La acidificación oceánica afecta el rendimiento fisiológico, el crecimiento y la supervivencia de los peces
Un equipo de investigación ha revelado la base de la variabilidad entre diferentes especies de peces, descubriendo que algunas especies evolucionan más rápidamente, proporcionándoles herramientas moleculares evolucionadas y permitiéndoles hacer frente a la futura acidificación de los océanos.
Se prevé que el pH global de la superficie del océano disminuya con la absorción en curso de CO2 atmosférico antropogénico por parte de los océanos, un proceso denominado acidificación oceánica (OA por sus singlas en inglés). Una década de experimentos de laboratorio indican que las condiciones previstas de OA afectan el rendimiento fisiológico, el crecimiento, la supervivencia y los comportamientos cruciales de algunos peces marinos para la supervivencia de los peces.
Para testar cómo responderá la vida marina y si es posible adaptarse a esta rápida acidificación, los investigadores fueron a un remoto lugar de este planeta para estudiar la exposición in situ a una elevada presión parcial de dióxido de carbono (pCO2, la cantidad de dióxido de carbono disuelto en el agua), y poder predecir cómo los peces silvestres pueden hacer frente a estas condiciones ambientales que se prevé que existirán en todo el mundo para fines de este siglo.
Con entornos que cambian rápidamente debido a las actividades humanas, es crucial poder predecir qué sucederá con los organismos marinos y, en particular, con las poblaciones de peces para optimizar nuestros esfuerzos de conservación y gestión.
El estudio indicó que algunas especies de peces que evolucionan más rápidamente pueden tener una forma flexible de hacer frente a la OA, lo que debería ser útil para que estas especies mantengan el tamaño y la biodiversidad de su población. Sin embargo, para algunas otras especies que evolucionan lentamente, la OA será difícil para ellas una vez que el nivel de OA esté más allá de sus niveles de tolerancia.
Laboratorios naturales con elevada pCO2
Las filtraciones volcánicas de CO2 se pueden usar como laboratorios naturales donde el CO2 se eleva desde el sustrato y acidifica el agua de mar circundante a niveles similares, o a veces más allá, de las proyecciones de acidificación de los océanos para fines de este siglo.
A seis especies adultas de peces de arrecife de coral, incluidos damiselas y una especie de pez cardenal de un arrecife dentro de la filtración de CO2 Upa-Upasina en Papúa Nueva Guinea (pH 7,77, pCO2 846 µatm) y un arrecife adyacente (500 m de distancia) con pCO2 ambiental (pH 8,01, pCO2 443 µatm), se les extrajeron tejidos, se analizaron y secuenciaron para determinar su respuesta celular al elevado CO2 en sus cerebros.
Imagen: Esquema que ilustra las muestras recolectadas para seis especies de peces de arrecifes de coral y la tubería de análisis molecular y bioinformático.
Las seis especies de peces en este estudio son peces comunes de arrecifes de coral, pero exhiben ecologías ligeramente diferentes, incluidas diferencias en el cuidado de los padres y su actividad durante el día o la noche, y por lo tanto, hasta cierto punto, podemos extrapolar los patrones encontrados también a otros peces.
Respuestas comunes a la OA en todas las especies
El elevado pCO2 indujo respuestas moleculares comunes relacionadas con el ritmo circadiano, así como con el sistema inmunitario de varias especies, lo que revela que estos son importantes procesos que se ven afectados por el elevado CO2 para muchas especies. Los ritmos circadianos son los impulsores de nuestros relojes biológicos de 24 horas y existen en humanos, otros animales y plantas.
Impulsan nuestros patrones de sueño y también nuestro metabolismo, y esto muestra que los genes centrales del ritmo circadiano afectan muchas otras funciones posteriores y también pueden afectar el comportamiento. El ajuste aquí de los genes circadianos con elevado CO2 pareció impulsar cambios en la expresión génica de otros genes en el cerebro, lo que puede permitir que los peces reaccionen de manera flexible al CO2.
La regulación inmunitaria parece ser además una función importante implicada en la respuesta a una elevada pCO2. Curiosamente, si bien este fue el caso en numerosas especies de peces de arrecife, las especies nocturnas exhibieron una elevación en los genes inmunes, mientras que otras especies suprimieron los genes inmunes con elevados niveles de CO2. Este es un fenómeno que no se ha estudiado previamente y sugiere el hecho de que las especies nocturnas y diurnas pueden responder de manera diferente y esto justifica un mayor estudio.
