Las actividades humanas están cambiando el océano a escala global, con el agua de mar en algunas regiones cada vez más cálida, más ácido, y menos bien mezclado. Un posible resultado de la reducción de la mezcla del océano es que los nutrientes, que actúan como fertilizante para las algas marinas, podría estar menos disponible cerca de la superficie del mar.

Muchos investigadores están estudiando cómo estos cambios podrían afectar a las algas marinas microscópicas que proporcionan oxígeno a la atmósfera de la Tierra y forman la base de las redes alimentarias oceánicas. Una cosa que los científicos saben con certeza es que los diversos grupos de algas reaccionan de manera diferente a las variaciones en las condiciones del océano. tanto estacionalmente como durante períodos de tiempo más prolongados. Aprender cómo responden estos diferentes grupos es clave para comprender cómo cambian los ecosistemas oceánicos durante períodos de meses a décadas.

Desafortunadamente, estudiar las respuestas de tipos específicos de algas en mar abierto es muy difícil, porque las condiciones del océano siempre están fluctuando, como son los tipos de algas presentes. Por esta razón, los científicos han recurrido a los estudios de laboratorio. La mayoría de estos estudios han involucrado el cultivo de algas en cultivos por lotes. Dentro de tales culturas, las algas crecen rápidamente y se reproducen, pero luego sus poblaciones disminuyen a medida que consumen nutrientes en el agua circundante. Esto significa que tales experimentos realmente no pueden replicar las condiciones de estado más estable que ocurren a menudo en el océano abierto.

Por muchos años, La microbióloga de MBARI Alexandra Worden y su grupo de investigación han estado trabajando en una nueva forma de cultivar algas en cultivos de estado estacionario utilizando cámaras de incubación de alta tecnología llamadas "fotobiorreactores". Estos dispositivos permiten a los investigadores cultivar algas bajo niveles de luz controlados con precisión, temperatura, y nutrientes.

En un conjunto reciente de experimentos, los investigadores expusieron las algas a bajas concentraciones de nutrientes durante semanas. Concentraciones de nutrientes tan persistentemente bajas son comunes en algunas partes del océano, pero no se han probado en experimentos de laboratorio anteriores. Los experimentos recientes permitieron a los investigadores estudiar en detalle los procesos bioquímicos que ayudaron a las algas a aclimatarse a condiciones de bajos nutrientes. Tales experimentos no hubieran sido posibles usando un cultivo por lotes porque las algas se habrían extinguido gradualmente por falta de nutrientes.

El laboratorio de Worden publicó recientemente un artículo en Microbiología de la naturaleza describiendo los resultados de sus experimentos iniciales con foto-biorreactor. El primer autor del artículo es el ex becario postdoctoral del MBARI, Jian Guo. Otros autores incluyen un conjunto de colaboradores, incluidos varios autores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía de EE. UU.

Para este estudio, los científicos cultivaron una pequeña alga nadadora llamada Micromonas commoda en condiciones en las que el fosfato, un nutriente clave de las algas, se mantuvo en niveles relativamente bajos. Este experimento simuló las condiciones que se encuentran en algunas áreas de mar abierto, como el Mar de los Sargazos.

Durante el experimento descrito en su artículo, Los investigadores primero dieron a las algas abundante fosfato para que crecieran rápidamente. Después de eliminar casi todo el fosfato del agua, aumentaron las concentraciones de fosfato lo suficiente para mantener vivas las algas. De este modo, los investigadores pudieron mantener el crecimiento de algas durante muchos días a un nivel relativamente bajo, pero constante, concentraciones de fosfato.

A lo largo de su experimento, los investigadores extrajeron pequeñas muestras de algas y utilizaron sofisticadas técnicas genómicas para averiguar qué genes de las algas se volvían más o menos activos en condiciones de bajo o alto contenido de fosfato. También utilizaron "análisis proteómicos" para estudiar cambios en los tipos de proteínas producidas por las algas en diferentes condiciones.

Como explicó Worden, "Estas células son tan pequeñas que no podemos decir mucho al mirar a través de un microscopio, por lo que los genes y las proteínas que expresan son nuestro gancho para 'visualizar' el crecimiento y el estrés en el océano ".

Los análisis proteómicos ayudaron a los científicos a comprender cómo los cambios en las concentraciones de nutrientes afectan la capacidad de Micromonas para realizar la fotosíntesis. Estudios anteriores han sugerido que la insuficiencia de nutrientes puede permitir que la luz solar brillante (como la que se encuentra en la superficie del mar) dañe el aparato fotosintético dentro de las células de las algas. Pero la nueva investigación sugiere que Micromonas tiene la capacidad de protegerse de tal daño. El alga aparentemente logra esto utilizando un conjunto de proteínas poco comprendidas que los investigadores esperan estudiar más a fondo.

Otra cosa que descubrieron los investigadores fue que, después del crecimiento con suministros limitados de fosfato, Las micromonas pueden reproducirse rápidamente dentro de las 24 horas posteriores a la aparición de concentraciones más altas de fosfato. Esto sugiere que Micromonas puede recuperarse rápidamente de la limitación de fosfato, quizás más rápidamente que otros tipos de algas. Esto podría ayudar a Micromonas a adaptarse rápidamente a los cambios en su entorno, oa ser transportados horizontal o verticalmente por las corrientes oceánicas.

Los investigadores señalan que algunas de las mismas proteínas que ayudan a que las algas crezcan en condiciones limitadas de fosfato también ayudan a proteger a las algas de los cambios en los niveles de luz. Esto sugiere que los procesos mediante los cuales las algas responden a los cambios ambientales pueden ser más complicados de lo que los investigadores habían sospechado anteriormente.

Los científicos del laboratorio de Worden están ampliando estos experimentos para estudiar cómo responden las algas marinas a los cambios en otros nutrientes esenciales. como el nitrógeno, así como los efectos combinados de los cambios en las concentraciones de nutrientes junto con los cambios en la temperatura del océano y el dióxido de carbono atmosférico.

"Estamos entusiasmados de que ahora comprendamos parte de la biología celular detrás de cómo las algas lidian con los cambios estacionales, "Dijo Worden." Esto nos da una idea de los mecanismos que ayudarán a las algas a aclimatarse o adaptarse a las condiciones futuras. Estos hallazgos nos permiten salir al campo y sondear la experiencia en tiempo real de las algas con una sensibilidad mucho mayor que nunca antes ".