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Las diatomeas de los ahogados

Imagen de portada: fotograma de «La playa de los ahogados» (2015). Fuente: lacabecita

-Parece que lo ayudaron a ahogarse.

-¿Y eso?

-Tiene las manos atadas.

La playa de los ahogados (Domingo Villar, 2011)

Hace un mes en «Territorio Negro» de Julia en la Onda entrevistaron a Ana García Rojo (responsable de entomología de la comisaría general de policía científica), acerca de la importancia de los insectos para resolver crímenes.

La gran Julia Otero. Aquí tienen el enlace a la entrevista con Ana García Rojo.

Pues bien. Además de insectos Ana citó también el uso de diatomeas en estudios forenses.

Fue una mención fugaz, pero tuvo el mismo efecto que los focos de un todoterreno cegando a un conejo (siendo yo el conejo, por supuesto).

Y esa luz cegadora llevó a esta entrada que por otra parte será más bien oscura…

Las diatomeas son marcadores forenses en sistemas acuáticos. Y podría citar dos motivos principales:

>>> 1) Se encuentran de manera generalizada y abundante según la época del año en medio marino, aguas continentales y muestras de suelo.

>>> 2) Son muy resistentes. Literalmente piedritas por sus cubiertas de sílice que soportan tratamientos ácidos y tan diversas que permiten la identificación de especies.

Muestra de la ría de Pontevedra (junio 2013) llena de diatomeas. Autor: F. Rodríguez

Su empleo en patología forense no es nuevo, se llevan utilizando desde inicios del s.XX.

¿Qué información esconden las diatomeas?

Pongámonos en situación. Se trata de establecer las causas y el lugar de fallecimiento de la víctima de un crimen…

…y sobre esto las diatomeas pueden ayudar a conocer si la víctima murió por ahogamiento (e incluso donde).

Encontrar a la víctima en el agua no es indicio suficiente para saber si se ahogó. Y aunque el cadáver se descubra fuera del agua, quizás se ahogó y luego lo trasladaron.

Si la persona estaba viva habrá inhalado agua antes de morir de modo que los pulmones se encharcan.

Diseminación de diatomeas en el cuerpo humano en función de que exista ahogamiento o muerte previa. Fuente: Pinterest (Sandi Weyl)

Y la ruptura de alvéolos pulmonares permite que el agua ingrese al torrente circulatorio, diatomeas incluidas.

Luego estas se dispersan por diferentes órganos (cerebro, corazón, riñones, hígado, etc) y médula ósea.

El tamaño máximo de las diatomeas que traspasan la barrera alvéolo-capilar es de unas 110 µm e incluso superior.

Esto abarca a una enorme diversidad de géneros y estudios sobre tejidos de cadáveres en agua dulce citan entre otros a Achnanthes, Amphora, Asterionella, Campylodiscus, Cocconeis, Cyclotella, Fragilaria, Melosira, Navicula, Nitzschia, Pinnularia, etc.

La detección de diatomeas en tejidos humanos suele realizarse en órganos y en la médula ósea del fémur, previo tratamiento (con ácido nítrico, proteinasa K, etc), para eliminar la materia orgánica.

Por el contrario, si la víctima estaba muerta y la metieron después en el agua, las diatomeas pueden entrar en los pulmones, pero no existirá transporte activo al resto de órganos y médula ósea.

Si la muerte es reciente, pueden haber signos externos de ahogamiento (piel pálida, espuma en boca y nariz). Pero transcurrido el tiempo esas evidencias desaparecen y el test de diatomeas puede ser muy valioso.

Asterionella formosa es una de las diatomeas descubiertas en víctimas de ahogamiento en un estudio en Finlandia (Auer, 1991). Fuente: nordicmicroalgae.

Aunque las diatomeas distan mucho de ser infalibles. Influyen muchos factores como su abundancia en el medio, el tiempo transcurrido hasta la muerte, el estado del cuerpo, etc. Su concentración se reduce varios órdenes de magnitud a medida que entran en los pulmones y se dispersan en los tejidos del cuerpo…

Aún así, el test de diatomeas podría confirmar 1 de cada 3 casos de ahogamiento.

Un análisis sobre 738 víctimas en Ontario (Canadá) concluyó que las diatomeas corroboraron un 28% de ahogamientos. Y los aciertos del test estuvieron asociados con su ciclo estacional: a mayor abundancia en el medio, mayor probabilidad de encontrar diatomeas en las víctimas. Lógico.

La playa de la novela es «A Madorra», en Nigrán. Fuente: casadellibro.

Curiosamente, el test de diatomeas también ha servido para confirmar algunas muertes por ahogamiento en cuartos de baño y piscinas…

Para confimar un positivo se consideran, según los autores, diferentes umbrales.

Como más de 20 frústulas de diatomeas por 100 μL de sedimento extraído en 2 gr de tejido (p.ej. corazón, cerebro, riñón, hígado y médula ósea) o 20-40 frústulas en 5 gr de médula ósea, etc.

Dichos valores pueden variar según el tejido analizado y no existe un criterio estándar para toda la comunidad forense.

La biología molecular (secuenciación de genes ribosomales y mitocondriales) también se ha incorporado recientemente a la identificación de plancton en estudios forenses.

En este caso, además de las diatomeas, la presencia de algas verdes y cianobacterias permite obtener resultados positivos (incluso en ocasiones donde han fallado las diatomeas).

Por otra parte, la diversidad y composición de diatomeas en tejidos humanos puede indicar el posible escenario del crimen al relacionar las muestras de agua o suelo con las de la víctima.

Lo mejor es ilustrarlo con casos reales donde las diatomeas jugaron un papel fundamental…

Y en Diatoms and homicide (Pollainen, 1998) tenemos ejemplos muy truculentos ya les aviso…

El reconocimiento automático de imágenes es otra técnica que podría incorporarse a estudios forenses. Modelo de identificación GoogleNet Inception-V3. Fuente: Zhou Y. y col. (2020).
  1. Un niño de 5 años en el fondo de un lago. La médula ósea del fémur reveló dos diatomeas características también presentes en muestras del lago junto al cadáver. Al final su padre confesó el asesinato.
  2. Los restos carbonizados de una adolescente en una maleta abandonada en un aparcamiento. Pues bien. Se encontraron diversas diatomeas en la médula ósea del fémur y seno maxilar revelando la muerte por ahogamiento.
  3. Un transexual de 38 años fallecido en una bañera llena de agua y jabón. En su médula ósea femoral descubrieron cuatro tipos de diatomeas iguales a las de la bañera. Tenía lesiones de estrangulamiento pero le ahogaron bajo el agua.
  4. El cadáver de una joven de 25 años en avanzado estado de descomposición en un bosque. Observaron diatomeas en la médula ósea femoral propias de suelo terrestre. La exploración en la zona donde apareció el cadáver descubrió diatomeas idénticas en charcas temporales del bosque. La habían apuñalado pero murió en una zanja con agua.

Pero las diatomeas no sólo se estudian en el cuerpo de las pobres víctimas. La ropa y el calzado pueden conservar células adheridas con las que relacionar a un sospechoso ¡con el escenario del crimen!

Agradecimientos: a Patricia Quintas (IEO Vigo) que me avisó de la entrevista en Julia en la Onda en cuanto escuchó lo de las diatomeas.

Referencias:

  • Auer A. Qualitative diatom analysis as a tool to diagnose drowning. Am J Forensic Med Pathol 12: 213-218 (1991).
  • Levkov Z. y col. The use of diatoms in forensic science: advantages and limitations of the diatom test in cases of drowning. En: Williams M. y col. (eds). The Archaeological and Forensic Applications of Microfossils: A Deeper Understanding of Human History. The Micropalaeontological Society, Special Publications. Geological Society, London, 261–277 (2017).
  • Pollainen M.S. Diatoms and homicide. Forensic Sci Int 91:29–34 (1998).
  • Verma K. Role of Diatoms in the World of Forensic Science. J Forensic Sci 4:2 (2013).
  • Zhou Y. y col. Research advances in forensic diatom testing. Forensic Sci Res 5:98-105 (2020).

Greta y Grethe

Imagen de portada: Thalassiosira mendiolana. Fuente: Fryxell & Hasle (1972).

Hoy en día muchas revistas incluyen en los papers los nombres completos de los autores. En Botanica Marina incluso fotos y una breve descripción. Igual me equivoco, pero creo que antes no era tan común. Por ejemplo en PubMed (motor de búsqueda de la NLM de artículos de biomedicina y ciencias de la vida) los nombres sólo aparecen desde 2002.

Esto es importante porque humanizan esas firmas y hacen visibles las aportaciones científicas de mujeres y hombres.

En el caso de los apellidos, a pesar de no existir obligación legal, en países como Reino Unido, Francia, EEUU o Australia, por tradición (=herencia de un sistema patriarcal) la mayoría de mujeres sustituyen su apellido de nacimiento, legal y/o socialmente, por el de su marido…

…o lo conservan como middle name…o unen ambos (con guión o compuesto). No sólo eso: si te divorcias y vuelves a casarte, nuevo dilema.

Por ejemplo, Lynn Petra Alexander publicó la teoría de la endosimbiosis celular como Lynn Sagan. ¿Les suena el apellido, verdad?

Lynn Margulis (1938-2011). Fuente: jaivikshastram

Dicho artículo, revolucionario y esencial en la biología evolutiva del s.XX, fue rechazado por unos 15 editores antes de su aceptación en una revista menor. Luego, durante el resto de su prolífica y prestigiosa carrera, firmó tal y como pasaría a la historia de la ciencia: Lynn Margulis.

Nuestras protagonistas de hoy también firmaban los trabajos con el apellido de sus maridos de toda la vida (y su apellido de nacimiento intercalado como middle name).

Grethe R. Hasle (Horten, Noruega: 1920-2013). Fuente: UIO.

Así, Hasle G.R. era la firma de Grethe Rytter Hasle. Y Fryxell G.A correspondía a Greta Albrecht Fryxell.

Ambas fueron figuras esenciales para el avance en el conocimiento de las diatomeas y de la ficología en general.

Sus contribuciones científicas les valieron numerosos reconocimientos y premios en vida.

Además, formaron a nuevas generaciones de investigadores que continuaron y expandieron su legado a otros campos de la investigación marina.

Sus vidas y carreras fueron paralelas. Grethe Hasle fue supervisora de Greta Fryxell en su estancia postdoctoral en la Universidad de Oslo.

De hecho, la primera publicación de Fryxell la firmó junto a Hasle en 1970…y también la última, en 2003, cuando tenían 77 y 83 años respectivamente. Y no fue cualquier cosa sino un capítulo titulado «Taxonomy of harmful diatoms» en una monografía de métodos de UNESCO.

