Ofrece una visión sin precedentes de la fotosíntesis de los corales en microescalas
Los intrincados y ocultos procesos que sustentan la vida de los corales están siendo revelados a través de un nuevo microscopio desarrollado por científicos del Instituto Scripps de Oceanografía de la Universidad de California en San Diego.
El microscopio operado por buzos, llamado Benthic Underwater Microscope Imaging PAM, o BUMP, incorpora técnicas de luz modulada por amplitud de pulso (PAM) para ofrecer una visión sin precedentes de la fotosíntesis de los corales en microescalas.
En un nuevo estudio, los investigadores describen cómo el sistema de imágenes BUMP permite estudiar la salud y la fisiología de los arrecifes de coral en su hábitat natural, impulsando esfuerzos de larga data para descubrir con precisión por qué se blanquean los corales.
Los ingenieros e investigadores marinos del Laboratorio Jaffe de Imágenes Subacuáticas de Scripps Oceanography diseñaron y construyeron el microscopio de última generación. El microscopio ya está aportando nuevos conocimientos sobre la relación entre los corales y las microalgas simbióticas que sustentan su salud, revelando por primera vez lo bien que las algas individuales realizan la fotosíntesis dentro del tejido coralino.
"Este microscopio es un enorme salto tecnológico en el campo de la evaluación de la salud de los corales", dijo Or Ben-Zvi, investigador postdoctoral en Scripps Oceanography y autor principal del estudio. "Los arrecifes de coral están deteriorándose rápidamente, perdiendo sus algas simbióticas fotosintéticas en un proceso conocido como blanqueamiento coralino. Ahora contamos con una herramienta que nos permite examinar estas microalgas dentro del tejido coralino, de forma no invasiva y en su entorno natural".
Imagen derecha: Coral visto con el Benthic Underwater Microscope Imaging (BUMP)
Los corales son animales constructores de arrecifes que no pueden realizar la fotosíntesis por sí solos. En cambio, dependen de las microalgas que viven en sus tejidos para que la realicen. Estas algas simbióticas utilizan la luz solar, el dióxido de carbono y el agua para producir oxígeno y azúcares ricos en energía que favorecen el crecimiento de los corales y la formación de arrecifes.
Con apenas 10 micrómetros de diámetro, o aproximadamente una décima parte del ancho de un cabello humano, estas algas son demasiado pequeñas para ser vistas a simple vista. Cuando los corales se ven afectados por el calentamiento de las aguas o las malas condiciones ambientales, pierden estas microalgas, lo que provoca una palidez ("blanqueamiento coralino") y, finalmente, su inanición. Aunque este proceso es conocido, los científicos no comprenden completamente las razones, y no ha sido posible estudiarlo en el campo a escalas adecuadas, hasta ahora.
El nuevo sistema de imágenes se basa en tecnología previa desarrollada por el Laboratorio Jaffe, en particular el Microscopio Bentónico Subacuático, o BUM, de 2016. El componente principal del BUMP es una unidad de microscopio que se controla a través de una pantalla táctil y se alimenta mediante una batería. A través de una serie de lentes de gran aumento y luces LED enfocadas, el microscopio recoge imágenes y vídeos de colores vivos y fluorescencia, y ahora tiene la capacidad de medir la fotosíntesis y mapearla en mayor resolución a través de escaneos focales.
Vídeo: Andrew Mullen, estudiante de posgrado de Oceanografía Scripps, analiza la investigación que se lleva a cabo con el Microscopio Bentónico Subacuático, un instrumento desarrollado recientemente por el Laboratorio Jaffe de Imágenes Subacuáticas del Instituto Scripps de Oceanografía de la Universidad de California en San Diego. Crédito: Instituto Scripps de Oceanografía de la Universidad de California en San Diego.
Con esta herramienta, los científicos están literalmente arrojando luz sobre los procesos biológicos subacúaticos, utilizando técnicas de medición de luz PAM para visualizar la fluorescencia y medir la fotosíntesis, y utilizando imágenes para crear escaneos 3D de alta resolución de los corales.
