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martes, 26 de diciembre de 2017

Criobioluminiscencia: iluminando la noche polar

La medusa pelágica Pelagia noctiluca. Foto.
Mi amigo Luis Monje, fotógrafo científico de la Universidad de Alcalá, acaba de regresar de las islas Svalbard, uno de los lugares habitados más cercanos al Polo Norte, de donde ha regresado con una hermosa colección de imágenes de la noche ártica. Benjamín Franklin aconsejaba a todo hombre que quisiera progresar que “escribiera algo digno de leer o hiciera algo digno de ser escrito”. Luis cumple sobradamente con ambos preceptos, así que el lector pronto podrá ver sus fotografías expuestas en su más que aconsejable blog de divulgación fotográfica y científica.
Entre auroras boreales y otras muchas heladas maravillas que la mayoría de nosotros nunca podrá contemplar, Luis ha fotografiado un raro fenómeno que captó su atención cuando caminaba por la espuma de mar helada de las orillas del Ártico. Cada uno de sus pasos quedaba inmediatamente marcado por una constelación de pequeñas lucecitas que surgían de la nieve. Como hacen normalmente en las profundidades marinas, miles de microorganismos respondían a la presión de sus botas iluminando sus microscópicos cuerpecillos en un fenómeno conocido como bioluminiscencia.
Como buen biólogo, Luis es curioso y, aunque conocía perfectamente la bioluminiscencia por haberla fotografiado flotando entre estrellas en los luminosos mares de ardoras, en las costas cercanas a la frontera entre Malasia y Tailandia, se preguntaba –y me preguntó- cuáles podían ser los organismos capaces de lucir en la superficie de las congeladas costas del Ártico noruego. Después de indagar un poco, esta es mi respuesta.
La generación química de luz visible por un organismo o bioluminiscencia, se extiende por todos los mares del mundo, desde los trópicos a los polos y desde la superficie a las más profundas simas oceánicas, y ha evolucionado muchas veces, desde las bacterias hasta los peces hasta presentarse al menos en 16 phyla diferentes. Para subrayar su origen evolutivo a partir de un ancestro común, todos los seres bioluminiscentes tienen el mismo mecanismo de producción de luz que los biólogos conocen perfectamente gracias a los grandes avances en la comprensión de las bases moleculares de la bioluminiscencia, su control fisiológico y su importancia en los ecosistemas marinos. 
Mertensia ovum. Foto.
Generalmente, la bioluminiscencia se produce a través de una reacción de oxidación-reducción que implica a una proteína especial, astutamente bautizada con el diabólico nombre de luciferina, que se oxida mediante una enzima llamada luciferasa (como no podía ser menos), Durante el proceso, se emite una luz que oscila entre el azul y el verde en función del organismo. La reacción bioquímica generadora de luz tiene un uso potencial para una serie de interacciones ecológicas diferentes, que incluyen estrategias "defensivas" y "ofensivas", y de comunicación entre especies.
Obviamente, para que algo ilumine es preceptivo que haya oscuridad. La oscuridad aparece fundamentalmente en los ciclos periódicos de luz-oscuridad propios del día y la noche, pero también cuando descendemos hacia las profundidades marinas, porque a medida que la luz penetra en las aguas va perdiendo intensidad hasta desaparecer. De ahí que a medida que se profundiza se vaya produciendo una gradación luminosa que culmina en las profundidades pelágicas de las simas oceánicas donde la bioluminiscencia alcanza un maravilloso esplendor. Hay, por decirlo así, una estratificación lumínica cuyos diferentes niveles van siendo ocupados por distintos organismos, cada uno de ellos fieles a un determinado intervalo de intensidad lumínica.
El invierno ártico, con su noche de 24 horas, proporciona un ecosistema único para estudiar la bioluminiscencia, porque allí se produce un fotoperiodo estacional en lugar del típico fotoperíodo horario experimentado en climas más meridionales. Durante el largo período de oscuridad invernal, los organismos que viven en aguas poco profundas experimentan bajos niveles de irradiación que tienen el potencial de afectar los comportamientos que dependen de señales luminosas.