Otro aspecto en el que coinciden es el de haber sido pioneras, no sólo por sus logros, sino porque consolidaron su carrera cuando apenas había científicas permanentes en sus instituciones, países…y mundo en general.

Greta A. Fryxell (Princeton, EEUU: 1926-2017). Fuente: Claremont-courrier

Hasle defendió su tesis doctoral en 1969, con 49 años, y en 1977 se convirtió en ¡la tercera profesora de la historia! en la Facultad de Matemáticas y Ciencias Naturales de la Univ. de Oslo.

Fryxell obtuvo su doctorado a la misma edad, en 1975, y se convirtió en una de las primeras profesoras en la Univ. Texas A&M.

Sobre la investigación de Grethe Hasle su obituario de 2013 cita lo siguiente:

Her general approach to research emphasized that in order to conserve biodiversity in nature, we need to know what is there, where and how much there is, and what environmental factors affect their occurrence.

Edvardsen y col. (2013)

Hasle publicó en 1965 un trabajo de investigación básica en el que describía dos formas de una misma especie, Nitzschia pungens forma multiseries y Nitzschia pungens forma pungens, en base a sutiles detalles morfológicos.

Nitzschia pungens f. multiseries. Fuente: Hasle (1974).

Nadie le prestó mucha atención a este trabajo de taxonomía tan refinado hasta que en 1987 se produjo una intoxicación de origen desconocido en Prince Edward (Canadá). Afectó a un centenar de personas tras consumir mejillones contaminados. Cuatro de ellas fallecieron.

La responsable era una diatomea productora de una nueva clase de toxinas (de tipo amnésico: ácido domoico). Las muestras de la proliferación tóxica se enviaron a David G. Mann y Grethe R. Hasle, quienes ratificaron que se trataba de Nitzschia pungens Grunow forma multiseries Hasle.

Recogiendo mejillones en la isla Prince Edward (Canadá). Fuente: saltwire.

Su hermana casi gemela (Nitzschia pungens f. pungens) no producía toxinas, y genéticamente era suficientemente distinta como para considerarla otra especie.

Así, en 1994 Hasle recuperó al género Pseudo-nitzschia, que por entonces era una sección dentro de Nitzschia, y en 1995 renombró ambas especies como Pseudo-nitzschia multiseries (responsable de la intoxicación en Canadá) y Pseudo-nitzschia pungens.

En total, Hasle describió y/o renombró 21 de las 53 especies hoy aceptadas en el género Pseudo-nitzschia (el único que incluye diatomeas tóxicas junto a contadísimas especies en Nitzschia y Amphora).

En cuanto a Fryxell, su investigación en oceanografía se centró también en las diatomeas de todo el mundo: ciclos de vida, patrones de abundancia y sucesión en el medio natural, especialmente los géneros Thalassiosira, Nitzschia y proliferaciones tóxicas de Pseudo-nitzschia al final de su carrera.

Imágenes de MEB de diatomeas. A) Asteromphalus hookeri, B) Corethron criophilum, C) Cimatosira lorenziana, D) Nitzschia bicapitata. Fuente: Fryxell (1983).

Linda K. Medlin (a quien conocemos de colaboraciones pasadas en el IEO), comenzó su carrera en el laboratorio de Fryxell abriendo camino en los 80′ para un nuevo campo: el estudio filogenético del fitoplancton. Y en el obituario que le dedicó en 2018 recuerda una frase de ella al respecto: ‘Are you sure you know what you’re doing?’.

Linda también recuerda la bienvenida de Fryxell a su laboratorio: [‘So glad that you have seen the light!’ (the light being to work on diatoms)], y su emoción por los descubrimientos con un nueva técnica, la microscopía electrónica.

Entre los testimonios de discípulos y colaboradores que recogió Medlin en 2018 me llamaron la atención estas palabras de Tracy A. Villareal:

Her struggles as one of the few women in the department were transformative to my understandings of how gender issues play out in academia.

Medlin L.K. (2018)

Debe ser agotador que te cuelguen la etiqueta de pionera y te lo recuerden a todas horas.

Fryxell y Hasle fueron eminencias mundiales en el estudio de las diatomeas; las suyas son historias exitosas, largas e inspiradoras. Referentes para su disciplina y las ciencias marinas en general.

Muchas otras mujeres no pudieron desarrollar sus carreras científicas ni alcanzar el merecido reconocimiento durante siglos.

Y es que la brecha histórica entre hombres y mujeres en diversos ámbitos de la ciencia sigue abierta (p.ej. igualdad de oportunidades para progresar en la carrera científica, reconocimiento y participación pública, sesgos de financiación, etc.).

La ciencia no es ajena a la realidad social en la que vivimos, forma parte de ella.

En España las mujeres suponen el 52% de la plantilla investigadora en la administración pública, pero la proporción superior de mujeres al inicio de la carrera científica se invierte sobremanera a medida que se avanza en ella.

De ahí la importancia de iniciativas como, entre otras, No More Matildas, Oceánicas y el Día Internacional de la Mujer y la Niña en Ciencia (11F). Y aunque hayamos avanzado en materia de igualdad en pocas décadas, voy a terminar con unos gráficos que me parecen muy reveladores...

Fuente: elaboración propia (ver referencias).

De todos los donuts yo destacaría la desigualdad en el premio de la sociedad ficológica americana (PSA, EEUU), un campo en el que destaca la presencia femenina. De hecho, Fryxell y Hasle (Greta y Grethe), recibieron dicho galardón en 1996 y 1999. Pero ya ven, ni así…

Referencias:

  • Award of Excellence Phycological Society of America. Enlace web.
  • Estudio sobre la situación de las jóvenes investigadoras en España. MICINN, Gobierno de España. Enlace web.
  • Fryxell G.A. New evolutionary patterns in diatoms. BioScience 33:92-98 (1983).
  • Fryxell G.A. & Hasle G.R. Thalassiosira eccentrica (Ehrenb.) Cleve, T. symmetrica sp. nov., and some related centric diatoms. J. Phycol. 8:297–317. (1972).
  • Fryxell G.A. & Hasle G.R. Taxonomy of harmful diatoms. En: Manual on Harmful Marine Microalgae (Ed. by G.M. Hallegraeff, D.M Anderson & A.D. Cembella), pp 465–509. UNESCO, Monographs on oceanographic methodology 11. (2003).
  • Hanic L.A. The 1987 PEI toxic mussel episode a personal perspective. 115 pp. (2014). Enlace web.
  • Hasle G.R. Validation of the names of some marine planktonic species of Nitzschia (Bacillariophyceae). Taxon 23: 425–428. (1974).
  • National Medal of Science (NSF). Enlace web.
  • Obituary – Greta A. Fryxell, Diatom Research. Medlin L.K. (2018). Enlace web.
  • Premios Princesa de Asturias. Enlace web.
  • Premio Ramón Margalef de Ecología. Enlace web.
  • Tribute to Professor Grethe Rytter Hasle, Diatom Research. Edvardsen B. y col. (2018). Enlace web.

Tierra de diatomeas

Imagen de portada: euroscientist.com

Las diatomeas son hormiguitas que trabajan en silencio desde hace 240 millones de años produciendo oxígeno, alimentando gran parte de la vida acuática y dejando un reguero de esqueletos de sílice en los sedimentos.

Tanto llevan sobre el planeta que muchos de esos sedimentos ya no están bajo el agua sino que forman parte del suelo que pisamos…ajá.

Órbita Laika, capítulo 5. En la imagen Eduardo Sáenz de Cabezón (izda.) y Ricardo Moure Ortega (dcha.). Fuente: RTVE.

Apuesto a que conocen «Órbita Laika», un programa (perdón ¡programón!) de divulgación en La 2 que emite este año su 6ª temporada.

Si no lo conocen ya están avisados, merece mucho la pena.

Pues bien. En el capítulo 5 (02-XI-2020), «Materiales alucinantes», mencionaron la diatomita y me lo apunté ipso facto para desarrollar en el blog.

¿Qué es la diatomita?

Pues una roca sedimentaria de sílice proveniente de fósiles (frústulas) de diatomeas.

Fuente: geologiaweb

El componente principal de la diatomita es ópalo-CT (cristobalitatridimita; SiO2 · nH2O), aunque suele incluir otros tipos de ópalo, cuarzo e impurezas diversas (incluyendo restos de materia orgánica de las diatomeas).

La sílice de las diatomeas es ópalo-A (amorfa), pero su inestabilidad hace que durante la diagénesis se transforme en ópalo-CT.

El ópalo les sonará porque es una piedra preciosa, pero las que se emplean en joyería son otras variedades…

La diatomita (o «tierra de diatomeas») tiene aspecto blancuzco, parecida a la tiza o coloreada según las impurezas que contenga. Es poco densa, conduce mal el calor, el sonido y la electricidad…

…pero sobre todo es muy porosa gracias a las frústulas de las diatomeas que literalmente están agujereadas. Se calcula que en 16 cc3 suele haber ¡entre 40-70 millones de diatomeas!

¿Dónde se encuentran los mayores depósitos?

Fuente: geology.

Según datos de 2017, los principales productores mundiales fueron EEUU, Chequia, Dinamarca y China.

Y luego vienen una serie de países con producciones intermedias: Argentina, Perú, Japón, México, etc.

Así pues, los depósitos de diatomita se encuentran en muchas partes del mundo y su formación data desde el Mioceno (23,5 m.a.) hasta el presente…

En España toda la diatomita procede de una sola región: Albacete.

Los fósiles en la diatomita corresponden a géneros actuales como Melosira, Nitzschia y Coscinodiscus -en el medio marino- o Stephanodiscus, Cymbella y Achnantes -en agua dulce-.

Las diatomeas son un grupo muy diverso pero en cambio son muy pocas especies las que aparecen en la diatomita.

Detalle de los poros en una diatomea del género Coscinodiscus. Autores: J. Méndez y F. Rodríguez (MEB del C.A.C.T.I., Universidade de Vigo).

¿Y por qué les hablo de la diatomita?

Porque en 1866 un químico sueco, Alfred Nobel, inventó la dinamita combinando nitroglicerina y diatomita.

Alfred Nobel (1833-1896). Fuente: legacy.

En aquellos tiempos manejar nitroglicerina era solo para valientes dada su inestabilidad y la facilidad con la que explotaba al menor descuido. Nobel ideó la forma de estabilizarla mezclándola con diatomita para formar una pasta moldeable y transportable con garantías.

La porosidad de la diatomita le confiere la propiedad de absorber líquidos como una esponja, pudiendo chupar hasta el 150% de su peso en agua. Así, un líquido tan peligroso como la nitroglicerina quedaba atrapado y listo para detonar mediante un sistema que también diseñó Nobel.

