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Las algas suicidas

Envejecer y morir forma parte del ciclo de vida que heredamos de nuestros antepasados y que evoluciona de forma distinta en cada especie por la selección natural. Ambos conceptos resultan familiares en seres pluricelulares, pero no son sencillos de entender en microorganismos unicelulares. Por ejemplo el fitoplancton. ¿Las microalgas envejecen? ¿cuándo y por qué se mueren?

Cultivo de la diatomea Ditylum brightwellii. Autor: F. Rodríguez

Hablamos de fitoplancton senescente cuando sus poblaciones se deterioran en condiciones desfavorables, a menudo después de una proliferación que agota los nutrientes. En el laboratorio también observamos células y cultivos “viejos”, con alteraciones en su aspecto normal, color o tamaño, que no se dividen y languidecen o colapsan de repente.

Más allá de esto, que pueden ser “artefactos” de laboratorio, hasta hace pocos años se creía que el fitoplancton era casi inmortal. En teoría podía dividirse hasta el infinito y las pérdidas en el medio natural se explicaban por depredación y/o sedimentación.

Esto, que puede ser cierto para las diatomeas, no funciona tan bien en otros grupos del fitoplancton y para ajustar balances en el ecosistema suelen utilizarse expresiones como “autolisis”, “muerte natural” o “pérdidas internas” que no explican causas ni mecanismos.

En cultivos y en el medio natural se observan colapsos masivos después de proliferaciones (p.ej. de cianobacterias y dinoflagelados) y entre las razones biológicas suelen citarse infecciones por virus, bacterias o parásitos.

Sin embargo, a estos factores se ha unido en la última década el descubrimiento de que el fitoplancton puede “suicidarse” mediante muerte celular programada (MCP). ¿Pero qué sentido tiene autodestruirse?

Las diferentes enzimas de la familia de las caspasas (C), paracaspasas (PC) y metacaspasas (MC) en los reinos de la vida. Sólo faltan las Archaeas, que también tienen actividad caspasa. Fuente: Vercammen y col. (2007)

La MCP se describió hace casi un siglo en plantas como un mecanismo esencial para desarrollar y “esculpir” el organismo, diferenciando estructuras y funciones. Un ejemplo clásico de MCP es la caída de las hojas en otoño.

La MCP es una nueva expresión génica en la célula que activa un programa de autodestrucción mediado generalmente por enzimas proteasas (de la familia de las caspasas, metacaspasas, paracaspasas, etc). Dichas enzimas, relacionadas entre sí, están presentes en todos los reinos de la vida.

Cada una de nuestras células tiene la capacidad de apretar el botón rojo y saltar por los aires !! y mejor que así sea.

El estudio de la MCP en células animales se inició después de su descubrimiento en plantas, y ha progresado más por la relación entre el cáncer y los fallos en la MCP que permiten el crecimiento celular descontrolado en tejidos y órganos dañando su funcionamiento.

Cuando hablamos de muerte celular hay que distinguir entre necrosis y apoptosis, siendo ésta una manifestación morfológica de MCP.

Célula apoptótica. Autor: Steve Gschmeissner. Fuente: Pinterest

La necrosis es una muerte celular “desordenada”, no implica mecanismos genéticos, sólo la pérdida de integridad celular por un estrés insoportable. En cambio, la apoptosis es un proceso ordenado que comporta una serie de cambios morfológicos (fragmentación del ADN, disminución del volumen, formación de cuerpos apoptóticos) consecuencia de la MCP.

Existen otras manifestaciones de MCP como la paraptosis, producida por señales moleculares pero sin intervención de caspasas, que ocurre p. ej. en el cocolitofórido Emiliania huxleyi.

La MCP tiene sentido altruista en un sistema multicelular donde la muerte de células individuales otorga un beneficio para el sistema, bien aniquilando células infectadas, o liberando nutrientes que pueden absorber otras células, manteniendo la homeostasis celular (equilibrio entre división y muerte), regulando cambios ontogenéticos (diferenciación celular y desarrollo de órganos y sistemas), etc.

Poco o nada de esto parece aplicable al fitoplancton… 

Si los individuos de una población no comparten parentesco cada célula es “el sistema” y es inútil inmolarse (por no decir otra cosa) sin una recompensa genética evidente. El parentesco entre células cercanas es poco probable en poblaciones diluidas en el medio natural, excepto en el caso de especies formadoras de cadenas y colonias, o de proliferaciones masivas dominadas por una línea clonal. Dicha situación no parece habitual en el medio acuático y la mayoría de estudios indican que la variabilidad genética se mantiene elevada en las proliferaciones de fitoplancton.

La cuestión es si esas diferencias genéticas son más importantes que las adaptaciones que benefician al grupo y que pueden justificar comportamientos aparentemente altruistas. Al fin y al cabo todos son la misma especie.

La teoría de que la selección puede actuar a múltiples niveles en el fitoplancton (genes, individuos, grupos, especies y conjuntos de especies) es atractiva y significa que los individuos pueden interactuar entre sí contribuyendo a una mejor adaptación del grupo.

Parece lógico que sea así y no que las poblaciones de fitoplancton consten de entes aislados que ni compiten ni interactúan entre sí, como las piedras.

Incluso las bacterias disponen de comportamiento social: la “percepción de quorum“, que regula la expresión génica en función de la densidad de la población. El fitoplancton no va a ser menos.

La vida microbiana no es tan asocial como creíamos. De hecho se ha descubierto la existencia de “comunicación” entre los reinos procariota y eucariota. En concreto entre bacterias del género Sulfitobacter que estimulan la división celular de la diatomea Pseudo-nitzschia multiseries con la que están asociadas (Amin y col. 2015).

