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Comprender las criaturas más pequeñas del océano
La profesora del Instituto Penny Chisholm está arrojando luz sobre los complejos ecosistemas marinos y la dificultad de predecir cómo responderán al calentamiento global. 22 de diciembre de 2015
Sallie (Penny) Chisholm, ecologista y bióloga marina, es conocida por descubrir un tipo de bacteria minúscula que habita en el océano y produce hasta el 10 por ciento de todo el oxígeno generado por la fotosíntesis en la Tierra cada año. Su trabajo es fundamental para comprender la complejidad de la vida marina y predecir cómo el cambio climático podría finalmente perturbarla. Sin embargo, hasta los 14 años, cuando su familia visitó la costa de Jersey, nunca había visto el océano, y mucho menos contemplado las criaturas fotosintéticas más pequeñas conocidas. Chisholm creció durante el Baby Boom en la parte superior remota de Michigan y pasó gran parte de su tiempo esquiando. Mi ciudad natal no tenía suficientes escuelas, recuerda, por lo que durante la mayor parte de la escuela secundaria y preparatoria, los estudiantes asistieron solo medio día. Y siempre que había nieve, el otro medio día esquiábamos.
Su amor por la vida acuática comenzó en el lago Superior, donde nadaba en los veranos. Era un lugar idílico, dice ella. Cuando se mudó al este en 1965 para asistir a Skidmore College, desarrolló un interés más académico en los lagos y escribió una tesis de grado sobre su química. Y como estudiante de posgrado en ecología en la Universidad Estatal de Nueva York en Albany, estudió el fitoplancton de agua dulce, pequeños organismos fotosintéticos que viven en las aguas superficiales iluminadas por el sol. Chisholm completó su disertación sobre la absorción de nutrientes de una especie de agua dulce llamada Euglena . Sin embargo, también se dio cuenta de que cuando se trataba de la ecología del fitoplancton, la acción real estaba en el océano, en parte porque la Marina de los EE. UU. estaba invirtiendo en ciencia marina básica. Así que en 1974 aceptó una beca postdoctoral en la Institución Scripps de Oceanografía en California, donde, dice, aprendí todo lo que sé sobre el océano.
Arriba: El RV Melville navega frente a la costa de Rapa Nui en una expedición al Pacífico Sur para estudiar Prochlorococcus. Medio: Los investigadores extrajeron muestras de agua de mar de diferentes profundidades mientras recopilaban datos sobre la temperatura y la fluorescencia celular en un crucero de investigación del Reino Unido a Chile en 2003 como parte de un estudio, diseñado por el entonces postdoctorado Zackary Johnson, sobre los cambios en la estructura y diversidad de la población de Prochlorococcus. en diferentes latitudes. Abajo: En 1996, Chisholm (centro), colegas (incluido Rob Olson en el extremo derecho y John Waterbury detrás de él) y estudiantes navegaron por el Mar de los Sargazos a bordo del RV Oceanus para estudiar Prochlorococcus.
Cuando le ofrecieron un puesto en el MIT, en 1976, en el Departamento de Ingeniería Civil, no había biólogos en el departamento, dice, y no tenía idea de qué esperar. Pero llegó a apreciar la mezcla interdisciplinaria de investigadores interesados en la física, la química y la biología de nuestro medio ambiente. También desarrolló relaciones cercanas con expertos marinos a través del Programa Conjunto MIT/Woods Hole en Oceanografía e Ingeniería Oceanográfica, y se embarcó en cruceros de investigación en el Caribe y el Mar de los Sargazos. Las fotografías en su oficina, varias de las cuales la muestran sana, despeinada por el viento y sonriente en las cubiertas de los barcos, dan una idea de estos primeros días de su investigación.
Chisholm es mejor conocida por el descubrimiento de su grupo, en la década de 1980, de microbios llamados Proclorococo , la bacteria fotosintética más pequeña conocida en el océano con menos de un micrómetro de ancho. También son los más abundantes: en un mililitro de agua de mar, puede haber más de 100.000. Y debido a que consumen dióxido de carbono y liberan oxígeno durante la fotosíntesis, Proclorococo hacer una contribución esencial al equilibrio de estos gases en la Tierra.