Diatomita vista al microscopio (Celite 535, comercializada por Sigma-Aldrich.
Fuente: microlabgallery.

Ahora vamos con la historia que le llevó a este invento.

Años antes Nobel había trabajado en un laboratorio privado en París.

Allí conoció a Ascanio Sobrero, otro químico italiano que había descubierto la nitroglicerina en 1847.

Nobel era hijo de un fabricante de armas. Cuando regresó en 1863 a su país tuvo la brillante idea de continuar trabajando con nitroglicerina como explosivo, en lo que debía de ser la investigación más temeraria de la época.

Tanto que durante los siguientes experimentos fallecieron varias personas, incluido su hermano Emil, y el gobierno sueco le prohibió continuar con aquel descalabro en Estocolmo.

Así que Nobel trasladó su laboratorio a una barcaza en el lago Mälaren para no comprometer más que a sus ocupantes y a algún pescadito que cruzase por el lugar y momento equivocados. La frase de «todo por la ciencia» parece hecha para Nobel.

Y en aquel laboratorio flotante combinó la nitroglicerina con el kieselguhr (diatomita en alemán) y patentó la dinamita. La demanda de su invento en construcción y armamento fue de tal calibre que le hizo multimillonario, instalando fábricas en más de 20 países.

La dinamita-extra de Alfred Nobel.
Fuente: nobelprize

El final de la historia es bien conocido.

A su muerte, en 1896, Nobel incluyó en su testamento el deseo de donar la mayor parte de su patrimonio para crear unos premios.

Se otorgarían a quienes contribuyeran al beneficio de la humanidad en los campos de la física, química, fisiología o medicina, literatura y paz.

Los premios Nobel se concedieron por primera vez en 1901 en Estocolmo, la ciudad en la que le habían prohibido realizar los arriesgados experimentos que cimentaron su fortuna.

¿Para qué usamos la diatomita hoy en día?

Fuente: blog.seccionamarilla

Pues todavía se usa para fines explosivos aunque sus principales aplicaciones están en el filtrado de bebidas (cerveza, vino), tratamientos de agua (para consumo humano, piscinas), relleno en plásticos, aislante térmico…

…y también como aditivo en cemento, cosméticos, arena para gatos, dentífricos (por su poder abrasivo), jardinería, insecticida, etc.

Eso sí, la diatomita destinada para su uso en personas, animales o plantas debe tener origen continental (agua dulce) ya que los depósitos marinos incluyen sales que impiden su empleo en dichos casos.

Referencias:

-Alfred Nobel’s life and work. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2020. Tue. 24 Nov 2020.

-Cermeño P. Las diatomeas y los bosques invisibles del océano. Colección ¿Qué sabemos de? Catarata, CSIC. pp. 93. (2020).

-Diatomita y Trípoli 2016. IGME, Panorama minero 2017, pp. 9.

-Hernández Cañavate J. Kieselgur: métodos de ensayo y propiedades filtrantes. El kieselgur español y su activación. Anales de la Universidad de Murcia (Ciencias) XIII, nº2, pp. 111. (2010).

-Perfil de mercado de la diatomita. Dirección general de desarrollo minero, Secretaría de Economía (México). pp. 45 (2020).

-Fuentes web: spectralevolution ; alsum

Biodiversidad y biogeografía

Imagen de portada: Racing Extinction (BSO). Fuente: discogs.com

The problem that is presented by the phytoplankton is essentially how it is possible for a number of species to coexist in a relatively isotropic or unustructured environment all competing for the same sorts of materials.

Hutchinson (1961)

Una taza de café. El agua de mar que cabe en esa taza contiene una multitud de microorganismos: virus, procariotas y eucariotas INCLUIDOS. La cuestión es ¿por qué coexisten tantas especies y qué es lo que determina su abundancia y distribución en el océano?

Muestra de plancton en la Ría de Pontevedra (junio 2013). Autor: F. Rodríguez

La respuesta no es trivial ni universal pero sí fundamental para entender el funcionamiento, estado –y futuro– de los ecosistemas. De ello se ocupa la ecología.

La biodiversidad es algo que a todos nos suena y que transmite una idea positiva: riqueza natural. Según la RAE: «variedad de especies animales y vegetales en su medio ambiente«.

La biogeografía es otra historia. Rara vez traspasa la divulgación científica o artículos de investigación. En el lenguaje coloquial la traducimos como «distribución». Y para la RAE, biogeografía es: «parte de la biología que se ocupa de la distribución geográfica de animales y plantas«.

Bien. Ahora llevemos ambos conceptos al medio marino, en concreto a las microalgas. ¿Qué factores controlan su biodiversidad y biogeografía?

Cada especie tiene unos rangos de tolerancia y óptimos de crecimiento experimentales (luz, temperatura, nutrientes, salinidad, turbulencia, etc) asociados a un nicho ecológico que la teoría clásica usa para entender el batiburrillo de especies marinas.

El medio acuático es caótico, afectando a la disponibilidad de los recursos que mantienen a su vez en equilibrio inestable a las poblaciones y sus interacciones. Las especies poseen características únicas y prosperan mejor o peor según la presión ambiental, sin excluir a las demás.

Nadie duda de los nichos ecológicos (sobran evidencias) pero ¿de verdad explican la biodiversidad y la biogeografía del fitoplancton?

La idea de nicho ecológico es fácil de entender en el caso de un oso polar. Enseguida lo imaginamos en el hielo, cazando focas, amenazado por el cambio climático. Al mismo individuo durante años y años. Quítale el hielo y adiós.

Ursus maritims. Autor: C. Michel. Fuente: BBC Earth

Pero el fitoplancton se multiplica y dispersa en el medio marino a merced de las corrientes y de los depredadores, más como un superorganismo difuso que como individuos aislados. Esa es su fortaleza.

Porque el nicho ecológico de una microalga no es como el de un oso polar: es más flexible y sus poblaciones se adaptan siguiendo los cambios ambientales gracias a tiempos de generación de horas o días.

Sallie W. (Penny) Chisholm. Fuente: @TEDxTorino

Penny Chisholm compara las células de la cianobacteria Prochlorococcus con un smartphone al que puedes descargar las apps que necesites (genes) a partir de la nube (reserva genética de la población), acorde a tus preferencias (nicho ecológico). El smartphone de un oso polar no sería tan personalizable...

Por ello es difícil predecir la respuesta del fitoplancton al cambio climático.

Entran en juego muchos factores y las especies dominantes en la población consiguen adaptar sus nichos ecológicos a nuevas condiciones en pocos años, tal y como se ha observado p.ej. en una serie temporal de 15 años en el Caribe (Irwin y col. 2015).

Tenemos muchos datos (cada vez mejores) sobre la biodiversidad y biogeografía del plancton.

Resumen gráfico de gradientes latitudinales de diversidad en el plancton, factores que la generan y tendencias futuras. Fuente: Science Direct (Ibarbalz y col. 2019).

Estudios globales como Tara Oceans demuestran que la biodiversidad disminuye del ecuador a los polos, inversamente proporcional a la productividad de las aguas…aunque el calentamiento global podría aumentar la biodiversidad en latitudes altas y reducirla en zonas «demasiado» cálidas en las próximas décadas.

Sin embargo, no tenemos una teoría ÚNICA ni demasiadas pruebas para explicar el por qué de esos datos y no otros.

Podríamos considerar que la biogeografía sólo depende de la capacidad de dispersión de los individuos.

O que todas las especies están en todas partes pero que luego la presión ambiental (los nichos, vamos), selecciona las mejor adaptadas y de ahí la biodiversidad observada.

En 2001 Stephen P. Hubell publicó la teoría neutral unificada de biodiversidad y biogeografía. En ella consideraba que todas las especies –en un mismo nivel trófico como el fitoplancton-, compiten igual de bien por los recursos.

Los nichos ecológicos no jugarían ningún papel. Resulta divertido porque no niega que los nichos existan, sino que propone que un modelo sin ellos, más simple, puede aproximarse mejor a los datos reales.

En la teoría neutral, biodiversidad y biogeografía se explican por procesos estocásticos: el balance en las comunidades locales entre multiplicación/muerte de los individuos, extinciones/inmigración de nuevas especies, y a gran escala por la limitación en la dispersión de las especies, extinciones masivas, especiación, etc.

Funcionamiento de la teoría neutral en comunidades locales. Fuente: Science Direct (Rosindell y col. 2011).

La teoría neutral estaría en un extremo y la teoría clásica de nichos en el otro. En la primera los nichos no actúan y las especies (en cada nivel trófico) son igual de competitivas. En la segunda los nichos son la fuerza dominante y las especies poseen distinto «éxito».

Pero también puede haber situaciones intermedias ¿no? Puede que la presión de los nichos no sea invisible sino más o menos intensa y que las especies fluctúen en su grado de adecuación a las condiciones ambientales. La cuestión es qué explicación produce resultados que se ajusten mejor a la biodiversidad y biogeografía registradas.

En los últimos 20 años se ha agitado un intenso debate sobre la validez o no de la teoría neutral, a través de las distribuciones observadas de las especies. Si los nichos no son importantes lo que generaría y mantendría la biogeografía de las especies es la capacidad de dispersión.

Y algunos estudios han demostrado, en efecto, que predicciones de la teoría neutral como la limitación en la dispersión explicaría el grado de conexión (composición de especies y estructura genética) entre poblaciones locales de invertebrados y plancton, manteniendo así la biogeografía (Chust y col. 2016).

Pero en el caso de la biogeografía no es fácil separar los efectos de las limitaciones por dispersión (teoría neutral) y la presión ambiental (nichos ecológicos), dado que ambas varían continuamente según el lugar y el momento de las observaciones.

Similitudes entre comunidades de diatomeas en latitudes templadas (Pacífico: azul / Atlántico: verde) y polares (Antártico: naranja). En B) los símbolos blancos indican las diferencias medidas en períodos de 0,5 M. de años. (SO) es Southern Ocean (Antártico). Fuente: Science (Cermeño & Falkowski, 2009).

Para eliminar esas interferencias Cermeño y Falkowski (2009) analizaron registros fósiles de diatomeas en latitudes templadas del Atlántico y Pacífico y el Océano Antártico en los últimos 1,5 M. de años. Y sus resultados señalaron que la biogeografía de las especies no estaba condicionada por la dispersión.

Las comunidades de regiones templadas y polares mostraban pocas especies comunes, marcando diferencias biogeográficas claras.

En cambio, las comunidades templadas del Atlántico y el Pacífico eran muy similares entre sí, reflejando que en este caso sí serían las presiones ambientales (nichos ecológicos) y no la distancia lo que determina la biogeografía de las especies de diatomeas.