En Kongsfjord, Svalbard (78° N), la noche polar dura 129 días, durante los cuales la luz atmosférica se acerca a los límites de percepción del zooplancton local a poca profundidad. En un régimen tan tenue, la bioluminiscencia en aguas poco profundas puede jugar un papel importante para las interacciones tróficas condicionadas por la visión. La escasa diversidad planctónica durante el invierno crea un sistema relativamente simple que es muy útil para estudiar la dinámica de las comunidades planctónicas bioluminiscentes. Y eso fue lo que investigó Heather A. Cronin, bióloga marina de la Universidad de Delaware, en su tesis de máster de 2015 titulada Bioluminescence in the Artctic Polar Night.
Figura 1. (a) Perfiles de potencial de bioluminiscencia media medidos durante cuatro minutos a intervalos de 20 m en enero de 2014. El potencial de bioluminiscencia se representa como el número total de emisiones m-3 (barras oscuras) y en cantidad producida de fotones (x1013 m-3) (barras claras). (b) Proporción relativa de las comunidades bioluminiscentes formadas por cada grupo taxonómico bioluminiscente conocido y por individuos no identificados. Compound flashes (flashes compuestos) son los que no se procesaron usando la base de datos de bioluminiscencia usada por los investigadores. Haga click aquí para verla a mayor tamaño. 
En sus investigaciones, Cronin tomó muestras de agua a diferentes profundidades y estudió microscópicamente los organismos que vivían en los diferentes estratos lumínicos, a los que caracterizó de acuerdo con la abundancia de uno o varios organismos que definió como “comunidades bioluminiscentes” (Figura 1). Los resultados de Cronin y de otros biólogos marinos se publicaron el año pasado en la revista Scientific Reports. El artículo, del que he tomado las gráficas que acompañan esta entrada, revela que el potencial de bioluminiscencia aumenta con la profundidad hasta un máximo que se alcanza a 80 m. La composición de la comunidad pelágica cambia a lo largo de ese rango, con un ecotono o zona de transición a 20-40 m en el que la comunidad hasta entonces dominada por dinoflagelados es reemplazada por otra dominada por el copépodo Metridia longa. Coincidiendo con esa zona de transición, a la que los investigadores llaman “profundidad de compensación de bioluminiscencia” la luz producida por los organismos supera a la luz atmosférica en el balance de fotones ambientales (Figura 2).
Figura 2. Los dos componentes del campo de luz subacuático en Kongsfjord se trazan en función de la profundidad en unidades equivalentes (μmol de fotones m-3 s-1). La bioluminiscencia es el potencial de bioluminiscencia medio (puntos negros) medido al mediodía y la medianoche en enero de 2014. Los colores representan las zonas fóticas dominadas por la luz atmosférica (sombreado rojo) y la iluminación bioluminiscente (sombreado azul). Fuente.
En resumen, lo que demuestra ese estudio es que en el Ártico existe una comunidad bioluminiscente de invierno que presenta una estructura vertical vinculada a la atenuación de la luz atmosférica y que tiene el potencial de influir en la ecología pelágica durante la oscura noche polar. La iluminación que producen estos microorganismos explica cómo algunos organismos se alimentan y mantienen la actividad durante el período nocturno polar y cómo la luz todavía puede estar involucrada en los procesos ecológicos, incluso durante un período de total oscuridad que dura casi cinco meses.
Fotografía al microscopio electrónico de Protoperidinium pellucidum. Foto
Como puede verse en la Figura 1 el estrato más superficial está dominado por dinoflagelados del género Protoperidinium que emiten luz blanca y son los responsables de las centellas que iluminaban las pisadas de Luis. Los otros organismos dominantes en la comunidad bioluminiscente más superficial, son la medusa Mertensia ovum, que mide unos 10 cm y emite luz verdeazulada, y el copépodo Metridia longa que nunca aparece en la superficie del mar en las horas diurnas.
Aunque hasta ahora el pensamiento científico predominante era que la red alimenticia permanecía inactiva durante la noche polar, el estudio explica por qué los análisis de los peces y las aves marinas que se alimentan en Svalbard durante la noche polar muestran contenidos intestinales en los que siempre hay alimentos recientes: las comunidades bioluminiscentes permiten que la cadena trófica no se interrumpa en condiciones de oscuridad solar.
Allí, en los helados fiordos de Svalbard, unas delicadas criaturas marinas han edificado su propio faro del fin del mundo capaz de iluminar las heladas profundidades árticas. ©Manuel Peinado Lorca. @mpeinadolorca.