Los biofilms bacterianos favorecen la supervivencia y el crecimiento a través una diferenciación celular, mejorando la adaptación al medio. Con el mismo objetivo, los ciclos de vida del fitoplancton son harto complejos e incluyen fases con diferenciación celular, formación de colonias, etc.

Trichodesmium spp. Autora: Dolors Blasco (Leg 6 Malaspina; Océano Pacífico)

En 2004, Berman-Frank y col. descubrieron la existencia de MCP en la cianobacteria Trichodesmium spp., fijadora de nitrógeno y formadora de extensas proliferaciones en aguas tropicales y subtropicales.

Este organismo podría usar la MCP como estrategia para liberar fragmentos pluricelulares de las colonias (hormogonios), que actúan como dispersoras de la población, en condiciones desfavorables (limitación por hierro y fósforo, exceso de luz y estrés oxidativo).

Curiosamente, las metacaspasas se han detectado en cianobacterias marinas coloniales fijadoras de nitrógeno como Anabaena, Trichodesmium y Nostoc, pero no en géneros abundantes y cosmopolitas (aunque no formen blooms), como Prochlorococcus o Synechococcus, que han debido perderlas a lo largo de la evolución.

Entre el fitoplancton eucariota se han encontrado metacaspasas en las líneas evolutivas roja y verde: diatomeas (Thalassiosira), cocolitofóridos (Emiliania), dinoflagelados (Peridinium, Amphidinium, Symbiodinium), clorofíceas (Dunaliella), etc.

Quizás la MCP sea también una desafortunada consecuencia de la existencia de metacaspasas, que cumplen importantes funciones en la transición entre fases del ciclo de vida (de células vegetativas a formas de resistencia o fases sexuales), donde se lleva a cabo la destrucción controlada de ciertos componentes celulares.

Por otro lado, si las metacaspasas caen en manos del enemigo tienes un problema…!!

Emiliania huxleyi. Autor: Sergio Seoane

El cocolitofórido Emiliania huxleyi forma proliferaciones masivas en la superficie del océano que a menudo son infectadas y aniquiladas por virus.

Se conocían muchos virus específicos de E. huxleyi pero lo que no se supo hasta Bidle y col. (2007), es que “secuestran” y ponen a su disposición las metacaspasas de Emiliania como parte de su estrategia de replicación.

El cuento dice así: el enemigo (virus EhV1) roba las armas del castillo (maquinaria genética) y lo revienta desde dentro (activando MCP y la síntesis de metacaspasas). Por supuesto, después de vaciar la despensa y replicarse a sus anchas.

Y la moraleja es: “la expresión y activación de las metacaspasas en cada clon de E. huxleyi determina la susceptibilidad frente a la infección del virus”.

Si te gustó esta entrada puedes votar a “Fitopasión” en la categoría de medioambiente de los premios Blogs20minutos. –El plazo finaliza el 10 de marzo– Muchas gracias !!!

Referencias:

-Amin, S.A. et al. Interaction and signalling between a cosmopolitan phytoplankton and associated bacteria. Nature 522:98-101 (2015).
-Berman-Frank, I. y col. The demise of the cyanobacterium, Trichodesmium spp., via an autocatalyzed cell death pathway. Limnol. Oceanogr. 49: 997–1005 (2004).
-Bidle, K.D. & Falkowski, P.G. Cell death in planktonic, photosynthetic microorganisms. Nature Rev. Microbiol. 2: 643–655 (2004).
-Bidle K.D. y col. Viral activation and recruitment of metacaspases in the unicellular coccolithophore Emiliania huxleyi. PNAS 104:6049-54 (2007).
-Franklin D.J. y col. What is the role and nature of programmed cell death in phytoplankton ecology? Eur. J. Phycol. 41:1-14 (2007).
-Vercammen D. y col. Are metacaspases caspases? JCB 179:375-380 (2007).
-Von Dassow, P. & Montresor, M. Unveiling the mysteries of phytoplankton life cycles: patterns and opportunities behind complexity. J. Planton Res. 33:3-12 (2011).

 

El LED que valió un Nobel

En 2014 el Nobel de Física fue para los japoneses Isamu Akasaki, Hiroshi Amano (antiguo estudiante de Akasaki en la universidad de Nagoya) y Shuji Nakamura (univ. de Sta. Bárbara, EEUU), por la invención de “LEDs azules eficientes que han hecho posible fuentes de luz blanca brillantes que ahorran energía“.

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Los ganadores del Nobel de física (2014), de izda. a dcha., I. Akasaki, H. Amano y S. Nakamura. Autor: The Asashi Shimbun. Fuente: Getty Images.

La Real Academia de las Ciencias de Suecia llamó al profesor Nakamura a las 3 de la madrugada para anunciarle el galardón. Querían hablar con él justo después en la conferencia de prensa que anunciaría su Nobel. Pero la calidad del sonido fue tan lamentable que sólo se le entendió “unbelievable“.

Alfred Nobel creó los premios que llevan su apellido para reconocer invenciones y descubrimientos que aportasen beneficios a la humanidad.

Un 20% del consumo de energía de los países industrializados se dedica a producir luz. Por ello fuentes de luz eficientes como los LED tendrán un impacto importante en la economía, la sociedad y la protección del medio ambiente (al menos eso dicen los que entienden de esto).

La iluminación LED (“Light Emmision Diode”) —transforma directamente la energía eléctrica en luz— no emite apenas calor, tiene una vida media más de 100 veces superior a las bombillas incandescentes y no utiliza elementos contaminantes como el mercurio en los tubos fluorescentes. La tienen en sus bolsillos: la luz blanca del flash y de las pantallas de los smartphones usan tecnología LED por ejemplo.