Referencias:

  • Adler P.B. y col. A niche for neutrality. Ecol. Lett. 10:95–10 (2007).
  • Chust G. y col. Dispersal similarly shapes both population genetics and community patterns in the marine realm. Sci. Rep. 6:28730 (2016).
  • Cermeño P. & Falkowski P. Controls on Diatom Biogeography in the Ocean. Science 325:1539-1541 (2009).
  • Hastings R.A. y col. Climate Change Drives Poleward Increases and Equatorward Declines in Marine Species. Curr. Biol. 30:1572-1577 (2020).
  • Hubbell S.P. The Unified Neutral Theory of Biodiversity and Biogeography, Princeton University Press. (2001).
  • Hutchinson G.E. The paradox of the plankton. The American Naturalist 95:137-145 (1961).
  • Ibarbalz F.M. y col. Global Trends in Marine Plankton Diversity across Kingdoms of Life. Cell 179:1084-1097 (2019).
  • Irwin A.J. y col. Phytoplankton adapt to changing ocean environments. PNAS 112:5762-5766 (2015).
  • Rosindell J. y col. The Unified Neutral Theory of Biodiversity and Biogeography at Age Ten. Trends Ecol. Evol. 26:340-348 (2011).

Cachitos de plástico y fitoplancton

Imagen de portada: Sabrina (Billy Wilder, 1954). Fuente: toldbydesign

Después de las 2 entradas de Suso Gago sobre macro- y microplásticos (MP), hoy cerramos la trilogía plástica explicando la interacción entre el fitoplancton y esos materiales que revolucionaron el siglo XX.

En su honor, esta entrada va a ser un poquito vintage.

Empezando por la portada, que escogí como ejemplo de dicha revolución tecnológica. En Sabrina (1954) un empresario de éxito (Humphrey Bogart) se empeña en demostrar divertidamente las propiedades de un plástico ideal (flexible, a prueba de balas e ignífugo)…lo más de lo más...

(M Schilthuizen, 2019).
Fuente: Turner.

Décadas después (remake de Sabrina incluido), el impacto de nuestra civilización en el planeta ha dejado una impronta de basura plástica en todos los océanos, incluso en la fosa de las Marianas.

Si esto les aflige, para levantar el ánimo les recomiendo «Darwin viene a la ciudad«. A mí al menos me ha servido para considerar desde una perspectiva más amplia nuestro impacto sobre el planeta.

Su autor explica la evolución de los seres vivos en zonas urbanas, a las que destaca como un elemento más de la naturaleza.

Las especies animales y vegetales del antiguo entorno salvaje (junto a las invasoras), pelean por los recursos y desarrollan adaptaciones para sobrevivir en la jungla urbana.

El ecosistema de las ciudades es dinámico y fragmentado. Ofrece nuevos recursos, estructuras y sustancias –a menudo tóxicas– que afectan a los procesos evolutivos (p.ej. selección natural y sexual), a expensas de la biodiversidad.

Schilthuizen se centra en organismos terrestres, sobre todo en aves. Pero también menciona a los ecosistemas acuáticos y creo que su discurso es aplicable igualmente a plásticos y microalgas.

Así que digannos, por 25 pesetas, algunos ejemplos de interacciones entre plásticos y microalgas. Por ejemplo: la dispersión. 1, 2, 3, responda otra vez.

¡ La dispersión !

Microorganismos sobre plásticos. (A,B,C) A. taylori. (D,E) Quistes desconocidos. (F) Ostreopsis. (G) Prorocentrum. (H,I) diatomeas
(J) hidrozoo (K) macroalgas. Fuente: Massó y col. (2003).

Las microalgas bentónicas habitan sobre sustratos inertes (rocas) o vivos (macroalgas): son un miembro más de la biopelícula microbiana.

Al fitoplancton tanto le da colonizar restos de madera, conchas de moluscos, el lomo de una ballena o cachitos de plásticos que flotan a la deriva.

¡Mientras haya luz y nutrientes todo va bien!

A estas microalgas que habitan en las fibras de poliester o tapones de botellas podríamos llamarlas epiplásticas.

Se calcula que en total, sobre los cachitos de plástico en el mar, podrían vivir de 1.000 a 15.000 toneladas de microorganismos.

La basura marina, plásticos incluidos, es un nuevo hábitat para el crecimiento y dispersión del fitoplancton (incluyendo especies nocivas).

Ya lo dijeron Massó y col. (2003) tras estudiar plásticos flotantes, en la costa mediterránea de Cataluña, colonizados por células vegetativas y quistes de dinoflagelados (Ostreopsis, Coolia, Alexandrium taylori…).

Las comunidades epiplásticas son distintas a las del agua que les rodea, aunque en ello influyen varios factores como su antigüedad, la degradación del material o si han pasado…¡por el tracto digestivo de algún animal!

Fuente: Mincer y col. (2016).

A menudo, cuando el plástico llega al mar, las primeras microalgas que colonizan su superficie son diatomeas.

En las imágenes de la derecha podemos ver diatomeas pennadas pegadas a poliestireno expandido (el corcho blanco de los envases) sumergido durante 1 semana en el Atlántico Norte.

No obstante, además de diatomeas, los estudios genéticos revelan que sobre el plástico pueden habitar numerosos grupos: criptofíceas, cocolitofóridos, prasinofíceas, pelagofíceas, etc.

¡ La sedimentación !

Aunque a los que vivimos en la costa pueda parecernos que esto de la basura marina va cada vez a más, los estudios disponibles no confirman una tendencia clara y de hecho su presencia en el océano es muy inferior a la que cabría esperar.

¿Dónde está ese plástico que falta? La respuesta parece ser en el fondo del mar.

En 2014 un estudio de Woodall y col. descubrió que la abundancia de MP en 12 muestreos en el Mediterráneo, Atlántico e Índico era 4 órdenes de magnitud superior a la de la superficie en los giros oceánicos (que como bien saben concentran la basura marina por acción de las corrientes).

Pues bien. El fitoplancton podría jugar un papel importante en ese transporte profundo al adherirse los MP sobre agregados de partículas como los que producen las diatomeas.

Dicho grupo, clave en la producción primaria marina, se caracteriza por producir grandes cantidades de partículas exopoliméricas transparentes (en inglés, TEP). las TEP son pegajosas y agregan a su vez a otras partículas, contribuyendo a la exportación de materia orgánica, CO2 y por qué no, MP, hacia aguas profundas.

Chaetoceros neogracile. Fuente: NCMA.

Apenas existen trabajos sobre ello, pero Long y col. (2015) demostraron que los agregados celulares de diatomeas y criptofitas incorporan microplásticos aumentando enormemente su velocidad de sedimentación.

Aunque el efecto varía según la naturaleza tanto de los MP (p.ej. densidad y carga superficial) como de los agregados. En el caso de las diatomeas (Chaetoceros neogracile) observaron que los agregados con MP sedimentaban a menor velocidad que los agregados «limpios». Es decir: los plásticos hacían flotar más a las diatomeas.

Esto plantea cuestiones sobre las consecuencias para el plancton y otros organismos que se alimentan de dichos agregados (que forman la llamada nieve marina) así como la eficiencia de la bomba biológica.

Ya ven. Queda mucho por estudiar. Y esto nos da pie a la última respuesta de nuestros concursantes del 1, 2, 3…

¡ La toxicidad !

De entrada hay que decir que la concentración actual de MP en el mar es poco probable que tenga efectos sobre el metabolismo del fitoplancton.

Pero la preocupación sobre este asunto alienta en la actualidad múltiples investigaciones y proyectos para conocer los posibles efectos fisiológicos en microalgas expuestas a concentraciones elevadas de MP y de nanoplásticos (NP: <100 nm).

¿Y qué concluyen esos trabajos? pues que las consecuencias suelen ser neutrales o negativas: liberación de sustancias tóxicas, descenso en el contenido de clorofila, de la actividad fotosintética y del crecimiento; estrés oxidativo, alteraciones metabólicas y morfológicas.

Resumen de efectos de los microplásticos sobre el fitoplancton.
Fuente: Correia-Prata y col. (2019).

El tipo de MP y su tamaño son factores importantes a la hora de su interacción con el fitoplancton. En estudios comparativos, los MP con carga positiva y de menor tamaño son más tóxicos para las microalgas.

Sin embargo, los factores responsables de la toxicidad de los MP y de la sensibilidad de determinadas especies o grupos del fitoplancton no están nada claros.

Pero no todo va a ser toxicidad. Los plásticos son polímeros cuyo elemento principal es el carbono y se estima que sus residuos en el mar liberan anualmente 23.000 toneladas de carbono orgánico disuelto.

Autor: E. Zettler. Fuente: whoi.edu

Esto supone una fuente de energía extra para las comunidades microbianas heterótrofas, con un impacto que sí podría ser significativo –y cada vez mayor– sobre la actividad y la composición de dichos microorganismos y otros miembros del plancton, así como para el ciclo del carbono en el océano (Romera-Castillo y col. 2018).

¡Campaaaaaana y se acabó!

La investigación de los efectos de los MP y NP sobre el fitoplancton es un asunto reciente y de candente actualidad…

…y dada la importancia crucial de los productores primarios –y del plancton en su conjunto para la salud de los ecosistemas- cabe esperar un auténtico boom de proyectos en el futuro que profundicen sobre este tema.

Referencias:

  • Correia-Prata y col. Effects of microplastics on microalgae populations: A critical review. Sci. Total Environ. 665:400-405 (2019).
  • González-Fernández C. y col. Do transparent exopolymeric particles (TEP) affect the toxicity of nanoplastics on Chaetoceros neogracile?. Environ. Pollut. 250:873-882 (2019).
  • Long M. y col. Interactions between microplastics and phytoplankton aggregates: Impact on their respective fates. Mar. Chem. 175:39-46 (2015).
  • Massó M. y col. Drifting plastic debris as a potential vector for dispersing Harmful Algal Bloom (HAB) species. Sci. Mar. 67:107-111 (2003).
  • Ortega-Retuerta E. y col. Horizontal and Vertical Distributions of Transparent Exopolymer Particles (TEP) in the NW Mediterranean Sea are Linked to Chlorophyll a and O2 variability. Front. Microbiol. 7:2159 (2017).
  • Romera-Castillo C. y col. Dissolved organic carbon leaching from plastics stimulates microbial activity in the ocean. Nat. Comm. 9:1430 (2018).
  • Seoane M. y col. Polystyrene microbeads modulate the energy metabolism of the marine diatom Chaetoceros neogracile. Environ. Pollut. 251:363-371 (2019).
  • Woodall L.C. y col. The deep sea is a major sink for microplastic debris. R. Soc. Open Sci. 1:140317 (2014).
  • Yokota K. y col. Finding the missing piece of the aquatic plastic pollution puzzle: Interaction between primary producers and microplastics. Limnol. Oceanogr. Lett. 2:91-104 (2017).