Simon Levin, biólogo de Princeton, describe los artículos de Chisholm sobre estos microbios como clásicos científicos. Ella y su grupo han estado a la vanguardia en la comprensión de cómo funcionan los ecosistemas oceánicos, dice, y sus descubrimientos son cruciales para comprender cómo responderán los océanos al cambio climático.
Chisholm misma señala que sin microbios productores de oxígeno como Proclorococo , los seres humanos probablemente no existirían. Si algún antiguo microorganismo marino no hubiera adquirido una mutación clave hace unos 3.500 millones de años que le permitió dividir el agua para producir oxígeno, ha escrito, la evolución de la vida en la Tierra habría tomado una trayectoria completamente diferente.
Es notable, entonces, que los científicos hayan tenido una imagen tan incompleta de estas criaturas durante tanto tiempo. Durante años, creyeron que los únicos organismos unicelulares que realizaban la fotosíntesis en los océanos eran eucariotas como las algas, que son células relativamente complejas que contienen un núcleo, mitocondrias y cloroplastos. El gran descubrimiento, dice Chisholm, se produjo a fines de la década de 1970, cuando John Waterbury y sus colegas de la Institución Oceanográfica Woods Hole identificaron por primera vez una bacteria fotosintética llamada sinecococo , que están muy extendidas en el océano. Los científicos se sorprendieron de que estos procariotas simples, organismos unicelulares que no contienen núcleo, mitocondrias o cloroplastos, fueran capaces de realizar la fotosíntesis.
Una década más tarde, Chisholm y su equipo se centraron en Proclorococo , primos cercanos de sinecococo que resultó ser más pequeño y más numeroso. Uno de sus antiguos posdoctorados, Robert Olson, había ideado una forma de operar un citómetro de flujo, una máquina sensible de clasificación de células que luego se usaba principalmente en medicina, a bordo de un barco de investigación en el mar. (Como posdoctorado, había instalado uno en su laboratorio). A mediados de la década de 1980, varios miembros de su grupo estaban usando un citómetro de flujo para estudiar muestras de agua de mar en el Atlántico Norte. Olson, que todavía colaboraba con Chisholm, notó partículas diminutas que emitían una luz fluorescente roja, lo que sugiere que contenían clorofila pero no tenían los pigmentos accesorios que se encuentran en sinecococo , lo que hace que emitan una fluorescencia naranja. Al principio, pensaron que la luz roja captada por sus instrumentos podría representar simplemente el ruido electrónico del instrumento y el fondo de pequeñas partículas no vivas. No nos dimos cuenta de inmediato que sería un gran problema, dice Chisholm.
Pero pronto decidió hacer Proclorococo una pieza central de su investigación. Los equipos papel al presentar sus hallazgos sobre estas bacterias recién descubiertas aparecidas en Naturaleza en 1988.
Después de que uno de sus estudiantes graduados lograra aislar el primer Proclorococo del Mar de los Sargazos, Chisholm y su grupo publicaron un Descripción detallada de la bacteria en 1992, destacando su estructura celular y pigmentación. También secuenciaron una porción del ADN de la bacteria, usando las técnicas laboriosas del día, para evaluar Proclorococo Relación con otros organismos fotosintéticos.
Chisholm examina una de las muchas cepas de Prochlorococcus archivadas en la colección de cultivos de su laboratorio.
A fines de la década de 1990, Chisholm persuadió al Departamento de Energía de EE. UU., que tenía algunas de las máquinas de secuenciación de primera generación, para secuenciar el ADN de dos Proclorococo genomas Se encontró que uno, que provenía de células recolectadas de un ambiente iluminado por el sol más cercano a la superficie, contenía 1.716 genes; el otro, de bacterias capaces de sobrevivir en una luz más tenue, más abajo en el agua, tenía 2275 genes. Se compartieron aproximadamente 1.350 de estos genes. En un artículo publicado en Naturaleza en 2003, Chisholm describió que incluían el conjunto mínimo de instrucciones requeridas para la fotosíntesis. Mientras tanto, las diferencias entre los genomas reflejaron en gran medida la versatilidad de la bacteria para adaptarse a entornos con diferentes intensidades de luz y diferentes concentraciones de nitrógeno y metales traza.
