula. Puede que nunca hayas oído hablar de esta alga unicelular, pero los marineros y pescadores conocen muy bien su efecto: las algas P. lunula son los organismos que ocasionalmente hacen que el mar brille de azul.
P. lunula es un ejemplo de dinoflagelado, un organismo unicelular que no puede moverse por sí solo. Su principal fuente de energía es la luz solar: al igual que las plantas, utiliza una estructura llamada cloroplasto para convertir la energía de la luz solar en energía química utilizable.
Las plantas que nos rodean utilizan una inteligente estrategia cuando están expuestas a una luz demasiado brillante: sus cloroplastos se reorganizan dentro de sus células y se cubren unos a otros, de tal manera que solo se absorbe la cantidad necesaria de luz y se evitan daños a las células.
P. lunula no puede utilizar la misma estrategia: tiene cloroplastos organizados en forma de una red compleja, lo que requiere una forma diferente de movimiento para evitar la luz brillante. Además, las algas no pueden alejarse fácilmente de la luz como lo hacen los animales y los humanos. Cómo logran lidiar estos organismos con cantidades excesivas de luz era un misterio científico. Un misterio que ahora ha sido resuelto.
Imagen: La red de cloroplastos de Pyrocystis lunula en su forma estirada, según la imagen que obtuvieron los investigadores.
Un cloroplasto flexible
Los biofísicos Nico Schramma, Gloria Casas Canales y Maziyar Jalaal idearon una inteligente forma de estudiar qué le sucede exactamente al cloroplasto de P. lunula cuando se expone a la luz. Utilizando microscopía, capturaron películas de la célula y su cloroplasto y luego ajustaron una red de nodos y bordes a su forma compleja utilizando algoritmos informáticos. Al hacer esto en condiciones de cambio de color e intensidad de la luz, pudieron seguir exactamente lo que estaba haciendo el cloroplasto de la célula.
Lo que descubrieron los investigadores fue que, si bien el cloroplasto no puede escapar de la luz intensa, puede minimizar su efecto encogiéndose. Cuando se expuso a una luz blanca brillante (esencialmente la luz de una tarde soleada), el cloroplasto de la célula se encogió hasta convertirse en una bola, reduciendo su tamaño en aproximadamente un 40% en cinco minutos. Cuando las condiciones de luz cambiaron a luz roja tenue, en media hora el cloroplasto había vuelto a su tamaño y forma originales.
Se descubrió que la estructura que permite que el cloroplasto realice estos cambios necesarios es una red de delgados filamentos. Juntos, estos filamentos forman un material que puede contraerse y expandirse fácilmente en todas las direcciones.
El punto clave es "en todas las direcciones": la mayoría de las estructuras que encontramos en la naturaleza no tienen esta propiedad. Si pisamos un limón, su altura disminuirá drásticamente, pero su tamaño aumentará en las otras direcciones, convirtiéndolo en un objeto con forma de disco que aún conserva una superficie considerable. P. lunula logra evitar este comportamiento natural.
Imagen derecha: Una esfera de Hoberman en sus formas colapsada y extendida. Crédito: Nico Schramma
La esfera de Hoberman de la naturaleza
La estructura que permite que el cloroplasto disminuya de tamaño en todas las direcciones es similar a la de una esfera de Hoberman, un diseño patentado por Chuck Hoberman en 1988 y utilizado en populares juguetes infantiles. Esta observación conecta la investigación de los físicos no sólo con la biología sino también con las matemáticas (más precisamente, la rama de las matemáticas conocida como topología) y con el diseño de materiales.
Recientemente se han estudiado intensamente materiales fabricados en laboratorio que poseen exactamente las sorprendentes propiedades que muestran la esfera de Hoberman y el cloroplasto de P. lunula, con todo tipo de aplicaciones en mente, por ejemplo, como "materiales inteligentes" que cambian significativamente sus propiedades al experimentar estímulos externos. Sorprendentemente, las soluciones inteligentes que los ingenieros y físicos idean en el laboratorio, resultan estar ahí, en la naturaleza viva.
Cuando se responde a una sola pregunta científica, a veces surgen muchas otras respuestas y descubrimientos. Éste podría ser el caso de la cuestión de cómo P. lunula y otros dinoflagelados logran evitar la luz brillante.
Su respuesta no sólo nos dice más sobre este diminuto organismo unicelular que ocasionalmente hace que el mar brille de color azul, sino que también nos enseña sobre las estructuras de la naturaleza, sobre cómo aplican matemáticas complejas y nos enseña valiosas lecciones que podemos aplicar al diseñar nuestros propios nuevos materiales.
La investigación se publica en Proceedings of the National Academy of Sciences: Light-regulated chloroplast morphodynamics in a single-celled dinoflagellate