En la piel de las ballenas

Imagen de portada: ballena jorobada [Autor: Greg Lecoeur. Fuente: National Geographic]

Ilustraciones originales de Charles King. La Fig. VII y VIII pertenecen a diatomeas del género Tabellaria. Y los copépodos preciosos ¿a que sí?. Fuente: Dolan (2019).

La primera ilustración de diatomeas data de 1703.

Su autor las encontró sobre el tallo de unas plantas recogidas de un estanque en Inglaterra. Se trataba de Tabellaria.

La lámina original aparecía en una comunicación titulada «Two letters from a Gentleman in the Country…»…que no firmaba nadie.

Aquella ilustración fue plagiada sin pudor ni reconocimiento en trabajos posteriores.

Hasta 2019, cuando se desveló de forma indirecta (pero más que probable) la identidad del caballero inglés del campo: Charles King, de Staffordshire (Dolan 2019).

Charles King hizo sus observaciones con un microscopio de tipo Wilson, mucho mejor que el de Leeuwenhoeck.

Poco podía imaginar Mr. King la importancia de aquellas células que al comienzo tomó por cristales de sal y que luego propuso que eran vegetales.

Microscopio de barril o de tipo Wilson. Fuente: MUNCYT.

Para salir de dudas dejó secar la muestra y la rehidrató (con agua fría y templada), pero las cajitas microscópicas seguían allí, unidas en ramitas. Así que no podían ser cristales.

Las diatomeas son uno de los grupos claves del fitoplancton por su abundancia y contribución a la producción de los océanos, sustentando desde el plancton animal (zooplancton) hasta las ballenas. Sin ellas no hay fiesta. No diatoms no party.

Las diatomeas pueden vivir libres en la columna de agua o pegadas a toda clase de sustratos inertes o vivos como algas, zooplancton, invertebrados, aves e incluso mamíferos marinos.

De hecho se han descrito diversas especies de diatomeas epizoicas que viven obligatoriamente sobre la piel de cetáceos.

Y dado que nunca se observan en el agua se cree que necesitan factores de crecimiento del sustrato y son parcialmente saprófitas (aprovechan la materia orgánica muerta, como los hongos).

Los biofilms de diatomeas pueden colorear, con matices desde amarillentos a pardos, la piel de los cetáceos.

Diatomeas (Epipellis oiketis) aisladas de marsopas comunes, en Bélgica. Fuente: Denys & De Smet (2010).

Algunos ejemplos son Bennettella ceticola y Epipellis oiketis, aisladas inicialmente en orcas (Orcinus orca) y marsopas (Phocoena phocoena), respectively.

Estas poseen una forma elipsoidal aplanada que maximiza el área cubierta (beneficio competitivo para colonizar superficies) y su adhesión.

De hecho, estas características pueden tener aplicaciones en biomimetismo para optimizar el diseño de embalajes. Las elipses permiten una densidad celular 6% superior en una superficie respecto a los círculos.

Las diatomeas epizoicas se encuentran en toda clase de cetáceos (misticetos u odontocetos): desde delfines y orcas, hasta cachalotes y rorcuales.

Su distribución sobre el cuerpo es desigual y varía según las especies: se han descrito alrededor de los ojos y las mandíbulas (ballenas Sei), o mayormente sobre el lomo (rorcual común).

En la Antártida existen dos ecotipos de orcas (B1 y B2) y en ambos se han descrito a menudo tonos amarillentos que se relacionan con diatomeas epizoicas.

En un mismo individuo se puede ver que en una época del año posee aspecto «amarillento» para luego recuperar su piel limpia y clara. Así que parece algo intermitente y no un proceso gradual.

Pues bien. Un trabajo reciente propone que las orcas aprovechan migraciones rápidas desde la Antártida hacia latitudes subtropicales para regenerar la capa exterior de su piel.

Orcinus orca. Autor: M. Haluwana. Fuente: Albany Advertiser.

Se trata de viajes de ida y vuelta en los que llegan a recorrer más de 9.000 km en 40 días, sin detenerse en un lugar concreto para reproducirse o alimentarse. Es como si diesen un paseo muy largo (eso que tod@s querríamos hacer ahora) y nada más.

Las aguas subtropicales permitirían a las orcas una regeneración menos costosa (metabólicamente) de la piel, evitando sufrir la pérdida de aislamiento térmico que conlleva dicho proceso en la Antártida.

Si esta hipótesis fuese correcta, la abundancia de diatomeas debería correlacionarse con la edad de la piel y el color. Y así es.

La secuenciación masiva del microbioma en orcas de piel «limpia» vs «amarillenta» ha demostrado que las diatomeas son más abundantes en las últimas. Y esta tendencia se correspondía además con el aumento de bacterias patógenas como Tenacibaculum dicentrarchi, que ocasionan lesiones en la piel.

Además, el parecido entre el microbioma de orcas «amarillentas» (en ambos ecotipos, B1 y B2) y la composición de comunidades microbianas del océano Antártico es mayor, lo que sugiere que aquellos individuos con más carga de diatomeas llevan más tiempo también en la Antártida respecto a sus congéneres de pieles limpias, claras y lustrosas…

A pesar de todo esto ¿creen ustedes que he encontrado alguna referencia a la existencia de cloroplastos en diatomeas epizoicas? Pues no. Pero imagino que algunas –si no la inmensa mayoría– son fotosintéticas. De ahí que tiñan la piel de odontocetos como las orcas.

Para terminar, una última relación sorprendente entre diatomeas y cetáceos.

Relación entre diversidad de especies en cetáceos, diatomeas y temperatura global en los últimos 25 m.a. Fuente: Marx & Uhen (2010).

En 2010 Science publicó un estudio paleobiológico que relacionaba los cambios en la biodiversidad de diatomeas (en los últimos 25 millones de años) con la de los cetáceos, incluyendo factores ambientales (temperatura global, estimada mediante análisis isotópico: δ18O).

La correspondencia que observaron entre la radiación de especies de diatomeas y los cetáceos es realmente alucinante.

Y funciona especialmente bien con los misticetos (ballenas barbadas), que se alimentan de plancton y pequeños peces. Lo cual es muy razonable.

Los cetáceos requieren grandes cantidades de alimento. Una ballena puede llegar a consumir 3 toneladas de krill por día !! Para sobrevivir los grandes mamíferos necesitan ecosistemas productivos donde la energía se transmita eficientemente desde la base a los predadores superiores.

Autor: Humberto Braojos. Fuente: CSIRO.

Las diatomeas, por su mayor tamaño y productividad aseguran justamente eso -cadenas tróficas cortas y eficientes- en comparación a las basadas en otros grupos del fitoplancton.

Tras la extinción masiva del Cretácico hace 66 millones de años, las diatomeas no han hecho más que expandir su dominio y diversificarse en varios pulsos, sobre todo a lo largo de los últimos 50 millones de años.

Esta época dorada de las diatomeas, junto a la apertura del paso de Drake que favoreció su desarrollo al aumentar la disponibilidad de nutrientes mediante la Corriente Circumpolar Antártica (hace 19-49 m.a.), han podido jugar (entre otros factores), un papel fundamental en la evolución y diversificación de los cetáceos modernos.

Agradecimientos: a John R. Dolan por enviarme el material suplementario de su trabajo de 2019, incluyendo las comunicaciones originales de 1703 e información sobre el microscopio de tipo Wilson que usó C. King.

Referencias:

  • Benoiston A.-S. The evolution of diatoms and their biogeochemical functions. Phil. Trans. R. Soc. B. 372: 20160397 (2017).
  • Denys L. & De Smet W.H. Epipellis oiketis (Bacillariophyta) on harbor porpoises from the North Sea Channel (Belgium). Pol. Bot. J. 55:175-182 (2010).
  • Dolan J.R. Unmasking “The Eldest Son of The Father of Protozoology”: Charles King. Protist 170:374-384 (2019).
  • Durban, J. W., & Pitman, R. L. Antarctic killer whales make rapid, round‐trip movements to subtropical waters: Evidence for physiological maintenance migrations? Biol. Lett. 8(2):274–277 (2012).
  • Hooper R. y col. Host‐derived population genomics data provides insights into bacterial and diatom composition of the killer whale skin. Mol. Ecol. 28:484-502 (2019).
  • Marx F.G. & Uhen M.D. Climate, Critters, and Cetaceans: Cenozoic Drivers of the Evolution of Modern Whales. Science 327:993-996 (2010).
  • Holmes, R. W. The morphology of diatom epizoic on cetaceans and their transfer from Cocconeis to two genera, Bennettella and Epipellis. Br. Phycol. J. 2043–57 (1985).
  • Sullivan T. Cell Shape and Surface Colonisation in the Diatom Genus Cocconeis—An Opportunity to Explore Bio-Inspired Shape Packing?. Biomimetics 4:29 (2019).

El blanqueamiento del nori

Imagen de portada: «Tostando una lámina de nori» (1864). Autor: 歌川国貞

Cultivar macroalgas para consumo humano es un concepto poco común en la cultura occidental. Relacionamos las algas con productos cosméticos, industria farmacéutica o aditivos alimentarios pero (con permiso del sushi) rara vez incluimos un plato con algas «visibles» en nuestro menú.

Puesto de venta en Puerto Natales (Chile) con algas secas (Cochayuyo: Durvillaea antarctica y Luche: Pyropia spp.). Autor: F. Rodríguez

Y sin embargo, 6 de los 7 billones de US$ que supone el mercado mundial de algas corresponden a la alimentación.

El sureste asiático concentra la práctica totalidad de su producción (99,6%), liderada por China, Indonesia, Filipinas, las dos Coreas y Japón.

Otro asunto es la captura de ejemplares salvajes, con Chile a la cabeza (42%), seguido de China (28%) y otros países en menor proporción como Canadá, Francia, etc.

Las algas forman parte habitual de la dieta en países asiáticos como Japón, donde el consumo de nori está documentado desde el s.VIII, aunque su cultivo data del siglo XVI y la elaboración de nori en láminas procede del s.XVIII, durante el período Edo (1603-1868). Sí, el de las estampas japonesas ukiyo-e como la gran ola de Kanagawa.

Ilustraciones originales de Pyropia californica (Fig. 5a-d). Autor: Agardh (1899). Fuente: Biodiversity Heritage Library.

El producto que conocemos como nori –y que sirve para elaborar los rollitos de sushi– consiste en láminas secas de algas rojas antes incluidas en el género Porphyra, como P. yezoensis y P. tenera. Esta clase de nori supone ∼30% de la producción acuícola de algas en Japón.

