Un nuevo microscopio, desarrollado en la Universidad de Stanford, ofrece por primera vez una forma de rastrear y medir los comportamientos y procesos moleculares del plancton marino.
Los conocimientos obtenidos con el microscopio rotatorio podrían revelar los secretos de la vida microscópica en el océano y sus efectos sobre procesos planetarios cruciales, como la fijación de carbono.
El plancton es fundamental en la conversión del carbono en compuestos orgánicos en nuestros océanos.
Como espíritus que cruzan entre mundos, miles de millones de seres invisibles se elevan al encuentro de la luz de las estrellas y luego descienden a la oscuridad al amanecer. El viaje diario del plancton microscópico entre las profundidades y la superficie del océano encierra la clave para comprender procesos planetarios cruciales, pero hasta ahora había permanecido en gran medida como un misterio. Un nuevo microscopio rotatorio desarrollado en Stanford, descrito en un estudio publicado el 17 de agosto en Nature Methods, ofrece por primera vez una forma de rastrear y medir los comportamientos y procesos moleculares de estos enigmáticos microorganismos mientras realizan sus migraciones verticales diarias.
“Es una forma completamente nueva de estudiar la vida en el océano”, afirmó Deepak Krishnamurthy, primer autor del estudio y estudiante de doctorado en ingeniería mecánica en Stanford.
La innovación podría ofrecer una nueva ventana a la vida secreta de los organismos y ecosistemas oceánicos, afirmó Manu Prakash, autor principal del estudio y profesor asociado de bioingeniería en Stanford. “Abre posibilidades científicas que solo habíamos soñado hasta ahora.”
Misterios oceánicos
En la Tierra, la mitad de toda la conversión del carbono en compuestos orgánicos se produce en el océano, y el plancton realiza la mayor parte de esa labor. El papel desproporcionado de estas diminutas criaturas en este proceso, conocido como fijación de carbono, y en otros ciclos planetarios importantes ha sido difícil de estudiar en el paisaje oceánico estratificado verticalmente, que implica vastas escalas de profundidad y tiempo.
Los enfoques convencionales para muestrear el plancton se centran en grandes poblaciones de estos microorganismos y, por lo general, han carecido de la resolución necesaria para medir los comportamientos y procesos de plancton individual a escalas ecológicas. Como resultado, sabemos muy poco sobre los procesos biológicos y moleculares a microescala en el océano, como la forma en que el plancton detecta y regula su profundidad o incluso cómo logra permanecer suspendido en la columna de agua pese a no tener apéndices que le ayuden a desplazarse.
“Podría colocar una etiqueta en una ballena y ver adónde va, pero a medida que los objetos se hacen cada vez más pequeños, resulta extremadamente difícil conocer y comprender su comportamiento natural”, dijo Prakash. “¿Cómo nos acercamos al comportamiento natural de un objeto microscópico y le damos la libertad que merece, dado que el océano es un espacio tan grande y tan orientado verticalmente?”
Para salvar esta brecha, Prakash y los investigadores de su laboratorio desarrollaron un microscopio de seguimiento vertical basado en lo que denominan una “cinta de correr hidrodinámica”. La idea implica una percepción sencilla pero elegante: una geometría circular proporciona un anillo infinito de columna de agua que puede utilizarse para simular las profundidades oceánicas. Los organismos inyectados en esta cámara circular llena de fluido se desplazan libremente mientras el dispositivo los rastrea y gira para adaptarse a su movimiento. Una cámara envía imágenes en color de máxima resolución del plancton y de otras pequeñas criaturas marinas microscópicas a una computadora para el control de retroalimentación en bucle cerrado. El dispositivo también puede recrear características de profundidad del océano, como la intensidad de la luz, creando lo que los investigadores denominan un “entorno de realidad virtual” para células individuales.
El equipo ha desplegado el instrumento para pruebas de campo en la Estación Marina Hopkins de Stanford, en Monterey, en Puerto Rico y también en un buque de investigación frente a la costa de Hawái. El innovador microscopio ya ha revelado diversos comportamientos de microorganismos hasta ahora desconocidos para la ciencia. Por ejemplo, mostró con gran detalle cómo las larvas de criaturas marinas de la costa californiana, como la estrella murciélago, el pepino de mar y el dólar de arena del Pacífico, emplean diversos métodos para desplazarse por el mar, desde una flotación constante hasta cambios frecuentes en el batido ciliar y en el movimiento de natación o destellos. Esto podría permitir a los científicos comprender mejor las propiedades de dispersión de estos organismos únicos en mar abierto. El dispositivo también ha revelado los comportamientos de natación vertical de organismos unicelulares como los dinoflagelados marinos, lo que podría permitir vincular estos comportamientos con fenómenos ecológicos como las floraciones algales.
En Puerto Rico, Krishnamurthy y Prakash se sorprendieron al observar cómo una diatomea, un microorganismo sin apéndices natatorios, cambiaba repetidamente su propia densidad para hundirse y elevarse en el agua, un comportamiento desconcertante que aún sigue siendo un misterio.
“Es como si alguien te dijera que una piedra puede flotar, luego hundirse y después volver a flotar”, dijo Krishnamurthy.
Llevar el océano al laboratorio
Prakash atribuye el éxito del dispositivo a la naturaleza interdisciplinaria del equipo de su laboratorio, que incluye ingenieros eléctricos, mecánicos y ópticos, así como informáticos, físicos, biólogos celulares, ecólogos y bioquímicos. El equipo trabaja para ampliar aún más las capacidades del microscopio mediante la cartografía virtual de todos los aspectos de los parámetros físicos que experimenta un organismo al sumergirse en las profundidades del océano, incluidos los indicios ambientales y químicos y la presión hidrostática.
“Para comprender verdaderamente los procesos biológicos que se desarrollan en el océano a las escalas de longitud más pequeñas, nos entusiasma tanto traer un trozo del océano al laboratorio como, al mismo tiempo, llevar un pequeño trozo del laboratorio al océano”, dijo Prakash.
