updated 1:27 PM CET, Dec 5, 2016

El fitoplancton usa las turbulencias para viajar a reuniones sociales

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células móviles y no móviles en una turbulencia

Así mejoran potencialmente la reproducción sexual y otras actividades ecológicamente deseables

Se ha creído durante mucho tiempo que las diminutas plantas marinas, o fitoplancton, eran vagabundos pasivos en el mar - que no podían desafiar incluso las corrientes más débiles, o viajar por su propia voluntad. En décadas recientes, la investigación ha demostrado que muchas especies de estos microorganismos unicelulares pueden nadar, y lo hacen para optimizar la exposición a la luz, evitar a los depredadores o acercarse a otros de su especie.

Ahora científicos del MIT y la Universidad de Oxford han demostrado que la motilidad del fitoplancton también ayuda a determinar su destino en la turbulencia del océano. En lugar de actuar para distribuirse de manera uniforme - como exigiría la física de pequeñas partículas mezcladas en un fluido - los vórtices individuales que componen las turbulencias del océano son como mezcladores sociales para el fitoplancton, con lo que las células similares estrechan la proximidad, mejorando potencialmente la reproducción sexual y otras actividades ecológicamente deseables.

En un artículo que aparece en Internet el 15 de julio en Nature Communications, William Durham de Oxford, Roman Stocker del MIT y los co-autores, describen cómo en una escala de milímetros el fitoplancton atrapado en una forma de vórtice acuoso forma parches muy concentrados en el centro de la espiral. En el turbulento océano, donde se forman continuamente vórtices de corta duración, este proceso se repite, llevando a los microorganismos de un mezclador social a otro mezclador social.

Los resultados van en contra de porque la turbulencia es la forma más rápida de mezclarse dos sustancias (imagina el agitar la leche en el café). Si no fueran capaces de nadar, los microorganismos expuestos a un vórtice marino formarían una distribución homogénea en el agua. En cambio, el estudio muestra que la turbulencia hace que el fitoplancton forme manchas concentradas.

"Turbulencia sin mezcla"

simulación de una turbulencia en el océano con vórtices"En base a nuestra intuición de la turbulencia y la mezcla turbulenta, esperábamos que reinase la homogeneidad", dijo Stocker, profesor asociado de ingeniería civil y ambiental que dirigió el estudio. "En su lugar, el fitoplancton nos sorprendió mediante la formación de grupos de células altamente concentradas - es una turbulencia sin mezcla. Para el fitoplancton, este es un vehículo para encontrar eficazmente las células de la misma especie sin necesidad de ningún tipo de información sensorial en la localización de cada una o invertir en costosos medios de comunicación química".

Pero esta distribución irregular también puede tener su lado negativo: el fitoplancton, los microbios fotosintéticos del mar, forman la base de la cadena alimenticia del océano. Las agrupaciones de células pueden convertirse en presa fácil para los depredadores zooplancton que se adentran en grupos de fitoplancton. Y las células muy juntas pueden aumentar la competencia entre los microorganismos sobre los alimentos dispersos.

"A pesar de que la agregación aumenta la posibilidad de un encuentro fatal con un depredador, también aumenta la posibilidad de encontrar otras células de fitoplancton, lo que es necesario para formar quistes resistentes que pueden sobrevivir a las duras condiciones del invierno", dijo Durham, autor principal del trabajo y profesor en la Universidad de Oxford, que comenzó a trabajar en este estudio como estudiante de doctorado en el MIT. "Este mecanismo sugiere que el fitoplancton puede sintonizar su motilidad para tener lo mejor de ambos mundos, minimizando la agregación cuando hay una gran cantidad de depredadores en torno, al tiempo que maximiza la agregación cuando el tiempo no es el ideal con la formación de quistes".

El equipo de investigación - que incluye al estudiante graduado del MIT Michael Barry, Eric Climent de la Universidad de Toulouse, Filippo De Lillo y Guido Boffetta de la Universidad de Torino y Massimo Cencini del Centro Nacional de Investigación de Italia - realizó los primeros experimentos con fitoplancton en el laboratorio, y luego extendió sus observaciones a un océano turbulento con simulaciones de alta resolución realizadas en una supercomputadora.

Posible adaptación evolutiva

Para los experimentos, una caja transparente con forma de la letra H formó una versión simplificada del mar, con el agua de mar fluyendo hacia arriba a través de unas barras verticales, creando dos vórtices internos dirigidos dentro de la barra horizontal. Cuando los investigadores agregaron Heterosigma akashiwo (una especie móvil de marea roja conocida por su capacidad para matar a los peces), los microorganismos formaron densas manchas en los centros de los remolinos. Para destacar el papel de la movilidad, los investigadores repitieron el experimento con microorganismos muertos, que la turbulencia distribuyó uniformemente.

La simulación por ordenador imitaba la turbulencia del océano en una escala más grande, con más de 3 millones de fitoplancton y muchos vórtices interactuando que se forman en la escala más pequeña posible de la turbulencia. Se encontró que la agregación aumentó más de diez veces cuando el fitoplancton nadaba. Y a medida que aumentaba la velocidad, también aumentaba la agregación, lo que lleva a la conjetura de que, en escalas de tiempo de evolución, los microorganismos pueden posiblemente haber desarrollado la capacidad de adaptar activamente su velocidad de natación para modular las interacciones con otros de la misma especie y con los depredadores.

"Creo que este trabajo abre un amplio espectro de cuestiones evolutivas fascinantes", dice Simon Levin, de George M. Moffett Professor of Biology en la Universidad de Princeton. La motilidad en turbulencias "es una propiedad emergente de la selección para los comportamientos que conducen a la agregación. Por supuesto, la agregación podría ser un subproducto en lugar de la meta, en el sentido de que los organismos están convergiendo en sus comportamientos a lo que es individualmente óptimo. Pero la idea de esto es que podrían evolucionar porque los individuos se desempeñan mejor en las agregaciones - a causa de la reproducción, la captura de los recursos o la seguridad proveniente contra los depredadores - es muy intrigante".

"La vida es turbulenta en las vastas extensiones del océano - y es fascinante aprender que algunos de los organismos más importantes de nuestro planeta comen y se comportan en sus vidas diarias turbulentamente", añade Stocker.

Artículo científico: Turbulence drives microscale patches of motile phytoplankton