Sutherland y col. (2011) rebautizaron la mayoría de especies de Porphyra en base a datos genéticos transfiriéndolas a Pyropia, un antiguo género creado por J. Agardh (1899) para Pyropia californica.

A menudo leemos o escuchamos sobre el blanqueamiento y la muerte del coral debido al aumento de temperatura en el mar. Pero en países asiáticos como Japón también preocupan las consecuencias de otro tipo de blanqueamiento: el del nori.

Se trata de un fenómeno completamente distinto, del que son responsables las diatomeas, y que se ha ido agravando en algunas zonas de producción con la mejora de las condiciones ambientales.

Sorprendente, ¿verdad? Pues aquí tienen la explicación.

El mar interior de Seto, en el sur de Japón, es una de las zonas más industrializadas y pobladas del país con 30 millones de habitantes, que además concentra una intensa actividad acuícola ligada al pescado, marisco y las algas.

Cultivos de ostras en el mar interior de Seto. Fuente: Alamy

La presión antropogénica provocó la eutrofización del mar de Seto y ese exceso de nutrientes –positivo para el cultivo de macroalgas– conllevó también desde los 60′ un aumento exponencial de las proliferaciones tóxicas e ictiotóxicas de fitoplancton («fish killer algae«), así como otras no tóxicas pero nocivas porque la descomposición masiva de sus mareas rojas consume y puede agotar el oxígeno del agua.

Dichos blooms alcanzaron su «máximo esplendor» en 1976, con 299 proliferaciones !!

Las autoridades promulgaron en 1973 una ley especial para el mar de Seto con la intención de atajar el desastre socioeconómico y medioambiental.

Fuente: Abo y col. (ICES CM2012/Q:16). Fuente: ICES.

Y fue bastante efectiva: las descargas de compuestos orgánicos con alta Demanda Química de Oxígeno (DQO, indicador de contaminantes) se redujeron a menos de la mitad en 1997 y continúan bajando hasta el presente. También las proliferaciones nocivas de fitoplancton: unas 100 al año.

Aunque la caída de nitrógeno inorgánico disuelto ha conllevado un descenso paralelo en la producción de nori.

Entre las especies de fitoplancton nocivas en el Mar de Seto destacaban -y destacan- dinoflagelados como Karenia mikimotoi, Heterocapsa circularisquama, Margalefidium polykrikoides y rafidofíceas de los géneros Chattonella y Heterosigma.

Coscinodiscus sp. Imagen de microscopía electrónica de barrido (CACTI, UVIGO). Autor: F. Rodríguez.

Pero dichos organismos no son los culpables del deterioro y blanqueamiento del nori, sino las proliferaciones entre otoño y primavera de diatomeas como Chaetoceros, Eucampia, Coscinodiscus, Thalasiossira, Skeletonema y Rhizosolenia.

El mismo problema sucede en otro mar cercano, el de Ariake, esta vez por culpa de proliferaciones invernales de la diatomea Asteroplanus karianus.

Si bien el descenso de nutrientes ha disminuido las proliferaciones y mareas rojas de rafidofíceas y dinoflagelados, en contrapartida las diatomeas han progresado gradualmente en algunas regiones del mar de Seto como Harima-Nada. 

En los 80′ eran los blooms de Coscinodiscus wailesii pero a mediados de los 90′ se unió una nueva invitada a la fiesta: Eucampia zodiacus. Las diatomeas «florecen» en Harima-Nada entre enero y abril, cuando las condiciones de nutrientes y turbulencia en la columna de agua son adecuadas para el crecimiento de sus poblaciones.

Gracias a la ley de 1973 se redujo el aporte de nutrientes antropogénicos, y al mismo tiempo la temperatura media ha aumentado en el mar de Seto 0.042 °C al año entre 1974-2008. Puede parecer poco pero si multiplican por 35 años el resultado es 1,5 °C. Y el aumento de temperaturas e inviernos más suaves también benefician a las diatomeas.

Eucampia zodiacus. Fuente: Phytopedia.

Sus proliferaciones son como el caballo de Atila: por donde pasan no crece la hierba, bueno en este caso el nori, porque compiten eficazmente por los nutrientes. Llegan a agotarlos durante la época de cultivo y cosecha del nori, afectando a su crecimiento y provocando su deterioro y blanqueamiento, con serios perjuicios económicos.

Los blooms de E. zodiacus en Harima-Nada han agravado el problema convirtiéndose en la causa principal de blanqueamiento del nori.

Sin embargo, existe una característica del ciclo de vida en las diatomeas que podría servir para predecir su proliferación, gestionar mejor el cosechado del nori y reducir el impacto del blanqueamiento.

La reproducción asexual en las diatomeas reduce a lo largo del año el tamaño promedio de las células. Cuando alcanzan un umbral mínimo de talla se induce la reproducción sexual y en el caso de Eucampia zodiacus y Harima-Nada se ha observado que la población recupera su talla máxima en otoño.

Pues bien, Nishikawa & Imai (2011) descubrieron una correlación negativa entre la abundancia de E. zodiacus en otoño (en promedio desde la fecha donde aparecen las primeras células grandes hasta la recuperación de la talla máxima de la población) y el período en días hasta el bloom de invierno/primavera, responsable del blanqueamiento del nori.

Evolución del tamaño celular de Eucampia entre 2002-2008 en una estación en Harima-Nada (mar de Seto). Fuente: Nishikawa & Imai (2011).

Suena lógico: a menor población inicial, menor inóculo y más tardarán en proliferar las diatomeas (entre 50-150 días en función del año).

Y el dato de interés para comenzar la cuenta atrás del bloom lo señala como un reloj el regreso a la talla máxima de Eucampia, en concreto la fecha en la que la proporción de células pequeñas vs. grandes es 1:1.

Para terminar les mencionaré una de las medidas de prevención del blanqueamiento del nori (adecuada según modelos matemáticos) en algunas zonas de producción: vertidos locales de aguas residuales desde plantas depuradoras. En fin…

Referencias:

-Imai I & col. Eutrophication and occurrences of harmful algal blooms in the Seto Inland Sea, Japan. Plankton Benthos Res. 1: 71-84 (2006).
-Nayar S & Bott K. Current Status of Global Cultivated Seaweed Production and Markets. World Aquaculture, pp. 32-37 (June 2014).
-Nishikawa T & col. Nutrient and Phytoplankton Dynamics in Harima-Nada, Eastern Seto Inland Sea, Japan During a 35-Year Period from 1973 to 2007. Estuaries and Coasts 33:417-427 (2010).

La gran ola de Kanagawa. Autor: Katsushika Hokusai (1826-1833). Fuente: Wikimedia Commons.

-Nishikawa T & col. Long time-series observations in population dynamics of the harmful diatom Eucampia zodiacus and environmental factors in Harima-Nada, eastern Seto Inland Sea, Japan during 1974–2008. Plankton Benthos Res. 6: 26-34 (2011).
-Nishikawa T & col. Prediction of the occurrence of bleaching in aquacultured «nori» by the harmful diatom Eucampia zodiacus. Nippon Suisan Gakkaishi 77:876-880 (2011).
-Shikata T & col. Effects of temperature, salinity, and photosynthetic photon flux density on the growth of the harmful diatom Asteroplanus karianus in the Ariake Sea, Japan. Fish. Sci. 81:1063-1069 (2015).
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Cariño he encogido a las diatomeas

Las diatomeas necesitan sexo. La razón es simple: poseen cubiertas de sílice de distinto tamaño que encajan como una placa de Petri. Al dividirse las células hijas heredan una de ellas y fabrican la más pequeña. Como resultado van encogiéndose hasta un límite en el que deben reproducirse sexualmente y recuperar su talla máxima, o perecer.

La reproducción sexual supone además recombinación genética. Gracias a ella las células hijas no son clones de sus progenitores, sino nuevos genotipos que aumentan la variabilidad de la población y con ello su capacidad de evolucionar y adaptarse a lo que venga.

Diatomea central (Coscinodiscus granii). Autor: F. Rodríguez

Existen dos grupos principales de diatomeas: las de simetría radial (centrales) y bilateral (pennales).

Las centrales, evolutivamente más primitivas, son homotálicas. Es decir, los cultivos clonales (a partir de una célula) fabrican dos tipos de gametos y pueden reproducirse sexualmente. Unos individuos producen gametos inmóviles (huevos), mientras que otros producen gametos móviles flagelados. Así que son oógamas, como nosotros.

Diatomea pennal (Diploneis sp.). Autor: F. Rodríguez

En cambio, las pennales son generalmente heterotálicas: cada cultivo clonal producirá un único tipo de gametos y para reproducirse sexualmente necesitará otro cultivo que fabrique gametos de signo opuesto (se les designa como + o ). Suelen ser isógamas: gametos idénticos como gotas de agua.

Uno de los géneros de diatomeas pennales más estudiado es Pseudo-nitzschia porque incluye varias especies productoras de ácido domoico, relacionadas con la intoxicación amnésica por consumo de marisco (ASP) u otros organismos marinos contaminados. Usaremos este género para hablar de la reproducción sexual en diatomeas.

¿Por qué aumentan de tamaño las diatomeas gracias al sexo?

Pues verán, durante la reproducción sexual se pierden las frústulas de sílice y la nueva célula fruto de la fusión de los gametos se alarga en una especie de metamorfosis cual capullo gracias a una delicada vaina que la protege llamada perizonium.

Fases de la reproducción sexual de P. multistriata, con atención a los cloroplastos (en azul y rosa). A) células apareadas, B-D) duplicación de los cloroplastos y formación de gametos, E-F) apertura de las frústulas y conjugación de los gametos, G-H) elongación de la auxospora y salida del zigoto a través del perizonium. Fuente: Fig. 4 de Scalco y col (2015).

En el ejemplo de Pseudo-nitzschia multistriata podemos ver como se duplican los cloroplastos en las células apareadas (azul/+ vs rosa/-) y se forman los gametos que luego se conjugan en un zigoto que madurará como auxospora. Esta rompe su pared orgánica y entre los extremos se extiende el perizonium del cual emerge una célula nueva totalmente formada.

Se trata de un individuo diploide con 4 cloroplastos que luego se dividirá originando células vegetativas (también diploides) con 2 cloroplastos. La extensión de la auxospora se completa en unas 20 horas en P. multistriata.

La descripción de fases sexuales en Pseudo-nitzschia data de 1991 y la realizó Greta Fryxell en cultivos aislados en la Antártida de P. subcurvata.

Igual que a mí les sorprenderá leer que no se descubrieron en muestras naturales hasta el año 2006, en un evento masivo de reproducción sexual de dos especies: P. cf. delicatissima y P. cf. calliantha en el Golfo de Nápoles (Sarno y col. 2010).

