El plancton marino microscópico no está indefenso a la deriva en el océano. Pueden percibir señales que indican turbulencia, responder rápidamente para regular su comportamiento y adaptarse activamente. Los investigadores de ETH han demostrado por primera vez cómo lo hacen.

El plancton en el océano está en constante movimiento. Por día, estos diminutos organismos, una décima parte del diámetro de un cabello humano, migrar activamente hacia la superficie del océano iluminado por el sol para llevar a cabo la fotosíntesis. Por la noche, se abren paso a profundidades de decenas de metros, donde el aporte de nutrientes es mayor.

Durante sus viajes regulares entre zonas bien iluminadas y ricas en nutrientes, las células de plancton encuentran con frecuencia capas turbulentas, que trastocan este patrón migratorio esencial. Todavía es un misterio cómo estos diminutos organismos pueden navegar a través de los peligros de las aguas turbulentas. Las células de plancton se mueven a causa de la turbulencia, especialmente las más pequeñas, vórtices de flujo de tamaño milimétrico, como si estuvieran en una lavadora en miniatura, que puede inducir un daño permanente a sus apéndices de propulsión y envoltura celular. En el peor de los casos, pueden perecer en turbulencias.

Comportamiento migratorio observado en microcámaras

Algunas microalgas tienen, sin embargo, desarrolló una respuesta sofisticada a señales tan turbulentas. Los investigadores postdoctorales Anupam Sengupta y Francesco Carrara, junto con su asesor Roman Stocker, Profesor del Instituto de Ingeniería Ambiental ETH Zurich, lo han demostrado en un estudio publicado recientemente en la revista Naturaleza .

Usando experimentos de laboratorio, los tres científicos "llevaron el océano al laboratorio" y examinaron el comportamiento migratorio de Heterosigma akashiwo, un alga conocida por formar floraciones de algas tóxicas. Para examinar el comportamiento de natación, los investigadores utilizaron una cámara microfabricada, solo unos pocos milímetros cúbicos de volumen, en el que introdujeron las células de Heterosigma. La cámara podría girarse a lo largo de su eje utilizando un motor controlado por computadora, exponer a las células a cambios periódicos de orientación que replican cómo pequeños vórtices turbulentos dan vuelta a las células en el océano.

Bucear con previsión

Los científicos pudieron observar que una población de algas que se movía hacia arriba se dividió en dos grupos de igual tamaño durante un período de 30 minutos después de que la cámara se volteó repetidamente 180 grados. Un grupo de células continuó esforzándose hacia arriba, mientras que el otro grupo cambió de comportamiento y comenzó a nadar en la dirección opuesta. Esta división de la población no ocurrió con algas en cámaras estacionarias, en el que todos nadaron continuamente hacia arriba y se acumularon cerca de la superficie superior.

Al hacer zoom en celdas individuales, los investigadores descubrieron la razón del cambio en el comportamiento de natación. Cuando se expone a las señales de turbulencia, las células pudieron cambiar activa y rápidamente su forma:desde células asimétricas en forma de pera nadando hacia arriba, las células se transformaron en estructuras en forma de huevo nadando hacia abajo. Sorprendentemente, este cambio implicó cambios de menos de un micrómetro. "Es espectacular que una célula de apenas 10 micrómetros de tamaño pueda adaptar su forma para cambiar su dirección de nado, ", dice el coautor del estudio, Francesco Carrara.

Adaptación perfecta

Roman Stocker no ve este mecanismo como una mera coincidencia. "Las algas se han adaptado perfectamente a su hábitat oceánico:pueden nadar activamente, perciben una variedad de señales ambientales diferentes, incluida la turbulencia, y se adaptan rápidamente y regulan su comportamiento en consecuencia ". Anupam Sengupta agrega:" Ahora entendemos mejor cómo estos microorganismos enfrentan situaciones potencialmente perjudiciales, sin embargo, por el momento sólo podemos especular sobre por qué las células hacen esto ".

Los investigadores argumentan que dividirse en dos grupos crea una ventaja evolutiva para la población:de esta manera, toda la población no se pierde cuando se encuentra con una capa de fuerte turbulencia, pero en el peor de los casos sólo la mitad. Al evitar la turbulencia buceando, las células que nadan hacia abajo sufren el costo a corto plazo de recibir muy poca luz para realizar la fotosíntesis, lo que significa que no pueden crecer. Los investigadores también encontraron evidencia de que la turbulencia tiene un impacto fisiológico en las algas. Las células que se voltearon en su experimento exhibieron niveles más altos de estrés que las de las cámaras estacionarias.

El cambio climático influye en las turbulencias

Los investigadores ahora planean observar las algas en un tanque más grande, donde expondrán las células no solo a volteretas sino también a turbulencias reales. Comprender cómo responden estas diminutas células a la turbulencia tiene una gran importancia para nuestra comprensión del océano. "Como sabemos ahora que el cambio climático global modificará el paisaje de turbulencias en el océano, Es particularmente importante comprender cómo responden los organismos que son la base de la red alimentaria marina. Este trabajo aporta una pieza del rompecabezas, demostrando que el fitoplancton no solo está a merced de la turbulencia, pero puede afrontarlo de forma activa, "dice el profesor de ETH.