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Modelo RGB para la representación de colores. Fuente: fotovideotec.de

Isaac Newton descubrió en el s.XVII que el espectro de luz visible se podía descomponer en 7 colores (del violeta al rojo), gracias a sus experimentos con prismas.

Para obtener luz blanca basta recrear el espectro visible usando distintas longitudes de onda como el azul, verde y rojo. En eso consiste el RGB (Red/Green/Blue), el modelo “aditivo” que usamos para representar colores en dispositivos electrónicos (TV, ordenadores, cámaras).

Los primeros LED eran rojos y se desarrollaron a comienzos de los 60′. Los LED verdes se obtuvieron a finales de dicha década, pero los azules necesitaron 30 años más. 

El sistema LED emplea materiales semiconductores pero los cristales de nitruro de galio (GaN) necesarios para el azul se hacían polvo, literalmente

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Cristal de nitruro de galio. Fuente: Sustainable nano. Si quieren saber más sobre los diodos LED les recomiendo visitar dicha web.

A pesar de los esfuerzos de la industria y centros de investigación la tecnología necesaria para crecer dichos cristales con las propiedades precisas no estaba disponible.

Y aún teniéndola no fue hasta finales de los 90′ (gracias a nuestros héroes japoneses), cuando se hizo la luz azul y blanca de LED, con el desarrollo de cristales de GaN de alta calidad y el diseño adecuado. Para que se hagan una idea, hace falta superponer hasta 7 capas de distintos materiales cuyo grosor es inferior a una micra para conseguir la emisión de luz azul LED.

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Espectro habitual de un LED blanco de uso doméstico y sus 2 componentes: el pico del LED azul y la “colina amarilla” del fósforo. Fuente:Behar-Cohen y col. (2011)

Hoy en día el sistema más habitual y barato de obtener luz blanca no es combinar 3 LED (azul/verde/rojo), sino acoplar un LED azul (o UV) a una lámina de fósforo. Éste absorbe parte de la luz azul, excitándose y emitiendo luz a longitudes de onda desplazadas al amarillo. La suma de ambos la percibimos como luz blanca.

La luz azul es muy útil !! Los diodos de láser azul aumentarán la capacidad de almacenar y acceder a la información respecto al láser rojo tradicional (el Blu-ray es un ejemplo). Y el uso de LED UV (posible gracias a los LED azules) podrían servir para esterilizar agua.

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Luz cálida (A) y fría (B) de tubos fluorescentes. (C) y (D) son ejemplos de luces típicas (amarillenta y blanca, respectivamente) en espacios públicos. Fuente: Behar-Cohen y col. (2011)

Sin embargo, también tiene sus riesgos.  En los próximos años asistiremos al uso generalizado de luz blanca LED en espacios públicos y domésticos. Esto aumentará en teoría nuestra exposición al azul, cuya longitud de onda es relativamente más energética.

Nuestros ojos perciben tonos fríos o cálidos de luz según el predominio de ciertas longitudes de onda (temperatura del color, con unidades en grados kelvin: 2000-3000 K sería luz amarillenta y 5000-7000 K, blanca fría). La luz LED estándar es fría por su tono más azulado. Observen si no los ejemplos de luces “tradicionales” y compárenlos con el LED.

—Los riesgos de la luz azul se conocen desde hace 4 décadas—

Por ello, la Agencia Francesa para la Seguridad Alimentaria, del Medio Ambiente y Ocupacional (ANSES) coordinó un grupo de expertos para elaborar un informe sobre LEDs, citado en 2011 en la publicación científica “Light-emitting diodes (LED) for domestic lighting: Any risks for the eye?”.

En ella se insiste en que las células ganglionares y del epitelio pigmentario de la retina son susceptibles de sufrir daños a causa del azul. En concreto, la interacción de luz azul con moléculas de la retina supone un riesgo potencial para ciertos grupos de edad (niños y ancianos) y patologías oculares (degeneración macular, glaucoma, afaquia o pseudofaquia).

Con el fin de reducir la toxicidad potencial de la luz, ANSES recomienda evitar LED fríos (con mucho azul) en lugares frecuentados por niños o en aquellos objetos que usen a menudo (juguetes, paneles electrónicos, consolas, luces nocturnas).

Esto se debe a que en niños se transmite un 65% de luz azul a la retina, mientras que con la edad el cristalino aumenta la absorción del azul.

La recomendación general es reducir la exposición al azul en luz artificial. En comparación a la luz natural y a igual temperatura de color el LED doméstico suele poseer un 20% más de azul.

El mercado ofrece muchos tipos de LED y temperaturas de color. Sólo se trata de informarnos bien y emplear las luces adecuadas en cada caso. Para lámparas de uso doméstico son recomendables ambientes cálidos y temperaturas de color bajas (sobre 2800 grados kelvin).

Las algas no tienen problemas con el azul, es su color favorito. Están expuestas a un espectro de luz desplazado al azul-verdoso (λ <500 nm), porque el agua absorbe las longitudes de onda largas.

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La diatomea Haslea sp. aislada en El Hierro (Canarias). Autor: F. Rodríguez

En conjunto las algas son un filtro verde-azulado (en palabras de Shirley Jeffrey) que aprovecha esa luz tan especial gracias a una gran diversidad de pigmentos.

Pero además de la fotosíntesis, el color azul cumple un papel importante para activar fotoreceptores específicos que controlan (en diatomeas por ejemplo), el movimiento de los cloroplastos y la división celular.

También en diatomeas, la luz azul favorece la producción de marenina, un pigmento azulado propio del género Haslea.