La explicación es que su duración es breve (no más de 15 días en el estudio de Sarno y col.) siendo fácil que pase inadvertida. Además involucra a un porcentaje pequeño de la población, aunque en el evento del Golfo de Nápoles alcanzó al 14% en P. cf. calliantha lo cual es excepcional en relación a otros estudios. Casualmente, pocos meses después se publicó un trabajo similar (Holtermann y col. 2010) sobre otro evento masivo de reproducción sexual en 2006 en P. australis y P. pungens que duró unas 3 semanas en la costa de Washington (EEUU).

Tiene mucho sentido que estos eventos sean masivos y breves. Aparearse y encontrar gametos del sexo opuesto es improbable si no existe un mínimo de sincronización en el tiempo y en el espacio.

Fuente: Slideshare. Autora: Rosa Ana Vespa Payno.

Esta sincronización en los desoves es común en muchos organismos marinos como p.ej. corales, holoturias o el gusano Palolo (Eunice viridis), un poliqueto que habita en aguas someras tropicales del Pacífico, como el archipiélago de Samoa.

Entre octubre y noviembre los Palolos se desprenden del epitoque, la parte terminal de su cuerpo cargada de huevos o esperma, que remonta de noche hacia la superficie desovando al amanecer.

Se trata de un evento masivo anual que dura unos pocos días coincidiendo con luna menguante, y en el que parecen intervenir además de ciclos lunares, una combinación de ritmos anuales, circadianos y mareales.

Samoanos capturando gusanos Palolo en los arrecifes durante la noche, cerca de Apia (Samoa occidental). Autor: Peter Menzel

Por curiosidad les diré que los epitoques son un alimento muy apreciado y los nativos los pescan con redes en esas noches de frenesí nupcial. Se comen crudos o fritos con mantequilla, cebolla, pimientos, huevo, o untados en tostadas. Hummm…!!

Desovar en la superficie forma parte de la estrategia para aumentar el éxito reproductivo.

Pues bien, al igual que los Palolos, en el caso de Pseudo-nitzschia el evento masivo de reproducción sexual también se observa en superficie: en el caso del Golfo de Nápoles (Sarno y col. 2010) entre 0-20 metros para P. cf. delicatissima y en plena superficie en P. cf. calliantha, igual que en Washington donde Holtermann y col. observaron las fases sexuales adheridas a colonias de otras diatomeas de la zona de rompiente.

¿Qué señales inducen el sexo en las diatomeas?  

La luna que pone locos a los Palolos no afecta que nosotros sepamos a las diatomeas. En principio es necesario sobrepasar un umbral mínimo de tamaño que en el caso de Pseudo-nitzschia suele estar entre 40-60% de la talla máxima. Además de la reducción gradual debida a las divisiones asexuales, también se han descrito disminuciones bruscas de tamaño en P. pungens que podrían servir para acortar el ciclo de vida y adelantar la fase sexual.

Una vez que las células han encogido suficiente, la inducción de la sexualidad en diatomeas centrales parece obedecer a cuestiones externas (temperatura, luz, fotoperiodo, etc). En el caso de las pennales juegan un papel más importante factores de tipo endógeno. En particular en Pseudo-nitzschia parece existir un mecanismo dependiente de la concentración celular, lo cual sugiere que intervienen señales químicas producidas y percibidas por el conjunto de la población, que recuerdan al quorum sensing de las bacterias.

Cultivos de P. multistriata de signo opuesto separados por una membrana, y botellas de control. Fuente: Fig. 4 adaptada de Basu y col (2017).

Estas señales de alerta podrían ser compartidas por distintas especies explicando así los desoves masivos simultáneos en el medio natural.

Aún se desconoce la naturaleza de los compuestos, pero al poner en contacto cultivos de Pseudo-nitzschia de signo opuesto separados por una membrana que permita el intercambio de medio –no de células-, estos detienen su crecimiento vegetativo y sincronizan su ciclo celular en la fase G1 donde las células suelen ser más receptivas a las feromonas sexuales.

Mientras, los mismos cultivos por separado continúan su crecimiento normal, como si nada.

Las evidencias sobre el sexo en muestras naturales son escasas, pero una vez más, en el Golfo de Nápoles, se descubrió un curioso ciclo bianual gracias al estudio de una serie temporal de 11 años de Pseudo-nitzschia multistriata (D’Alelio y col. 2010), la única especie tóxica local de este género.

Comparación entre la media natural de tamaño en P. multistriata (círculos negros) y la simulación matemática (trazos de color). La línea discontinua horizontal señala el umbral de la gametogénesis. La barra inferior representa fases de crecimiento: gris (no proliferación), negra (bloom exponencial) y blanca (estacionaria). Fuente: Fig. 3 adaptada de D’Alelio y col. (2010).

En la serie temporal existían patrones de abundancia y tamaño celular que se reproducían de forma periódica apuntando a una regularidad pasmosa en la sucesión de las fases asexuales y sexuales.

Empleando un modelo matemático consiguieron representar el desarrollo y la sucesión de distintas cohortes de P. multistriata para reconstruir los cambios de tamaño observados.

Según dicha simulación las fases sexuales tendrían lugar cada 2 años en esta localidad y para esta especie.

Es más, el modelo también predice que si la reproducción sexual no ocurriese al menos cada 4 años P. multistriata se extinguiría localmente. La conclusión es que las fases sexuales están sujetas a un estricto control y tienen un impacto fundamental en la dinámica de las poblaciones, cuya evolución no podemos explicar usando sólo factores medioambientales.

Seminavis robusta. Autor: M. Loir. Fuente: diatom.loir

Y el siguiente paso será profundizar en las bases moleculares del sexo.

En diatomeas pennales se sabe que está determinado genéticamente aunque no por cromosomas sexuales como en humanos sino por regiones/locus concretas (MAT: Mating Type) identificadas por primera vez en la especie bentónica Seminavis robusta (Vanstechelman y col. 2013). ¿Y en diatomeas centrales? pues no hay datos todavía.

Volviendo al género Pseudo-nitzschia se acaba justo de publicar el genoma de P. multistriata (Basu y col. 2017) y con él los primeros resultados sobre genes inducidos sexualmente.

En su mayoría son exclusivos de diatomeas e incluso del género Pseudo-nitzschia como es lógico esperar de un mecanismo biológico tan complejo y específico. Al fin y al cabo ¿qué diatomea en su sano juicio evolutivo dejaría al azar reconocer al sexo opuesto y evitar cruces con otras especies?

Referencias:

-Basu S. y col. Finding a partner in the ocean: molecular and evolutionary bases of the response to sexual cues in a planktonic diatom. New Phytol. 215:140–156. doi: 10.1111/nph.14557 (2017)
-D’Alelio D. y col. The time for sex: A biennial life cycle in a marine planktonic diatom. Limnol. Oceanogr. 55(1): 106–114. (2010)
-Holtermann K.E. y col. Mass sexual reproduction in the toxigenic diatoms Pseudo-nitzschia australis and P. pungens (Bacillariophyceae) on the Washington coast. – J. Phycol. 46: 41–52. (2010)
-Montresor M. y col. Sex in marine planktonic diatoms: insights and challenges. Perspectives in Phycology, 3 Issue 2: 61–75 (2016)
-Orsini L. y col. Toxic Pseudo-nitzschia multistriata (Bacillariophyceae) from the Gulf of Naples: morphology, toxin analysis and phylogenetic relationships with other Pseudo-nitzschia species. Eur. J. Phycol., 37:2, 247-257 (2002)
-Sarno D. y col. A massive and simultaneous sex event of two Pseudo-nitzschia species. Deep-Sea Res Pt II 57: 248–255 (2010)
-Scalco E. y col. The sexual phase of the diatom Pseudo-nitzschia multistriata: cytological and time-lapse cinematography characterization. Protoplasma, DOI 10.1007/s00709-015-0891-5 (2015)
-Vanstechelman I. y col. Linkage mapping identifies the sex determining region as a single locus in the pennate diatom Seminavis robusta. PLoS ONE 8(3): e60132. (2013)

 

Arte y biología marina

Hoy les contaré tres historias sobre arte, diseño creativo y biología. El mundo marino y en particular las algas (o alguna propiedad como la bioluminiscencia) juegan un papel esencial en cada una de ellas.

1. Preparaciones ornamentales de diatomeas


Preparación con frústulas de diatomeas, escalas de alas de mariposa y otros insectos. Autor: H. Dalton (s. XIX). Fuente: A cabinet of curiosities

La era victoriana, asociada al reinado de Victoria I de Inglaterra (1837-1901), fue una época de hegemonía mundial del Reino Unido por el impulso de su economía, industria e imperio colonial.

Durante dicho período, la expansión de las clases medias y el interés por las ciencias naturales estimuló la creación de sociedades y clubes donde los microscopios y las preparaciones de muestras eran algo habitual.

Y no sólo por su valor educativo sino como mero entretenimiento…

Preparación de diatomeas. Autor: Osamu Oku. Fuente: The Mainichi

Fue así como surgió una demanda comercial de preparaciones de insectos, fósiles, botánica, cristales y (cómo no!!) organismos marinos: foraminíferos, radiolarios, espículas de esponjas y diatomeas.

Preparación de diatomeas. Autor: Stefano Barone. Fuente: Diatomshop

Después de eliminar la materia orgánica de las diatomeas con tratamientos químicos, sus frústulas de silíce lucen como cristales con un sinfín de formas.

Este arte victoriano con diseños basados en diatomeas sigue vivo en nuestros días gracias a artistas de lo microscópico como Klaus Kemp, Osamu Oku y Stefano Barone, entre otros.

Colocar las diatomeas en el lugar preciso parece tarea de orfebres o relojeros. Como curiosidad, Osamu Oku aprovecha las pestañas que le caen (al lavarse la cara por ejemplo), como herramientas para desplazar las frústulas y elaborar sus diseños.

En España la mejor colección (una de las más extensas del mundo), es la de Ernesto Caballero y Bellido, datada entre 1891-1927 y conservada en el MNCN de Madrid. En este vídeo podemos ver cómo trabaja Klaus Kemp, considerado erróneamente el último exponente de este arte en la web de la Smithsonian.

2. La biología en la música de Björk


Björk en la inauguración de los XXVIII Juegos Olímpicos de Verano (Atenas, 2004). Fuente: Athens-Greece

Otra artista que introduce la biología en su obra, esta vez musical, es la cantante Björk.

En su discografía aparecen referencias continuas a la naturaleza (inspirada especialmente por su Islandia natal).