Chisholm ahora ha secuenciado alrededor de 50 cepas de Proclorococo , que ella describe como una federación estable y muy diversa de organismos que tienden a habitar en los 200 metros superiores del océano. Aproximadamente 1000 genes definen el núcleo de lo que significa pertenecer a esta especie, dice, pero cada nueva secuencia revela entre 80 y 200 genes completamente nuevos. Una visión tradicional podría sugerir que las diversas cepas están atrapadas en una lucha darwiniana por los recursos oceánicos, pero Chisholm adopta una perspectiva más optimista: las diferentes cepas aumentan y disminuyen en abundancia a medida que cambia la disponibilidad de nutrientes y otros aspectos del medio ambiente. La amplia gama de Proclorococo es, dice, parte de lo que les da tanta estabilidad y les permite, colectivamente, desempeñar un papel tan central en el océano. Por supuesto, Proclorococo se estima que produce cinco mil millones de toneladas de biomasa viva a través de la fotosíntesis cada año, casi tanto como su primo más grande sinecococo . Este carbono es devorado por otros pequeños microorganismos, que a su vez son devorados por el zooplancton, que a su vez es devorado por los peces, dice Chisholm. Por último, Proclorococo alimenta una décima parte de todas las criaturas del mar.
Arriba: una versión anterior de este citómetro de flujo moderno fue fundamental en el descubrimiento de Prochlorococcus. Abajo: Las micrografías electrónicas de transmisión muestran una cepa de Prochlorococcus aislada del Mediterráneo por un exestudiante graduado del Chisholm Lab. Cada celda tiene aproximadamente 0,6 micrómetros de diámetro.
Centrarse en la diversidad de las especies ha sido una parte esencial del trabajo de Chisholm: siempre he creído, como ecologista, que las diferencias entre cosas muy similares tienen mucho que decirnos sobre las fuerzas que dan forma a nuestro mundo, dice. Y este instinto resultó profético en el caso de Proclorococo . Si nos hubiéramos quedado con el estudio de una sola cepa en lugar de explorar el mar en busca de variantes genéticas, dice, estaríamos muy equivocados acerca de lo que Proclorococo es como y cómo funcionan.
El laboratorio de Chisholm en el cuarto piso del modesto edificio 48 de la vieja escuela alberga una gran cantidad de bacterias. En una habitación, filas de Proclorococo crecer en tubos de ensayo bajo cantidades variables de malla negra. Algunos de ellos pueden crecer a intensidades de luz que matarían a los demás, explica entre el zumbido de los ventiladores. (Los ventiladores enfrían las bacterias y crean un fuerte viento que recuerda a la orilla del mar). En otra parte del laboratorio, grandes contenedores que Chisholm llama máquinas solares simulan el amanecer y el anochecer para las bacterias para que se sientan como si estuvieran en el océano. ella dice. Realmente no les gusta cuando las luces se apagan y encienden de repente.
En los océanos, Proclorococo coexiste no solo con otras bacterias sino también con los virus que interactúan con ellas. En 2003, investigadores del Reino Unido descubrieron que los virus que infectan Proclorococo ellos mismos portan genes para la fotosíntesis. En 2004 y 2005, el grupo de Chisholm demostró que durante una infección, estos genes virales se expresan en las células bacterianas mientras que los propios genes de las células para la fotosíntesis se vuelven menos activos (por razones que aún no están claras). A medida que los virus se mueven de una célula bacteriana a otra, también se transportan fragmentos de ADN. Esto facilita la evolución bacteriana y la acelera, ya que los genes evolucionan más rápido en los virus.
La danza de virus y bacterias incluye otro jugador misterioso: pequeñas vesículas o sacos llenos de líquido que flotan en el océano. En 2014, el equipo de Chisholm descubrió que Proclorococo arroja gotas de lípidos que contienen fragmentos aleatorios de ADN, a los que primero llamaron vesículas. Y aunque se desconoce la función de estas vesículas, una posibilidad es que actúen como señuelos para los virus. Tienen algunas de las mismas marcas superficiales que Proclorococo , por lo que los mismos virus pueden adjuntarse a ellos. Pero debido a que no son células reales, los virus no pueden replicarse dentro de ellas y propagarse, como lo harían de otra manera. Como alternativa, dado que las vesículas contienen ADN, ARN y proteínas, pueden servir como mecanismo para transportar información química de una célula a otra.
