Diferentes sustancias químicas rodean a las diminutas algas en múltiples capas
Las interacciones entre las células microscópicas de las algas y las bacterias en los océanos desempeñan un papel fundamental en el ciclo global del carbono. Investigadores de la ETH Zúrich han dado un importante paso para descifrar el lenguaje químico que rige estas interacciones.
Debido a su pequeño tamaño, la importancia de las microalgas suele subestimarse. Sin embargo, realizan aproximadamente la mitad de la fotosíntesis global, igualando fácilmente la productividad de todas las plantas terrestres juntas. Además, las microalgas —también conocidas como fitoplancton— constituyen la base de la mayoría de las redes tróficas oceánicas.
Cada célula fotosintéticamente activa libera una gran cantidad de sustancias orgánicas, que se desplazan gradualmente desde la célula hacia el agua de mar circundante. Posteriormente, se forma una pequeña nube de diversas sustancias alrededor de cada microalga.
Los investigadores lo denominan ficósfera. Es el lugar donde las microalgas y las bacterias tienen mayor probabilidad de interactuar. Estas interacciones dan forma al ciclo del carbono en los océanos.
Mapeo del entorno químico
La ficósfera contiene señales químicas que pueden ser detectadas por una amplia gama de bacterias. Estas bacterias siguen el rastro de dichas sustancias para desplazarse hacia las microalgas, donde intercambian con ellas materia orgánica que contiene carbono.
"La ficósfera es uno de los mercados más importantes para el carbono orgánico en los océanos", afirma Roman Stocker, profesor del Instituto de Ingeniería Ambiental de la ETH Zúrich.
Investigaciones anteriores asumían que este mercado seguía las leyes de la difusión simple, donde todas las sustancias se dispersaban de manera similar, mostrando concentraciones más altas en el entorno inmediato de las microalgas y disminuyendo gradualmente a medida que aumentaba la distancia a la célula fotosintética.
Ahora, el equipo dirigido por Stocker ha medido, por primera vez, las concentraciones de dicha sustancia, conocida como fucoxantina, en las inmediaciones de células individuales de microalgas vivas. Utilizaron una sofisticada técnica llamada microespectroscopia Raman para mapear con precisión el entorno químico alrededor del fitoplancton.
Como una cebolla
Para su sorpresa, descubrieron que la concentración de fucoxantina aumenta mucho más bruscamente cerca de la célula de fitoplancton de lo esperado. Esto indica que la ficósfera consta de múltiples capas. Estas capas se envuelven como la piel de una cebolla alrededor de las microalgas en el centro, creando envolturas esféricas cada vez más grandes. Las propiedades químicas de las sustancias liberadas determinan hasta dónde se extiende cada capa.
Los investigadores concluyeron que existían significativas diferencias entre las sustancias: solo las sustancias solubles en agua, como los azúcares y los aminoácidos, se comportan como se espera de la difusión simple. Su concentración disminuye muy gradualmente a medida que aumenta la distancia a las microalgas.
Esto difiere de sustancias repelentes al agua como la fucoxantina, un pigmento fotosintético clave en muchas microalgas. Esta sustancia permanece altamente concentrada cerca de las microalgas, y sus niveles disminuyen drásticamente a unos 10 micrómetros de la superficie celular.
¿Cómo es posible? Zachary Landry y Riccardo Foffi, los dos autores principales del estudio, descubrieron que la responsable podría ser una fina capa de mucosidad que rodea las microalgas.
La doble función de la mucosidad
Según los investigadores, una capa de mucosa envuelve las microalgas e influye en la dispersión de ciertas sustancias. "Ayuda a que las sustancias hidrófugas se dispersen en el agua", explica Foffi. Al mismo tiempo, la mucosidad retiene estas moléculas, impidiendo que se alejen de la célula y dando como resultado concentraciones significativamente más altas cerca de la superficie celular.
"Como resultado, se generan señales químicas mucho más fuertes", añade Landry. "Esto facilita que las bacterias localicen las diminutas células de microalgas en el océano".
Esto supone un cambio fundamental en nuestra comprensión de la ficósfera. Los investigadores destacan que sus hallazgos tienen significativas implicaciones para los modelos de interacción entre el fitoplancton y las bacterias. También hacen hincapié en que la investigación experimental exhaustiva sigue siendo crucial, incluso a medida que el campo depende cada vez más de los modelos informáticos.
El estudio revela que el área que rodea inmediatamente a las microalgas es mucho más compleja de lo que se creía. Estos nuevos hallazgos podrían mejorar nuestra comprensión de las interacciones entre microalgas y bacterias, y por ende, de un aspecto crucial del ciclo del carbono en los océanos.
Los investigadores presentan sus hallazgos en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences: Raman imaging of the phycosphere reveals sharp gradients of organic matter exuded by single phytoplankton cells