Al observar los corales al microscopio, la fluorescencia roja se atribuye a la presencia de clorofila, un pigmento fotosintético presente en las microalgas. Con la técnica PAM, se mide la fluorescencia roja, lo que proporciona un índice de la eficiencia con la que las microalgas utilizan la luz para producir azúcares.
La fluorescencia cian/verde, concentrada alrededor de áreas específicas como la boca y los tentáculos del coral, se atribuye a proteínas fluorescentes especiales producidas por los propios corales y desempeñan múltiples funciones en las funciones vitales del coral.
La herramienta es lo suficientemente pequeña como para caber en una maleta de mano y lo suficientemente liviana como para que un buzo la transporte hasta el fondo marino sin necesidad de asistencia desde un barco. En colaboración con el Laboratorio Smith de Scripps Oceanography, Ben-Zvi, un biólogo marino, probó y calibró el instrumento en varios puntos críticos de arrecifes de coral alrededor del mundo: Hawaii, el Mar Rojo y el atolón Palmyra.
Al mirar a través del microscopio, se sorprendió de lo activos que eran los corales, notando que cambiaban su volumen y forma constantemente. El Laboratorio Jaffe ya había documentado previamente un comportamiento de los corales que parece besarse o pelearse, y Ben-Zvi pudo añadir a la mezcla algunas observaciones nuevas, como ver un pólipo de coral que aparentemente intentaba capturar o eliminar una partícula que pasaba, contrayendo rápidamente sus tentáculos.
Imagen: Vídeo con iluminación blanca del coral Porites, tomado in situ en Maui, Hawái, bajo luz ambiental. En el video, el pólipo superior izquierdo reacciona contrayendo sus tentáculos a una partícula que lo atraviesa. Crédito: Or Ben-Zvi
"Cuanto más tiempo pasemos con este microscopio, más esperamos aprender sobre los corales y por qué hacen lo que hacen en ciertas condiciones", dijo Ben-Zvi. "Estamos visualizando la fotosíntesis, algo nunca antes visto a las escalas que examinamos, y eso parece magia".
Como los científicos pueden llevar el instrumento directamente a los sitios de estudio submarinos, su trabajo no es invasivo: no necesitan recolectar muestras ni siquiera tocar los corales.
"Obtenemos mucha información sobre su salud sin necesidad de interrumpir la naturaleza", dijo Ben-Zvi. "Es como una enfermera que te toma el pulso y te dice qué tan bien estás. Nosotros comprobamos el pulso del coral sin inyectarlo ni hacerle ningún procedimiento invasivo".
Imagen derecha: Imagen del coral Stylophora pistillata tomada con el nuevo microscopio BUMP. Cada pólipo tiene una boca y un conjunto de tentáculos, y los puntos rojos son microalgas individuales que residen en el tejido coralino. Crédito: Or Ben-Zvi
Los investigadores afirmaron que los datos recopilados con el nuevo microscopio pueden revelar señales de alerta temprana que aparecen antes de que los corales sufran daños irreversibles debido a eventos del cambio climático global, como las olas de calor marinas. Estos conocimientos podrían ayudar a orientar las estrategias de mitigación para proteger mejor a los corales.
Más allá de los corales, la herramienta tiene un amplio potencial para estudiar otros organismos marinos de pequeña escala que realizan la fotosíntesis, como las crías de algas. Varios investigadores de Scripps Oceanography ya utilizan el sistema de imágenes BUMP para estudiar las primeras etapas de la vida de las esquivas algas gigantes en las costas de California.
"Dado que la fotosíntesis en el océano es importante para la vida en la Tierra, se pueden imaginar muchas otras aplicaciones con esta herramienta, incluso aquí mismo, frente a la costa de San Diego", dijo Jaffe.
El estudio se ha publicado en Methods in Ecology and Evolution: The Benthic Underwater Microscope imaging PAM (BUMP): A non-invasive tool for in situ assessment of microstructure and photosynthetic efficiency