La investigación de Chisholm le ha valido muchos honores, incluida la membresía en la Academia Nacional de Ciencias y una invitación a la Casa Blanca del presidente Obama, quien le otorgó la Medalla Nacional de Ciencias. En el MIT ganó el Premio Killian en 2014 y fue nombrado Profesor del Instituto en 2015, los dos honores más altos otorgados a los miembros de la facultad. Pero la defensa, el servicio público y la educación también son partes centrales de su trabajo. Además de querer compartir lo que aprendió con los contribuyentes que financiaron su investigación, Chisholm se siente frustrada porque incluso los adultos educados saben relativamente poco sobre biología, y especialmente sobre fotosíntesis. Ella cita un video de fines de la década de 1990 en el que recién graduados del MIT y Harvard son entregó una semilla y un tronco y preguntó de dónde viene la masa de un árbol. Los estudiantes se sorprenden al saber que la mayor parte proviene del dióxido de carbono en el aire. El MIT ni siquiera tiene una clase dedicada por completo a la biología vegetal, dice ella.
El deseo de Chisholm de enseñar a la gente los conceptos básicos la ha llevado a dar numerosas conferencias y a escribir libros para niños (aunque ella y su esposo no tienen hijos). Ella y la autora e ilustradora de libros infantiles Molly Bang, una amiga desde hace mucho tiempo, han colaborado en un proyecto de varios años llamado The serie luz del sol , que captura vívidamente la importancia de la energía solar para la vida en la Tierra. Pensé que la gente se lo leería a sus hijos, dice ella. Y de esa manera podría llegar a los adultos. La serie no escatima en detalles científicos. Tampoco rehuye la urgencia del cambio climático; el libro más reciente describe los orígenes de los combustibles fósiles y explica cómo quemarlos demasiado rápido probablemente esté causando el calentamiento global. Sin embargo, el objetivo no es hacer sonar las alarmas sino ayudar a las personas a comprender cómo funciona el planeta, dice Chisholm.
El presidente Obama entregó a Chisholm la Medalla Nacional de la Ciencia de 2011 en una ceremonia en la Casa Blanca en 2013.
A pesar de su propia preocupación por el calentamiento global, la investigación de Chisholm le ha inculcado un profundo sentido de cautela sobre las acciones que podrían causar un cambio ecológico radical. La ha hecho especialmente escéptica de los esfuerzos humanos para alterar la vida del océano para extraer el dióxido de carbono del aire. En 2014, publicó un ensayo en Ciencias advirtiendo de las posibles consecuencias no deseadas de fertilizar el océano con hierro para tratar de mitigar el cambio climático estimulando el crecimiento de organismos fotosintéticos. De hecho, a Chisholm le preocupa que la dinámica de los sistemas ecológicos complejos sea casi imposible de predecir. el descubrimiento de Proclorococo Hace 30 años debería recordarnos lo poco que entendemos las complejidades de las redes alimentarias marinas, escribió.
Los ecosistemas microbianos son lo que hace funcionar el planeta, dice Chisholm, señalando sus roles cruciales en la red alimentaria marina y en la producción de oxígeno. Ella y sus colegas esperan que su trabajo permita a otros comprender mejor cómo funciona la biosfera para sustentarnos. Ya sea debido a actividades humanas como la quema de combustibles fósiles o las propiedades inherentes del sistema, que ha evolucionado durante 3500 millones de años, sabemos que habrá cambios en el funcionamiento de este sistema terrestre, dice. Solo si entendemos cómo funciona el sistema podemos estar preparados para enfrentar esos cambios.
Para comprender cómo podría cambiar la vida en la Tierra frente al cambio climático, dice Levin, necesitamos saber quiénes son los actores clave y qué controla su dinámica. El trabajo de Chisholm contribuye directamente a esta fundación. A medida que los océanos se calientan, estiman los investigadores, Proclorococo El número de 's puede aumentar hasta en un 30 por ciento para fines de siglo, con consecuencias desconocidas pero potencialmente grandes para el resto de la vida en el planeta. Estos son sistemas vivos complejos y autoorganizados, dice Chisholm. Sé que la gente quiere respuestas simples... pero no las hay cuando se trata de esta obra maestra de ajuste evolutivo.