La aclimatación del aparato fotosintético a los cambios de calidad de luz (no sólo al azul sino a todo el espectro visible), se llama adaptación cromática. Afecta al contenido y proporciones de pigmentos fotosintéticos y es un fenómeno bien conocido en cianobacterias, que poseen compuestos con máximos de absorción a distintas λ (ficoeritrinas y ficocianinas, de color rojo y azul, respectivamente).

Todos los días sale el sol comp

Emiliania huxleyi. Autor: Sergio Seoane.

Los eucariotas no tienen esos pigmentos (excepto las criptofíceas), así que las evidencias de adaptación cromática son más bien escasas.

Sobre esto, les comentaré los resultados de un estudio recién publicado en colaboración con José Luis Garrido, del IIM-CSIC en Vigo, investigador experto en pigmentos (y colega mío, ya era hora de hablar de los amigos !!) que trabaja desde hace años con Emiliania huxleyi.

Emiliania es un cocolitofórido del que hemos tratado más de una vez por su importancia ecológica. Tiene muchos pigmentos y es un modelo ideal para estudiar sus cambios frente a la luz.

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Diseño de los LED y filtros de colores en el trabajo de Emiliania. Fuente: Garrido y col (2016)

José Luis diseñó el siguiente experimento: cultivar una cepa de Emiliania en una sala equipada con LED blancos y filtros azules, verdes y rojos. Y algunos pigmentos cambiaron en respuesta a esos colores… 

En concreto carotenoides relacionados con la fucoxantina, los más importantes para capturar luz en Emiliania —que no tendrían motivos, en principio, para que les afecte el color ya que absorben λ parecidas

En luz azul el pigmento dominante era la hexanoyloxifucoxantina, muy común en océano abierto donde la luz está enriquecida en el azul.

Pero la luz verde (y roja también), provocaba que la fucoxantina fuese el carotenoide principal. En aguas costeras el espectro de luz es más verdoso y dominan a menudo las diatomeas cuyo principal carotenoide es…lo adivinan? Sí, la fucoxantina.

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Proporción de fucoxantinas con luz AZUL (izquierda) y VERDE (derecha) en Emiliania. Fx (fucoxantina), HFx (hexanoyloxifucoxantina), 4KHF (4-keto-HFx), PFx (pentanoyloxifucoxantina). Datos: Garrido y col. (2016)

En Emiliania estos cambios sugieren que la eficacia fotosintética de las fucoxantinas es distinta y que su diversidad e interconversión optimizarían la fotosíntesis según la λ de los fotones (y no sólo la intensidad de la luz).

Estos resultados son sorprendentes y hermosos para quienes trabajamos con pigmentos desde hace tanto tiempo.

La riqueza pigmentaria de Emiliania no es un capricho de la naturaleza sino que contribuye a explicar su flexibilidad fotosintética y capacidad para proliferar en aguas oceánicas y costeras.

Referencias:

-Behar-Cohen F. Light-emitting diodes (LED) for domestic lighting: Any risks for the eye?. Prog. Retin. Eye Res. 30:239-257 (2011).
-Brunet C y col. Spectral radiation dependent photoprotective mechanism in the diatom Pseudo-nitzschia multistriata. PLoS ONE 9(1): e87015. doi:10.1371/journal.pone.0087015
-Garrido JL y col. Pigment variations in Emiliania huxleyi (CCMP1370) as a response to changes in light intensity or quality. Env. Microbiol. (in press, 2016). DOI: 10.1111/1462-2920.13373

Maravillas de Canarias

No es la primera vez que nos visitan las Noctilucas: sus mareas rojas, la bioluminiscencia, incluso una canción, todo lo que tocan sus flagelos es un éxito!! En esta ocasión las serviré de primer plato pero los protagonistas son otros. Hoy contemplarán algunas de las imágenes más bellas en este rincón de la web. Les daré una pista: Dictyocysta.

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Marea roja de Noctiluca scintillans en Gran Canaria (Islas Canarias). Autor: E. Soler

El autor de dichas imágenes es Emilio Soler Onís, investigador en el BEA (Banco Español de Algas) de Telde (Gran Canaria).

No pude resistir la tentación de pedírselas para el blog y amablemente me las ofreció.

13 de abril de 2016: 12 millas al sur de la isla de Gran Canaria se extienden manchas enormes de color anaranjado típicas de Noctiluca scintillans.

Emilio Soler, a bordo de un helicóptero de salvamento del Gobierno de Canarias, realizó estas imágenes y recogió muestras que confirmaron el dominio de Noctiluca…y preparó otras para su estudio al microscopio electrónico. Aquí quería yo llegar…!!

Captura de pantalla 2016-04-13 a las 18.07.30

Otra foto de la misma proliferación de Noctiluca. Autor: E. Soler

Las imágenes de microscopía óptica pueden ser fascinantes, pero las del electrónico poseen aspecto tridimensional y su aumento revela los detalles más insignificantes, a veces imprescindibles, para conseguir identificar un organismo a nivel de especie.

Los electrones revelan un mundo oculto. Las imágenes de microscopía electrónica trascienden incluso el ámbito científico y nos regalan la sensación de visitar una galería de arte.

Entremos a la galería microscópica…

Al comienzo de 20.000 leguas de viaje submarino el capitán Nemo se dedicaba a hundir barcos con el Nautilus, al que confundían con un narval (el unicornio del mar). Por eso enviaban al naturalista Pierre Aronnax a investigar tales sucesos. Ése capítulo se llamaba “Un écueil fuyant” y en su honor títulé la siguiente imagen…

 

Un escollo fugitivo (Prorocentrum micans)

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La espina en la zona anterior de este dinoflagelado coincide con el sentido del movimiento. Autor: E. Soler

Fruta prohibida (Prorocentrum balticum)

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Diminuto y fotosintético. Los aumentos están indicados después de la “X” y cada imagen posee su escala en micras (milésimas de milímetro). Autor: E. Soler.

