A la deriva en un bote en medio del Océano Pacífico Norte, la vista más asombrosa es la total ausencia de algo que ver. El agua cristalina y tranquila no se altera y se ondula suavemente por millas en todas direcciones. Incluso si miras por el borde de la cubierta hacia el agua azul cristalina, la luz del sol penetra a una profundidad de alrededor de 600 pies sin nada que bloquee su camino. Parece que no hay nada que ver más que agua aquí, Pero las apariencias pueden ser engañosas. Son los organismos increíblemente pequeños y su impacto desproporcionadamente grande en el ecosistema lo que nos atrajo a mí y a un equipo de científicos a desafiar la alta mar. un tiburón curioso, y un huracán inminente. Llegamos al medio del océano para aprovechar las vidas secretas de los microbios que llaman hogar al océano abierto. Recientemente publicamos nuestros resultados en The Revista ISME .

En el verano de 2015, un equipo del Observatorio Terrestre Lamont-Doherty de Columbia – Sonya Dyhrman, Sheean Haley, y yo… empaqué el contenido de nuestro laboratorio y lo envié al otro lado del planeta. Lo seguimos de cerca afortunadamente con menos equipaje, y se unió a aproximadamente 60 oceanógrafos biológicos de todo el mundo en Honolulu, Hawai. Desde allí, estábamos destinados al giro subtropical del Pacífico norte a bordo de una flota de dos buques de investigación.

Nuestra expedición fue financiada por la Fundación Simons y se llamó Simons Collaboration on Ocean Processes and Ecology, o ALCANCE. La misión de SCOPE es medir y modelar cómo los microbios marinos interactúan e influyen entre sí y con el medio ambiente en general. Estos procesos tienen lugar a cientos de kilómetros de tierra firme, pero tienen una importancia fundamental para toda la vida en la tierra. Después de todo, plantas marinas microscópicas, o fitoplancton, son responsables de aproximadamente la mitad de la productividad primaria del planeta. Esto significa que por cada respiración que tomes, puedes agradecer a un fitoplancton.

Mi propia investigación se centra en un fitoplancton llamado Trichodesmium. Es una especie clave en el océano abierto subtropical. En bajo contenido de nutrientes, condiciones casi desérticas, Trichodesmium es un oasis. Es una bacteria fotosintética, por lo que puede usar poco más que la luz solar y el dióxido de carbono para producir su propio azúcar para la alimentación. También es un fijador de nitrógeno. Al igual que las bacterias que viven en las raíces de las plantas leguminosas como los guisantes, El tricodesmio puede tomar gas N2 inerte de la atmósfera y convertirlo en una forma que sustente la vida. En un entorno hostil donde otros organismos apenas se ganan la vida con el bajo suministro de nitrógeno biodisponible, Trichodesmium es una fábrica de fertilizantes flotante. Por esta razón, forma puntos calientes de actividad biológica:constelaciones de ciudades microbianas flotantes que permiten que los ciclos biogeoquímicos globales sigan agitándose.

Comparar Trichodesmium con una ciudad no es muy exagerado. Las células son grandes, para ser una bacteria. Tienen alrededor de 20 micrómetros de ancho, casi 8 veces la longitud de una bacteria típica. Estas células forman largas cadenas, y esas cadenas se agrupan para formar colonias en forma de bolas que parecen fardos de heno de color verde guisante del tamaño de una cabeza de alfiler. Si tuvieras que hacer zoom en uno de esos puffballs, descubriría que Trichodesmium no está solo. Otros microbios aprovechan el azúcar de la fotosíntesis y el nitrógeno biodisponible que se escapa del Trichodesmium. y establecer sus hogares permanentes en estas colonias. En el mundo de los microorganismos, Las colonias de Trichodesmium son como Manhattan durante la semana del restaurante. En efecto, Trichodesmium es un microbio con su propio microbioma.

Trichodesmium fue descrito por primera vez por el explorador Capitán Cook durante una expedición al Mar Rojo a fines del siglo XVIII. No fue hasta la década de 1980, sin embargo, que los científicos colocaron bocanadas de Trichodesmium bajo un microscopio de alta potencia y descubrieron que las colonias estaban repletas de otras bacterias. La exploración de esta fascinante visión cayó en la sombra de otro descubrimiento importante:que las estimaciones de las capacidades de fijación de N2 de Trichodesmium estaban reducidas en un orden de magnitud. Nuevas estimaciones sugirieron que, aunque este organismo no es numéricamente abundante en el océano, todavía aporta casi la mitad del total de nitrógeno marino biodisponible.

Hoy dia, "microbioma" es una palabra de moda tanto en la investigación científica como más allá de los laboratorios de microbiología. El descubrimiento de que los microorganismos que viven en nosotros y sobre nosotros son de vital importancia para controlar la forma en que digerimos nuestros alimentos, protegerse de patógenos dañinos, e incluso lo que pensamos ha alterado fundamentalmente la forma en que los humanos ven su relación con estas diminutas criaturas. Las bacterias ya no son solo gérmenes.