No es casualidad que a raíz de su disco «Biophilia» (2011), protagonizase junto a David Attenborough el documental «When Björk Met Attenborough«, rodado en parte en el Museo de Historia Natural en Londres.

Las influencias orgánicas en la música de Björk destacan en muchos de sus videoclips (como «Jóga» o «Virus«), a menudo obras de arte de un poderoso lenguaje visual y simbolismo, con realizadores de cine como Michel Gondry, Lars von Trier o Spike Jonze.

En el videoclip de «Oceania«, Björk canta en el fondo del mar rodeada por los únicos efectos de bioluminiscencia que he podido encontrar en el mundo del pop (así como de medusas y seres imaginarios). La propia Björk actuó con este tema durante la ceremonia inaugural de los Juegos Olímpicos de Atenas.

3. Diseños textiles y ciencias marinas


La última historia tiene a dos protagonistas con sede en Escocia y Alemania: Crùbag y Blond & Bieber.

Diseño de Crùbag inspirado en biología marina. Autor: G. Martínez. Fuente: BBC News

CRÙBAG es el estudio de diseño de Jessica Giannotti, quien aprovecha su formación en ciencias marinas para crear motivos originales en complementos de moda y decoración.

Su sede es un antiguo laboratorio del SAMS (Scottish Association for Marine Science) en Oban. Parte de los beneficios con la venta de los diseños se dedican a nuevos proyectos de investigación.

Descubrí a Crùbag en la reciente Conferencia Internacional de Fitoplancton Tóxico (ICHA) de Brasil, donde presentaron parte de sus colecciones.

Entre ellas poseen, por ejemplo, la «Flora Collection« inspirada en la investigación sobre algas nocivas y la «Murray Collection« que conmemora los 130 años del SAMS y el legado de uno de sus científicos más destacados, el oceanógrafo Sir John Murray (1841-1914), que participó en la famosa expedición HMS Challenger (1872-76).

BLOND & BIEBER es el estudio de diseño de Johanna Glomb y Rasa Weber, con sede en Berlín.

Uno de sus proyectos es Algaemy en el que exploran las posibilidades artísticas y creativas de las microalgas, mediante una impresora textil y un proceso artesanal en el que usan pigmentos de fitoplancton.

Con ambas diseñadoras y el siguiente vídeo donde muestran la sorprendente elaboración de sus diseños me despido por hoy.

Referencias:

Le Plancton. Traducción al francés del libro «Zukan Plancton» (Sociedad Japonesa de Plancton, 2011). Ediciones de la Station Biologique de Roscoff. 135 pp. (2014).

 

El low-cost de la fotosíntesis

Hoy les hablaré de un descubrimiento reciente que desafía el concepto de la clorofila como único pigmento realmente importante para capturar luz en el océano. Lo más de lo más.

Lo publicaron Béjà y col. (2000) en Science: bacterias marinas no fotosintéticas capaces de obtener energía del Sol mediante rodopsinas. Es decir: fotótrofas sin fotosíntesis. La metagenómica (estudio del material genético ambiental) nos regaló este hallazgo que sus descubridores denominaron proteorodopsinas.

Hoy sabemos que esta clase de fototrofía está generalizada entre las bacterias marinas (>40%). También se han descubierto rodopsinas con funciones diversas en algas, hongos e incluso virus.

Las rodopsinas comparten una química común con el sentido de la vista: el retinal….  

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Los fotones de la luz excitan al 11-cis-retinal y se transforma en todo-trans retinal (en la imagen). Su unión con la opsina se vuelve inestable y esto genera finalmente un impulso nervioso que el cerebro interpreta como señales visuales. Fuente: www.ch.ic.ac.uk

…o «vitamina A aldehído«, es la molécula clave en la visión, el cromóforo responsable de captar la energía de la luz en los 3 tipos de ojos que existen: moluscos, artrópodos y vertebrados.

La vitamina A la obtenemos de los alimentos, nuestro cuerpo no puede sintetizarla. Sus precursores son carotenos (como el β-caroteno en las zanahorias).

El retinal se une a proteínas integrales de membrana (opsinas) para formar las rodopsinas, con una banda ancha de absorción en el espectro de luz visible. En los ojos las rodopsinas y moléculas similares actúan como pigmentos visuales en bastones y conos, con modificaciones que las hacen sensibles, p.ej., al azul, verde y rojo.

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Bombas iónicas de rodopsinas (Fuente: Béjà & Lanyi 2014). Las flechas de color indican la longitud de onda a la que son más sensibles y a su lado el tipo de iones (hidrógeno, sodio, cloruro).

Pero hay rodopsinas que cumplen otro rol: bombas iónicas o canales de cationes que producen energía mediante un gradiente generado por la fotoactivación del retinal. Desde 1971, y en décadas posteriores del s. XX, se fueron descubriendo estas rodopsinas en microorganismos amantes de la sal (halófilos del reino Archaea), con funciones fotosensoriales o para obtener energía gracias a la luz o a los iones cloruro/sodio abundantes en su ambiente.

La parte proteica es distinta y su origen evolutivo también, pero el retinal sigue presente. En la imagen de la derecha vemos representado un diminuto retinal justo en el medio de la parte proteica en la membrana celular (las salchichas rojas o moradas).

Las xantorodopsinas (XR) se descubrieron en 2005 en Salinibacter ruber, una bacteria halófila. Se trata de otra vuelta de tuerca: una antena captadora de luz con un carotenoide (salinixantina) que transfiere energía al retinal y permite ampliar la absorción de fotones a más longitudes de onda.

Algunos dinoflagelados tienen un tipo de XR…luego se lo cuento.

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Salinibacter ruber. La barra horizontal mide 0.5 micras. Fuente: Oren (2013)

 

Salinibacter ruber se descubrió en 2002 y lo fascinante de este extremófilo es su capacidad para crecer en altas concentraciones de distintas sales, no sólo NaCl, sino también cloruro de magnesio y sulfatos de magnesio y sodio !!

Estas sales son muy interesantes en astrobiología de cara a la detección de vida microbiana en otros planetas. Y es que la misión Galileo a Júpiter reveló que el océano oculto bajo la superficie helada de Europa posee grandes cantidades de sulfato de magnesio (Discovery Newsletter: 19-X-2015)

En las rodopsinas el gradiente de protones se consigue con menos florituras, tan sencillo que yo diría que es la alternativa low-cost a la lujosa maquinaria fotosintética.

En la fotosíntesis el gradiente de protones se produce por los electrones que arrancan los fotones a la clorofila (o bacterioclorofila) y que permiten disociar el agua en oxígeno y protones (H+). Éstos se concentran dentro de los tilacoides en los cloroplastos y el gradiente creado proporciona la fuerza motriz para fabricar ATP, la fuente de energía celular.

En las bombas de rodopsinas, ya sean aniónicas (Cl-) o catiónicas (Na+/H+), se genera un gradiente electroquímico entre el interior y el exterior de la membrana celular. La fotoactivación del retinal permite capturar energía lumínica para mover protones al exterior de la célula (o iones cloruro al interior), en contra del potencial de membrana. La célula se carga como una batería y dicha energía permite fabricar ATPPunto y pelota.

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Chlamydomonas reinhardtii. La escala horizontal son 5 micras. Fuente: www.protisten.de

Y ahora se preguntarán ¿qué hay de las algas? 

En flagelados verdes como Chlamydomonas se descubrió por primera vez la función de las rodopsinas en algas eucariotas: son responsables de la fototaxis y la orientación del movimiento ante cambios bruscos de luz. Esto mismo se demostró luego en otros flagelados como las criptofíceas Guillardia y Cryptomonas.

Los genes que codifican para proteorodopsinas se han encontrado también en diatomeas, dinoflagelados y haptofíceas, pero todavía desconocemos sus funciones. Piensen que todo esto apenas se conoce desde la última década.

En el caso de diatomeas como Pseudo-nitzschia granii la expresión de estos genes aumenta con la limitación por Fe, una situación muy común en el océano abierto y que afecta a la fotosíntesis. Por éste y otros motivos Marchetti y col. (2015) sugieren que las bombas de rodopsinas podrían ser útiles para obtener energía cuando la fotosíntesis se encuentra «entre la espada y la pared» por la escasez de Fe.

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Pyrocystis lunula. Autor: K. Wenderoth. Fuente: online-media.uni-marburg.de

En dinoflagelados, como siempre, todo es complejo e interesante.

En estudios de transcriptómica (expresión de genes) se han encontrado homólogos de bombas (de protones) de rodopsinas en especies heterótrofas como Oxhyrris marina y fotosintéticas como Polarella antartica, Pyrocystis lunula, Alexandrium catenella, Prorocentrum donghaiense Karlodinium veneficum.

Genéticamente son próximas a las XR, aunque no poseen carotenoides como en el caso de Salinibacter. Sus máximos de absorción están entre el verde y el azul.

Los datos disponibles a partir de algunos estudios en cultivos y muestras naturales indican que su función sería favorecer la supervivencia y el crecimiento en situaciones limitantes, tanto de nutrientes como de luz. Y la expresión de los genes relacionados con las rodopsinas parece estar regulada en Prorocentrum por el ciclo diurno de luz/oscuridad, el espectro y la intensidad de luz…

¿Fascinating, verdad?

Agradecimientos: a Lourdes Velo Suárez por enviarme el artículo «The global ocean microbiome«, la inspiración de esta entrada.

Referencias:

-Béjà O, et al. Bacterial rhodopsin: Evidence for a new type of phototrophy in the sea. Science 289(5486):1902–1906 (2000).
-Béjà O. & Lanyi J.K. PNAS 111: 6538–6539 (2014).
-Balashov S.P. y col. Xanthorhodopsin: the Retinal Protein Proton Pump of Salinibacter ruber with a Light-harvesting Carotenoid Antenna. Science 23 (5743):2061-64 (2009).
-Marchetti A. y col. Marine diatom proteorhodopsins and their potential role in coping with low iron availability. ISME Journal 9:2745-48 (2015).
-Moran M.A. The global ocean microbiome. Science 350 (6266) DOI: 10.1126/science.aac8455 (2015).
-Oren A. Salinibacter: an extremely halophilic bacterium with archaeal properties. FEMS Microbiol Lett. 342(1):1-9. doi: 10.1111/1574-6968.12094 (2013).
-Shi X. y col. Rhodopsin gene expression regulated by the light dark cycle, light spectrum and light intensity in the dinoflagellate Prorocentrum. Front. Microbiol. http://dx.doi.org/10.3389/fmicb.2015.00555 (2015).
-Sineshchekov O.A. & Govorunova E. Photosensory Functions of Channelrhodopsins in Native Algal Cells. Photochem. Photobiol. 85:556-563 (2009).
-Web: University of Connecticut (Phytoplankton Molecular Ecology).