La cuenta atrás (Protoperidinium)

protoperidinium2

Las placas (o tecas) que recubren a este dinoflagelado heterótrofo están formadas por celulosa. Autor: E. Soler.

Llega el turno de los protagonistas: primero el cocolitóforo Emiliania huxleyi, una especie formadora de “blooms” espectaculares en el océano, tan abundante como fotogénica. Posee cocolitos (anillos calcáreos) que recubren su célula como una armadura. Comparen la escala: Emiliania es pequeñita…

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Emiliania huxleyi. La forma de sus cocolitos sirve para clasificarlas en distintos morfotipos. Autor: E. Soler.

Les aconsejo que amplíen esta imagen para contemplar mejor “la decoración

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Ciliado (tintínido) del género Dictyocysta. Autor: E. Soler. ¿Encontraron la Emiliania?

Los tintínidos forman parte del microzooplancton: la mayoría son marinos y todos son planctónicos, no hay especies bentónicas. Poseen cubiertas celulares de naturaleza proteica llamadas loriga o lórica. Tradicionalmente se dividen entre los que las mantienen limpias o los que las recubren de partículas. Esta división tiene significado ecológico: los primeros son de océano abierto y los segundos de aguas costeras, como Dictyocysta.

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Ilustraciones de tintínidos realizadas por Haeckel (1873). Pertenecen a Dictyocysta los 5 de la derecha y los 5 de la izquierda son Codonella. Fuente: Gallery.obs-vlfr.fr

Los tintínidos que recubren sus lóricas pueden hacerlo a su vez con materiales de origen biológico (cocolitos, frústulas de diatomeas,) o usando partículas no biogénicas (granos de arena).

En ambos casos es un proceso activo controlado por el tintínido, aunque no se conocen los mecanismos de aglutinación y la posible selectividad para escoger ciertas partículas.

Algunos autores sugieren que los restos biogénicos podrían proceder de su alimentación. En Codonella elongata los cocolitos se orientan siempre de la misma manera, con su cara externa hacia fuera. Son unos organismos curiosos a los que Haeckel tampoco se resistió…

¿Qué me pongo hoy, cocolitos o diatomeas? 

Un experimento de fertilización fue la ocasión ideal para despejar las dudas sobre si los tintínidos eligen (o no) su decoración…

El aumento súbito de nutrientes en el mar cambia la composición del fitoplancton y suele producir un dominio temporal de diatomeas sobre grupos como los cocolitóforos.

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Stenosemella sp. al inicio del EIFEX. Fuente: Henjes & Assmy (2008)

Así de listos fueron Henjes & Assmy (2008), muestreando tintínidos antes y después de 2 experimentos de fertilización con hierro (EIsenEX y EIFEX, océano Antártico).

Al principio del EIFEX las lóricas de Stenosemella estaban cubiertas de cocolitos, coincidiendo con una proporción alta de Emiliania huxleyi respecto a frústulas rotas de diatomeas. Alguien calculó una vez que cada tintínido lleva una carga de cocolitos equivalente a unas 11 Emilianias…!!

Sin embargo, un mes después del EIFEX, la proporción de frústulas rotas de diatomeas había aumentado muchísimo en el mar respecto a los cocolitóforos y el aspecto de Stenosemella era el de haberse estampado contra un cargamento de chatarra (de diatomeas).

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Stenosemella 1 mes después del EIFEX. Fuente: Henjes & Assmy (2008)

Así que los tintínidos (al menos los que estudiaron Henjes & Assmy), parecen recoger la basura que encuentran, igual que Wall-E

El título de su trabajo lo resume a la perfección y con él me despido por hoy:

Particle Availability Controls Agglutination in
Pelagic Tintinnids in the Southern Ocean

WALL-E

Wall-E. Fuente: The Pixar Times

Referencias:

-Dolan J.R. Introduction to tintinnids. The Biology and Ecology of Tintinnid Ciliates: Models for Marine Plankton. Capítulo 1:1-16 (2013).
-Henjes J & Assmy P. Particle Availability Controls Agglutination in Pelagic Tintinnids in the Southern Ocean. Protist 159:239-250 (2008).

 

Agradecimientos: a Emilio Soler Onís por las imágenes de las muestras de Noctiluca.

 

 

 

 

 

 

 

Blooms, boleros y el cambio climático

Las proliferaciones de fitoplancton son vitales para las pesquerías y juegan un papel importante en la bomba biológica de CO2 y la exportación de carbono hacia el océano profundo. Suceden gracias a una combinación de variables físicas (temperatura, estratificación superficial, etc) e interacciones biológicas (predación, virus), allí donde las tasas de división superan a las pérdidas de forma sostenida durante semanas o incluso meses.

Lo importante es un saldo positivo, no que las tasas de división sean altas.

Igual que un iceberg, donde asoma muy poco a la superficie, un bloom es apenas la cumbre de una “montaña” de productores primarios que en su mayoría sucumben a los predadores o la dilución del océano.

El secreto de un bloom está en que las tasas de división aumenten progresivamente, un crescendo de principio a final como el bolero de Ravel. Las proliferaciones ocurren en regiones donde los nutrientes son elevados en alguna época del año y la física del océano consigue romper el equilibrio entre el crecimiento y las pérdidas del fitoplancton.

¿Les afectará el cambio climático? , porque sus efectos se harán notar en la física que gobierna los blooms, especialmente en latitudes altas. La magnitud de las consecuencias es incierta y depende de las hipótesis que usemos para explicar los blooms. Pero ya que hablamos de cambio climático permítanme una reflexión…

El Intermedio - Comida escolares 4

Nadie mejor que Wyoming y Sabatés para ilustrar la reflexión. Fuente: Luismiguelfuentes

Hace unos días encontré en el parabrisas del coche el panfleto de un grupo de “estudios bíblicos” (sea lo que sea), en el que hablaban de 7 señales que anuncian el fin del mundo. SOS La Tierra, decía.