Una especie de pez posee herramientas moleculares evolucionadas para hacer frente a la futura OA
El pez damisela espinoso, A. polyacanthus, puede regular los niveles de pH dentro de sus células a través de los cambios de expresión génica para responder a la elevada pCO2 ambiental en la filtración de CO2. Originalmente se pensó que una elevación en la pCO2 a las predicciones de fin de siglo no tendría un gran impacto para los peces, ya que saben cómo regular el pH, sin embargo, se vio que estas especies de peces de coral indujeron significativos cambios de expresión en muchos genes, especialmente en A. polyacanthus, lo que demuestra la necesidad de regular las células del cerebro en respuesta a los niveles de CO2 en las aguas del océano.
Para que un cerebro funcione correctamente y se produzcan señales en el cerebro, proporcionando a las diferentes neuronas información esencial, es necesario transportar iones como el calcio, el sodio, el potasio y el cloruro. Aquí los investigadores encontraron que dichos genes transportadores cambiaron su expresión, especialmente para A. polyacanthus cuando vivían en las filtraciones, lo que muestra que las transducciones de señales neuronales deben modificarse en respuesta al elevado CO2.
Curiosamente, durante la recolección de muestras en el remoto arrecife, surgió una tormenta durante 24 horas, que movió una gran cantidad de agua del sitio de filtración de CO2 y aumentó el pH temporalmente. Los investigadores pudieron recolectar algunos peces damisela espinosos durante este tiempo y ahora han visto que todos los cambios celulares son reversibles, ya que cambiaron rápidamente a los niveles que se ven en el arrecife de control con los actuales niveles de CO2. Estos resultados indicaron que A. polyacanthus puede cambiar su expresión génica para responder rápidamente a los cambios en los niveles de pH.
La especie de damisela espinosa, A. polyacanthus, evolucionó más rápidamente que las otras especies durante los últimos 15 millones de años, lo que deja a esta especie con un mayor potencial para adaptarse a las cambiantes condiciones ambientales. En particular, los genes que se consideran importantes en la respuesta a vivir en una elevada pCO2, como los genes involucrados en la regulación del pH intracelular, el ritmo circadiano (pueden ajustar la expresión de muchos otros genes) y el transporte de iones (tienen impacto en la transducción de señales neuronales), también indicaron una mayor tasa evolutiva. Esto puede conducir a una mayor alteración de la expresión génica de acuerdo con el cambio ambiental, es decir, la plasticidad transcripcional, a la acidificación del océano en A. polyacanthus. Como tal, esta especie puede poseer herramientas moleculares evolucionadas para hacer frente a la futura acidificación de los océanos.
"Ha sido bastante desconcertante por qué algunas especies luchan más que otras con las condiciones de acidificación del océano. Nuestra expedición a este sitio remoto de ventilación de CO2 nos permitió observar muchas especies de peces que viven naturalmente en estas elevadas condiciones de CO2 y completar partes del rompecabezas", comentó la Dra. Celia Schunter, del Instituto Swire de Ciencias Marinas, Facultad de Ciencias Biológicas, Universidad de Hong Kong. "Vemos que posiblemente limitadas por la lenta evolución, algunas especies de peces pueden no ser flexibles cuando responden a elevadas condiciones de CO2 y luchan más".
"Las especies que evolucionan más rápidamente pueden tener una forma flexible de hacer frente a la acidificación de los océanos, lo que debería ser útil para que estas especies mantengan el tamaño de su población y su biodiversidad. Sin embargo, para algunas otras especies que evolucionan más lentamente, la acidificación del océano será difícil para ellas una vez que el nivel de pH supere sus capacidades para mantener su equilibrio ácido-base. Anteriormente no entendíamos por qué algunas especies luchaban y otras no tanto y es importante entender por qué algunas pueden ser 'ganadoras' o 'perdedoras' para que podamos proteger especialmente a las que no podrán hacer frente y mantener el equilibrio en el ecosistema", agregó la Dra. Schunter.
Este estudio descubrió que algunas especies de peces silvestres pueden estar equipadas con herramientas moleculares inherentes a través de una rápida evolución para hacer frente a la elevada pCO2 prevista para fines de este siglo. El próximo objetivo del equipo de investigación es validar si otros ecosistemas exhiben los mismos hallazgos. Mientras tanto, la acidificación de los océanos sigue siendo una amenaza para las especies de peces que evolucionan lentamente una vez que el nivel de acidificación de los océanos supera su capacidad de regulación. Como tal, la desaceleración de la disminución del pH global es clave para mantener una alta biodiversidad de peces.
El artículo científico se publicó recientemente en Global Change Biology: Rapid evolution fuels transcriptional plasticity to ocean acidification
Imagen de cabecera: A. polyacanthus puede poseer conjuntos de herramientas moleculares evolucionadas para hacer frente a la futura acidificación de los océanos. Crédito: Universidad de Hong Kong
