La migración vertical de dinoflagelados alimenta una intensa marea roja
En la primavera de 2020 se produjo un importante evento de marea roja en aguas del sur de California, lo que provocó deslumbrantes exhibiciones de bioluminiscencia a lo largo de la costa. El espectáculo fue causado por densidades extremadamente altas de Lingulodinium polyedra (L. polyedra), una especie de plancton famosa por su capacidad de emitir un brillo azul neón.
Si bien la marea roja captó la atención del público y apareció en los titulares de todo el mundo, el evento también fue una proliferación de algas nocivas.
Se detectaron toxinas en el punto álgido de la floración que tenían el potencial de dañar la vida marina, y los niveles de oxígeno disuelto cayeron a casi cero a medida que se descomponía la biomasa extrema de la marea roja. Esta falta de oxígeno provocó la muerte de peces y otros impactos destructivos en los ecosistemas locales.
Ahora, por primera vez, un estudio dirigido por científicos del Instituto Scripps de Oceanografía y la Escuela de Ingeniería Jacobs de la Universidad de California San Diego ha identificado cómo esta especie de plancton, un dinoflagelado, fue capaz de crear una floración tan excepcionalmente densa.
La respuesta está en la notable capacidad de los dinoflagelados para nadar, lo que les otorga una ventaja competitiva sobre otras especies de fitoplancton. Según los autores, esta capacidad de nadar puede conducir a la formación de densas floraciones, incluidas las de la variedad bioluminiscente.
"La idea de que la natación vertical da a los dinoflagelados una ventaja competitiva en realidad se remonta a más de medio siglo, pero sólo ahora tenemos la tecnología para demostrarlo de manera concluyente en el campo", dijo el oceanógrafo Drew Lucas, autor principal del artículo y profesor asociado en Scripps Oceanography y el Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la UC San Diego.
Lucas y el ex estudiante de posgrado Bofu Zheng lideraron el trabajo junto con varios colegas en medio de la marea roja en abril y mayo de 2020. Los investigadores aprovecharon la oportunidad para desplegar sofisticados instrumentos oceánicos frente a la costa de San Diego, lo que dio como resultado mediciones sin precedentes.
Los dinoflagelados, L. Polyedra específicamente, demostraron ser muy móviles, nadando hacia arriba durante el día para realizar la fotosíntesis y hacia abajo durante la noche para acceder a una reserva profunda de nutrientes. Esto resultó en una coloración rojiza intensificada del agua en la superficie, de ahí el término "marea roja", que se ve más prominentemente por la tarde.
Se documentó que una gran población de dinoflagelados realizaba el viaje descendente durante la noche, aunque una parte permaneció cerca de las aguas superficiales, lo que provocó exhibiciones nocturnas de bioluminiscencia. Los autores descubrieron que esta migración vertical es lo que permitió a los dinoflagelados superar a sus competidores no móviles, incluidas otras especies de fitoplancton.
El estudio valida una hipótesis de hace 50 años presentada originalmente por el biólogo oceanógrafo de Scripps Oceanography, Richard "Dick" Eppley. Él y sus colegas postularon que la migración vertical de los dinoflagelados estaba relacionada con la proliferación de algas nocivas, que se han documentado en el sur de California durante al menos 120 años. Se llevó a cabo una extensa investigación de laboratorio para respaldar esta idea, pero nunca se había probado en el campo hasta el evento de 2020.
Como ocurre con muchas especies de dinoflagelados, L. polyedra está dotada de un par de flagelos, apéndices en forma de látigos que impulsan al organismo unicelular a través del agua. Además de su capacidad para nadar, L. polyedra es notablemente rápida, con una velocidad máxima de natación de hasta 10 longitudes corporales por segundo durante casi 24 horas.
"En el mundo del plancton, ellos son Michael Phelps", dijo Lucas, describiendo los dinoflagelados. "En comparación, la natación rápida en especies como el atún rojo o el marrajo dientuso es de alrededor de 9 a 10 longitudes corporales por segundo, pero solo durante períodos muy cortos. Su excepcional natación permite a L. polyedra sumergirse en frías profundidades donde pueden absorber nutrientes, lo que permite que estos organismos realmente florezcan y exploten en población".
El equipo utilizó el Wirewalker, un sistema de perfilado vertical autónomo impulsado por las olas del océano que se desarrolló en Scripps Oceanography, para medir continuamente las condiciones físicas y bioquímicas desde la superficie del mar hasta el fondo marino, alcanzando una profundidad de 100 metros (300 pies).
Imagen: Los investigadores utilizaron este robot Wirewalker para el estudio.