Entre las habituales (los pecados de la sociedad, etc), me llamaron la atención las dos últimas.

 

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Cuál es el problema?

 

 

 

La ciencia afortunadamente progresa en beneficio de la sociedad. El único problema es un mal uso o que los beneficios no alcancen a millones de personas (las que tienen menos recursos y más los necesitan).

Pero no deja de sorprender que siga levantando tanta desconfianza y voces de apocalipsis medieval en el siglo XXI. A menudo es falta de información o bulos que corren como la pólvora. Es la única explicación para que existan partidarios de la existencia de la Tierra plana (The Flat Earth Society), por no hablar del creacionismo, el terror a los transgénicos (ojo a la “amenaza” CRISPR), y paro que me pierdo !!

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Habría que estudiar lo que hace el fitoplancton en las esquinas. Autor: Orlando Ferguson (1893). Fuente: Flat Earth Society.

Dicho esto, no son muy distintos los negacionistas del cambio climático que, por intereses económicos o puro desdén, ignoran las pruebas de cómo la actividad humana está alterando y modificará (si no lo remediamos), el clima y el aspecto de nuestro planeta, extinguiendo a su paso numerosas especies incapaces de adaptarse.

No es por casualidad que la revista Nature haya lanzado en 2011 su edición Nature Climate Change que recoge específicamente los estudios relacionados.

Por ejemplo “Climate-mediated dance of the plankton” (Behrenfeld, 2014), que discute los factores que regulan la distribución y abundancia del fitoplancton, y la importancia de entender cómo se forman los blooms para mejorar nuestras predicciones en relación al cambio climático.

Para empezar, si algo define al plancton es la interacción entre niveles tróficos y la tendencia al equilibrio de predadores y presas. Éste es uno de los motivos, aparte de la física del océano, para que la biomasa del fitoplancton no sea proporcional a sus tasas de crecimiento.

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En “Mi Tierra” (1993) hay más boleros que en todos los océanos del mundo.

Según la región del océano, presas y predadores danzan más o menos a la par. En océano abierto bailan apretaditos, como al son de un bolero. Las condiciones ambientales y de crecimiento (capa de mezcla, luz, nutrientes) son muy estables en los giros oligotróficos. La biomasa del fitoplancton es baja pero no porque sus tasas de división sean menores sino por el control que ejerce un ecosistema en equilibrio.

El cambio climático tendería a favorecer estas condiciones de estabilidad en el océano abierto y podría ser la razón de su aparente expansión (un 15% ente 1998-2006), según imágenes del SeaWIFS (Polovina y col. 2008).

En las zonas donde prolifera el fitoplancton predadores y presas bailan más sueltos, al ritmo de un rock n’ roll. El forzamiento físico desplaza del equilibrio al ecosistema planctónico provocando aceleraciones y deceleraciones en las tasas de división en la capa de mezcla, cuya profundidad varía enormemente entre el máximo de invierno y el mínimo de verano.

En contra de la teoría clásica de Sverdrup sobre la profundidad crítica de la capa de mezcla, los satélites y datos in situ nos han chivado lo siguiente: durante el invierno en las regiones subárticas la biomasa del fitoplancton comienza a aumentar mucho antes de la estratificación de primavera. Esta observación sugiere que el calentamiento global y una mayor estabilidad en la capa de mezcla podría suponer, paradojas del destino, una menor productividad del fitoplancton en latitudes altas. Las peores predicciones estiman un descenso de hasta un 40% en el Atlántico subártico de aquí a finales de siglo.

Todos los días sale el sol comp

Emiliania huxleyi. Una de las fotos más famosas y bonitas de este blog. Autor: Sergio Seoane.

Otra de las calamidades anunciadas por culpa del cambio climático es la acidificación del océano (del 8,1 actual se podrían restar 0.3-0.4 puntos a final de siglo), y sus efectos perjudiciales sobre los organismos con cubiertas calcáreas como los arrecifes, foraminíferos o cocolitofóridos (responsables de proliferaciones como el caso de Emiliania huxleyi).

Pero al menos en el caso de los cocolitofóridos podría tratarse de todo lo contrario. La serie de datos del Continuous Plankton Recorder en el Atlántico Norte ha revelado un aumento del 2 al 20% en la presencia de cocolitofóridos entre 1960-2010, con aumentos regionales de ∼10 veces en su abundancia (Rivero-Calle y col. 2015).

Esta observación coincide con el hecho de que en los cocolitofóridos la fotosíntesis es particularmente sensible a la limitación por CO2 y los experimentos en cultivos indican que los niveles altos de CO2 disuelto suelen estimular su crecimiento.

Respecto a la acidificación y los daños en sus estructuras calcáreas, existe una gran variedad de respuestas en el laboratorio. El mensaje es optimista y sugiere que la capacidad de adaptación en poblaciones naturales es enorme gracias al “banco genético” que éstas atesoran. Y esta riqueza genética permitirá que los fenotipos mejor adaptados (p. ej. con cubiertas más gruesas) puedan hacer frente a los aumentos de CO2 durante el s. XXI, y más allá…

Los efectos del cambio climático sobre la bomba biológica de CO2 son difíciles de predecir. Los océanos son el principal sumidero de dicho gas en nuestro planeta y el reto presente (y futuro) es monitorizar sus parámetros físicos y biológicos a tiempo casi real y escala global. Todo esto será más sencillo gracias a satélites de nueva generación como el Sentinel-3A. Lanzado por la ESA el pasado 16 de febrero, tendrá la misión de cartografiar la superficie de nuestro planeta transmitiendo datos cada 3 horas todos los días del año (los satélites, a diferencia de los científicos, no cogen vacaciones).

