El plancton se turna para expresar genes para consumir un recurso limitado, el fósforo
Los océanos están repletos de bacterias fotosintéticas, dinoflagelados de cola diminuta que devoran otro plancton y algas rodeadas de intrincados esqueletos de vidrio.
En la década de 1960, la ecóloga G. Evelyn Hutchinson señaló algo confuso: ¿Por qué existen tantos tipos de plancton? Matemáticamente, no todos deberían poder sobrevivir si deben competir por el mismo conjunto de nutrientes.
Una hipótesis para resolver la conocida "paradoja del plancton" proviene de los sistemas terrestres. Muchos animales presentan distintivos ciclos de actividad, incluyendo ritmos diurnos de búsqueda de alimento que minimizan los conflictos por la escasez de alimentos. Esto llevó a los investigadores a preguntarse si la diversidad del plancton podría deberse a la absorción de escasos nutrientes en diferentes momentos del día.
Por primera vez, los científicos han replicado evidencia genética de la partición temporal de nichos en el plancton en lados opuestos del mundo.
Publicado recientemente, el estudio informa que el plancton del Mar de los Sargazos se turna para expresar genes para consumir un recurso limitado, el fósforo. El hallazgo respalda trabajos previos publicados en Nature Ecology & Evolution que muestran una partición de nichos temporales en el Pacífico norte.
"La alternancia a lo largo del tiempo es un mecanismo adicional para sustentar la biodiversidad del plancton y explicar la paradoja del plancton", afirma Daniel Muratore, investigador postdoctoral del Instituto Santa Fe y primer autor de ambos artículos.
Averiguar cómo el plancton consume fósforo también ayuda a predecir cómo responderá la vida oceánica al uso prolongado de fertilizantes, al aumento del tráfico marítimo y al cambio climático.
"A medida que el clima continúa cambiando debido al aumento de gases de efecto invernadero en la atmósfera, también lo hará la química de los océanos. Al descubrir cómo gestionan los ecosistemas la absorción de nutrientes, podemos predecir si son vulnerables a un colapso", afirma Muratore.
Imagen: El papel de la comunidad microbiana en el ciclo del carbono marino
La genética del tiempo
En plena noche, amarrado en el Mar de los Sargazos, a horas de las Bermudas, Muratore se despertó bostezando. Caminaron hasta la roseta del CTD, un apretado anillo de tubos y maquinaria compleja, y la sumergieron en aguas oscuras.
En ese momento, Muratore era estudiante de doctorado en el programa de Biociencias Cuantitativas en Georgia Tech. Durante cinco días en 2019, en un crucero de investigación posible gracias a subvenciones otorgadas a Joshua Weitz (Universidad de Maryland) y Steven Wilhelm (Universidad de Tennessee, Knoxville), Muratore y sus colegas recolectaron cada cuatro horas, filtraron y congelaron células que habitan en el mar.
De vuelta en casa, la coautora principal Naomi Gilbert (Universidad de Tennessee, Knoxville) extrajo y secuenció el ARN de las células. Tras analizar 97.829 genes, los coautores encontraron patrones de expresión génica que sugieren que diferentes especies de plancton absorben fósforo en distintos momentos del día.
Las bacterias que dependen principalmente de la materia orgánica disuelta consumieron fósforo al amanecer. El plancton fotosintetizador, con núcleos saturados, consumió fósforo durante el día. Las cianobacterias lo absorbieron al anochecer.
Los resultados reflejan los de la absorción de nitrógeno en el estudio anterior de Nature Ecology & Evolution.
"Fuimos a un océano completamente diferente, realizamos un estudio comparable y encontramos la misma señal para el fósforo que para el nitrógeno. Esto sugiere que reducir la competencia mediante turnos podría ser una característica general del mantenimiento de la biodiversidad en el microbioma oceánico", afirma Muratore.
Imagen: El fósforo como componente integral de la biogeoquímica marina global
El fósforo ilumina el cambio climático
El fósforo, un elemento simple, es un componente fundamental del ARN, el ADN, las membranas celulares y las reservas de grasa, crucial para el crecimiento y el funcionamiento de las células.
El fósforo ofrece otro poderoso beneficio: revela cómo el carbono abandona los ecosistemas oceánicos, un factor importante en el cambio climático.
Muratore fue coautor de un artículo publicado en septiembre en Frontiers in Marine Science que comparó dos remolinos (piensa en los remolinos de un inodoro) en el Océano Pacífico. La investigación, dirigida por Shavonna Bent, estudiante de doctorado del Programa Conjunto MIT-WHOI en el laboratorio de Benjamin Van Mooy en la Institución Oceanográfica Woods Hole, descubrió que un remolino se enriqueció con fósforo y el otro se volvió deficiente.
En el remolino con menos fósforo, más material rico en carbono abandonó la superficie del océano y se hundió en el fondo marino. Esto se debe a que, al tener menos fósforo disponible, el plancton absorbió el carbono extra en sus grasas. Al morir, se llevó el carbono consigo.
"Este experimento natural con remolinos provocó una diferencia notable en la exportación de carbono en tan solo unos días. Averiguar cómo el carbono sale de la atmósfera nos ayuda a comprender cómo compensa la Tierra el carbono que emitimos", afirma Muratore.
Cambios microscópicos con grandes implicaciones
Muratore quiere explorar cómo el estrés por fósforo podría provocar otros cambios, como infecciones virales, en los microorganismos. En esencia, su investigación revela la compleja interacción de las escalas en el océano, desde la molecular hasta la global.
"Un pequeño cambio en estos individuos microscópicos, como no tener suficiente fósforo, resulta en cambios en propiedades macroscópicas que van desde la biodiversidad oceánica hasta la captura de carbono atmosférico", afirman.
Los nuevos hallazgos se han publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences: Diel partitioning in microbial phosphorus acquisition in the Sargasso Sea