Impulsado por la energía de las olas, el instrumento sube y baja por una línea de amarre sujeta a una boya, mientras toma medidas de temperatura, salinidad, profundidad, niveles de luz solar, fluorescencia de clorofila y concentraciones de nitrato. También tomaron imágenes cercanas a la superficie de la floración utilizando un Imaging FlowCytobot (IFCB), un microscopio robótico instalado en un amarre en alta mar; este sitio ahora es parte de una red IFCB más grande supervisada por SCCOOS.
Los datos y las imágenes recopilados por estos instrumentos validaron la hipótesis original de Eppley, mostrando que efectivamente L. polyedra descendió al anochecer, alcanzando una profundidad máxima de unos 30 a 40 metros (100 a 130 pies) después de 18 a 24 horas de natación. Mientras están en las profundidades, los dinoflagelados absorberían nitrato, que actúa como nutriente de crecimiento para el plancton, antes de regresar a la superficie alrededor del mediodía para realizar la fotosíntesis durante la máxima luz solar.
El crecimiento de la biomasa de fitoplancton, o la "floración", se correlaciona con disminuciones proporcionales en las concentraciones de nitrato en profundidad, vinculando el importante papel que tiene el fitoplancton nadador en el desarrollo de ciertos tipos de mareas rojas. En los días nublados, la migración vertical bajo la superficie era mucho menos evidente, lo que sugiere que la intensidad de la luz solar es un importante desencadenante de la migración vertical.
Imagen: Una vista diurna del agua rojiza durante el evento de marea roja de la primavera de 2020. Foto de : Lanna Cheng
El autor principal, Zheng, ahora investigador postdoctoral en el Instituto Oceanográfico Woods Hole (WHOI), quedó impresionado por las numerosas funciones avanzadas de los dinoflagelados, que son comparables en tamaño al diámetro de un cabello humano.
"Estos organismos unicelulares, concretamente L. polyedra, son funcionalmente complejos y sorprendentes", dijo Zheng. "Además de su velocidad de natación, que está mucho más allá de los límites humanos, pueden coordinar su comportamiento según el ciclo día-noche migrando hacia abajo durante la noche y regresando a la superficie del océano durante el día; pueden producir una espectacular bioluminiscencia; pueden realizar la fotosíntesis; incluso pueden aprovecharse de organismos que son más pequeños que ellos".
Los investigadores también observaron los datos de monitoreo del océano a largo plazo capturados por las Investigaciones Cooperativas de Pesquerías Oceánicas de California (CalCOFI) y los datos de amarre a largo plazo mantenidos por el Ocean Time-Series Group en Scripps Oceanography para ver otras consecuencias de la floración. Al analizar más de 70 años de datos climáticos, los resultados mostraron que la floración creó condiciones físicas y químicas en la columna de agua que se desviaron de la norma, lo que muestra el potencial de que las floraciones masivas alteren las características del océano costero.
Imagen: Bioluminiscencia frente al muelle de Scripps el 24 de abril de 2020, durante un evento histórico de marea roja. Foto: Philipp Arndt
La coautora del estudio y directora de SCCOOS, Clarissa Anderson, dijo que esta investigación se destaca por el uso de novedosas tecnologías oceánicas, lo que permitió realizar mediciones incomparables de cómo responde el fitoplancton a cambios a pequeña escala en el océano costero, así como cálculos de la absorción de nutrientes por los dinoflagelados a escalas tan finas. También destacó la importancia de las observaciones a largo plazo como clave para cualquier esfuerzo futuro para comprender mejor la proliferación de algas nocivas.
"Cuanto más comprendamos los complejos mecanismos que permiten que una especie o población particular de plancton prospere y persista, mejor podremos predecir eventos desbocados como la marea roja de 2020, que duró mucho más de lo que la teoría podría dictar", dijo Anderson, quien también es bióloga oceanógrafa en Scripps Oceanography.
"Con series temporales más largas de rápidos cambios en la entrega de nutrientes costeros, la circulación, los regímenes de luz y las toxinas de algas, podríamos construir modelos dinámicos más precisos para predecir la proliferación de plancton, incluidas aquellos que se vuelven dañinos".
Según los autores, vincular el comportamiento del fitoplancton y los cambios en el ambiente costero puede ayudar a los investigadores a comprender mejor las condiciones que causan y surgen de las floraciones de algas nocivas, ayudando a predecir las floraciones y mitigar sus efectos.
Los hallazgos del equipo se publicaron en la edición del 28 de agosto de Proceedings of the National Academy of Sciences y se presentaron como artículo de portada: Dinoflagellate vertical migration fuels an intense red tide