Aquí le pueden ver cruzando el cielo de Rusia y la aurora boreal…

Los datos obtenidos por el Sentinel-3A se utilizarán principalmente en el Copernicus Marine Environment Monitoring Service (Servicio de vigilancia de entornos marinos de Copérnico) y se espera que facilite información fundamental para la monitorización de océanos y costas, la predicción meteorológica y oceánica, las variaciones del nivel del mar, la topografía de la superficie marítima, etc…La base de muchos estudios futuros sobre la evolución de los océanos y el fitoplancton en nuestra redonda y recalentada Tierra.

Referencias:

-Behrenfeld MJ. Climate-mediated dance of the plankton. Nature Climate Change DOI: 10.1038/NCLIMATE2349 (2014).
-Polovina JJ y col. Ocean’s least productivity waters expanding. Geophys Res Lett 35, L03618 (2008).
-Rivero-Calle S y col. Multidecadal increase in North Atlantic coccolithophores and the potential role of rising CO2. Science Express 10.1126/science.aaa8026 (Nov 2015).
-Rost B y col. Carbon acquisition of bloom-forming marine phytoplankton. Limnol Oceanogr 48:55-67 (2003).
-Web CO2 SCIENCE: Ocean Acidification (Effects on Marine Plants: Phytoplankton — Coccolithophores) — Summary.

 

El mundo de las margaritas

Dos margaritas (O Castro, Vigo).
Daisyworld (el mundo de las margaritas) es un modelo matemático. Se trata de un planeta imaginario donde solo hay flores, sin nubes y con un sol parecido al nuestro. Lo idearon A. Watson y J.E. Lovelock en 1983 para demostrar que los seres vivos regulan el clima del planeta. Dentro de unos márgenes (al fin y al cabo son margaritas).
Todo esto en el contexto de la teoría de Gaia, de la que hablaremos más tarde.
En Daisyworld las flores pueden ser blancas ó negras. Las negras absorben mucho calor del sol, mientras que las blancas reflejan la luz y el planeta se calienta menos. Un último detalle: en el mundo de las margaritas el sol aumenta paulatinamente su energía.
Esto es lo único real en el modelo: las estrellas a medida que envejecen aumentan su radiación y hace unos 3.000 millones de años “Lorenzo” brillaba un 25% menos. Pues bien, ¿qué pasa en daisyworld?

 

La simulación se puede ver en la web

Primero crecen las flores negras y luego, a medida que aumenta la energía del sol, las margaritas negras que viven en los trópicos empiezan a ser sustituidas por las blancas, que terminan por extenderse hacia las latitudes más altas.

Esta sucesión en las flores permite controlar la temperatura, pero finalmente, cuando el sol brilla con demasiada fuerza (1.5 veces su valor real) las margaritas blancas también mueren. Desprovisto de vida la temperatura del planeta se dispara…tal como muestra la gráfica.

En la Tierra también disfrutamos de una temperatura media muy inferior a la que le correspondería si no existiese la vida. Y la capacidad del planeta para regular el clima también es limitada. Lovelock discute en uno de sus últimos libros “La venganza de la Tierra” sobre cómo hemos declarado la guerra al planeta, reduciendo su capacidad para regular el clima. Una visión apocalíptica y un libro muy recomendable.
Porque su mensaje básico es que hemos cruzado ya un punto de no retorno. Por muchos esfuerzos que hagamos por ser “verdes y ecologistas” la Tierra seguirá aumentando su temperatura hasta alcanzar un nuevo punto de equilibrio.
Luces nocturnas en Asia y Australia.
Disponible en la web Earth Observatory (NASA)
Gaia era la diosa griega de la Tierra. En los años 70′ surgió la hipótesis Gaia en la que J.E. Lovelock y Lynn Margulis propusieron que nuestro planeta es un “super-organismo” que autoregula el clima y la química para que éstos sean adecuados para la vida. No dijeron que la Tierra esté efectivamente viva. Pero sí que se comporta como si lo estuviera.
Gaia son las formas de vida y la geoquímica del planeta que interaccionan y se ajustan a los cambios en el medio ambiente de cada época, manteniendo un equilibrio dinámico…
Puesta de sol en Marte.
Disponible en la web de la NASA
http://www.nasa.gov/multimedia/imagegallery/image_feature_347.html
En contraste tenemos el equilibrio químico “inmutable” de planetas “muertos” como Marte.
Lovelock trabajó para la NASA a mediados del s.XX. Su trabajo era idear algún instrumento que permitiese detectar si había vida en Marte. Y él pensó en analizar la composición de la atmósfera.
Sugirió que si existiese vida “marciana” tendría que haber allí algo de oxígeno y metano.
En aquella época no se detectaron, pero hoy sabemos que existen trazas de ambos y no se puede descartar totalmente una fuente biológica !!
¿A qué viene todo esto en un blog de algas? Ahora vamos con ellas…
Hace ya unos cuantos años (parece que fue ayer) pude oler un cultivo masivo de la haptofita Emiliania huxleyi que mantenía mi colega J.L. Garrido en el Instituto de Investigaciones Marinas de Vigo (CSIC).
Todos los días sale el sol compEmiliania huxleyi.
Autor: Sergio Seoane.
Su “perfume” por así decirlo, recordaba a los huevos podridos y provenía del azufre, en concreto del DMS (dimetil sulfuro). Casi todas las algas lo producen, aunque para ser correctos habría que decir que lo que fabrican es en realidad un precursor del DMS, el DMSP (dimetilsulfoniopropionato). Los mayores productores de DMSP del fitoplancton son cocolitofóridos como Emiliania, pequeños flagelados como Phaeocystis y diversos dinoflagelados.