Si una composición saludable de bacterias intestinales en un ser humano puede ser la clave para un estilo de vida saludable, Entonces, ¿podría el microbioma que vive en Trichodesmium jugar un papel previamente pasado por alto en su ecología? Las bacterias en el microbioma de Trichodesmium podrían simplemente viajar a través de las olas como polizones pasivos, o pueden interactuar con su anfitrión de alguna manera importante. ¿Podrían de alguna manera permitir el éxito de Trichodesmium y su capacidad para fotosintetizar y fijar nitrógeno? La expedición SCOPE fue nuestra oportunidad de averiguarlo. Los 60 científicos trabajaron en conjunto en dos barcos para tomar muestras para un conjunto de mediciones biológicas y químicas cada cuatro horas durante dos períodos consecutivos de cuatro días.

Cuando el sol comenzó a asomarse por el horizonte en la primera mañana de muestreo, Sheean y yo estábamos al final del barco, esperando el "todo despejado" del capitán para deshacerse de nuestro equipo de muestreo de Trichodesmium. Este equipo era como una red de mariposas acuática que arrastramos por el agua, su fina malla concentra las colonias de Trichodesmium de miles de litros de agua. El agua parecía tranquila pero fue un entrenamiento de bíceps poderoso para sostener la cuerda y resistir ser tirado por la borda. La hazaña se hizo aún más desafiante cuando un tiburón curioso comenzó a investigar nuestra red.

De vuelta a cubierta Llevamos rápidamente la muestra al laboratorio y sacamos todas las colonias de Trichodesmium que pudimos encontrar con goteros. (Nada pone a prueba las patas del mar como pescar bacterias en un barco en movimiento). Moverse rápidamente fue clave para preservar la integridad de las muestras:para averiguar qué estaban haciendo el Trichodesmium y su microbioma en el agua, secuenciamos y analizamos todos los genes que estaban activando y desactivando durante nuestras semanas en el mar.

El genoma de un organismo es como un libro de cocina:contiene todas las instrucciones que un organismo necesita para funcionar. Los genes son como las tarjetas de recetas individuales que se extraen para adaptarse a una condición determinada. Así como el invierno señala recetas de pavo asado y pastel de calabaza, el sol naciente activa los genes de Trichodesmium para que se activen la fotosíntesis y la fijación de nitrógeno. Si pudiéramos rastrear la expresión de esos genes a lo largo del día, y encontrar genes con patrones similares de día y noche en el microbioma (organismos que no deberían responder a la luz solar), entonces tendríamos evidencia genética de interacciones potenciales entre el huésped y el microbioma.

Después de un largo día de toma de muestras, Sheean Sonya y yo habíamos alcanzado nuestro ritmo. Pero cuando se puso el sol nos enfrentamos a un nuevo desafío:aislar las colonias casi en la oscuridad. Para preservar las firmas genéticas causadas por el sol naciente y poniente, por la noche, cambiamos todas las bombillas del laboratorio de nuestra nave por luces rojas. Se sintió como si estuviéramos en un submarino. Después de 96 horas, habíamos registrado muchas muestras, pero poco sueño. Los mares habían comenzado a agitarse cuando una tormenta se precipitó hacia nuestro barco. En mi delirio vagamente mareado, Parecía una locura que pudiera convertir diminutas colonias de bacterias extraídas del medio del océano en datos biológicamente reveladores.

Meses después, de vuelta en tierra firme en el Observatorio Terrestre Lamont-Doherty, mis datos de expresión génica de Trichodesmium fueron secuenciados y listos para ser analizados. Las señales de Trichodesmium aparecieron primero:hermosas ondas sinusoidales que mostraban genes para la fotosíntesis y la fijación de nitrógeno bailando a través de la pantalla de mi computadora en concierto con la salida y la caída del sol. Luego dirigí mi atención a los genes del microbioma. No había ninguna razón para creer que estas bacterias debían coreografiar su fisiología con Trichodesmium. Después de todo, podrían ser simplemente polizones pasivos. Contuve la respiración mientras hacía clic en los análisis y trazaba los resultados.

A medida que se activaban y desactivaban los genes de fijación de nitrógeno de Trichodesmium, genes para el uso de nitrógeno en el microbioma siguieron al mismo paso. Los mismos patrones aparecieron en los genes de fijación de carbono de Trichodesmium y en los genes de consumo de carbono del microbioma. Por otra parte, También encontramos evidencia de que el microbioma se gana el sustento de las colonias al consumir el oxígeno producido por la fotosíntesis. y descomponer los azúcares en dióxido de carbono, esencialmente respirar, comiendo, y exhalando como lo hacen los animales. Al eliminar el oxígeno, que inhibe la fijación de nitrógeno, y reabastecimiento de dióxido de carbono, el microbioma asegura un entorno favorable para que Trichodesmium continúe fijando nitrógeno y realizando la fotosíntesis. Para nosotros, estos vínculos sugirieron una estrecha relación simbiótica que podría tener un profundo impacto geoquímico.

No mucho después de que hicimos un brindis para celebrar el artículo publicado, nuestra conversación volvió al mar, a los giros del océano azul cristalino y todos los experimentos que queremos hacer a continuación. Estas interacciones biológicas tienen lugar a escala microscópica:no revelan sus secretos fácilmente, pero estamos dispuestos a arriesgarnos a las tormentas, mareo, y el tiburón ocasional para investigar los organismos más pequeños y su gran impacto en la Tierra.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de Earth Institute, Universidad de Columbia http://blogs.ei.columbia.edu.