El DMS es la fuente natural de azufre a la atmósfera más abundante en el océano. La “presentación en sociedad” del DMS se la debemos principalmente ¿adivinan a quién? Sí, otra vez a James E. Lovelock.Él propuso en 1972 su importancia en el ciclo del azufre. De la atmósfera vuelve a los continentes mediante la lluvia y vuelve a ser utilizado por plantas y animales para fabricar las proteínas, por ejemplo.

Pues bien. En 1987 se publicó en Nature un trabajo titulado “Oceanic phytoplankton, atmospheric sulphur, cloud albedo and climate”. Lo firmaban Charlson y col. (Lovelock entre ellos). En él relataban que el DMS estaba relacionado con la formación de nubes y con el clima. Las nubes aumentan el albedo (la luz que refleja la Tierra, como las margaritas blancas) así que el aumento de fitoplancton controlaría el calentamiento del clima a través del DMS.
¿Qué sabemos hoy de esto, sigue siendo verdad ó no…?
lo sabremos en la próxima entrada.
Mientras, aquí les dejo una sentencia de Lovelock “…un ascenso del nivel del dióxido de carbono a 500 ppm, ascenso que ya es inevitable, irá acompañado de un profundo cambio climático“. El último dato que ofrece en su web el Observatorio del Mauna Loa (enero 2013), es de 395 ppm, que aumentan a un ritmo lento pero constante de 2 unidades cada año…
Referencias
-Lovelock J.E. La venganza de la Tierra. Ed. Planeta, 249 pp (2006).
-Simó, R. Production of atmospheric sulfur by oceanic plankton: biogeochemical, ecological and evolutionary links. Trends. Ecol. Evol. 16: 287-294 (2001).
-Watson A & Lovelock J.E. Biological homeostasis of the global environment: the parable of Daisyworld. Tellus 35B: 284-289 (1983).

Como el gato de Cheshire

 
Título de la imagen: “Todos los días sale el sol”
Emiliania huxleyi. Autor: Sergio Seoane.
1er premio Concurso Microfotografía Biomedicina 2011
http://www.ehu.es/SGIker/fotos/picture.php?/812/category/18

Al final sale el gato, pero primero lo primero.

Los únicos seres vivos que vemos desde el espacio son las algas, ¿cómo puede ser esto si necesitamos un microscopio para observarlas?

Las algas absorben y reflejan parte de la luz que reciben y esto cambia el aspecto del mar. Dependiendo de la abundancia y el tipo de células, el efecto que producen puede verse incluso desde el espacio, como en esta imagen del satélite MODIS, a 705 km. de altura en el golfo de Vizcaya.

Se trata de una proliferación de Emiliania huxleyi, un cocolitofórido del grupo de las algas primnesiofíceas. Sus células están recubiertas de placas de carbonato cálcico llamadas “cocolitos”. Emiliania forma densas proliferaciones en la superficie del océano, que llegan a alcanzar hasta 100.000 km2, aproximadamente el tamaño de Portugal…!

Los “cocolitos” de Emiliania reflejan la luz como si fuesen miles de diminutos espejos sumergidos en el mar…además, para fabricarlos Emiliania consume dióxido de carbono, aumentando la absorción en el océano de este gas con efecto invernadero.

En la imagen inferior podemos ver muchas células de Emiliania (las formas redondeadas de color dorado), donde algunas de ellas han perdido los cocolitos.

Emiliania huxleyi (vista a 400x)

Es como una sopa de letras en la que siempre se repite la “O”. Emiliania también tiene otra peculiaridad. Junto con los dinoflagelados, las primnesiofíceas son los grupos de algas que producen mayor cantidad de DMS (dimetilsulfuro).

Esta sustancia se oxida en la atmósfera y da lugar a partículas de aerosol que favorecen la condensación y formación de nubes. Esto también reduce el efecto invernadero ya que las nubes devuelven mayor radiación solar al espacio.

El gato de Cheshire (Alice in Wonderland, Disney, 1951)

Y llegamos por fin al gato de Cheshire, el famoso personaje de “Alicia en el País de las Maravillas”, que aparece y desaparece, dejando su sonrisa en el aire antes de perderse de vista…

En ecología, existe la teoría de la “Reina Roja”, personaje del mismo libro, que sirve para explicar lo que sucede entre un parásito/virus y su huésped, por ejemplo. Ambos disputan una carrera evolutiva en la que intentan superarse el uno al otro, sólo para seguir vivos…igual que la Reina Roja corre y corre para permanecer en el mismo sitio.

La teoría del gato de Cheshire (Frada et al. 2008) para Emiliania describe lo siguiente:
las células que forman cocolitos son inmóviles y sufren el ataque de un virus específico,
que las destruye y puede ocasionar el final de las proliferaciones.
Cuando el ataque del virus es intenso, Emiliania se transforma en células más pequeñas que pueden nadar y no forman cocolitos…éstas células son inmunes al efecto del virus…!!

El gato de Cheshire desesperaba a Alicia con sus juegos…y cuando le condena a muerte la Reina Roja cortándole la cabeza, también la burla haciendo desaparecer antes su propia cabeza…

Emiliania, como él, también cambia de forma para ser invisible a su verdugo……Quién sabe! quizás en ese momento también podamos ver una sonrisa
bajo el mar…!!

Referencias:

-Frada M, Probert I, Allen MJ, Wilson WH, de Vargas C. The Cheshire cat escape strategy of the coccolitophore Emiliania huxleyi in response to viral infection. PNAS 105:15944-15949 (2008).