El catálogo global de plancton marino de Tara Oceans llega a los polos

La secuenciación masiva de ADN y ARN de Tara Oceans permitió establecer un nuevo catálogo global de 47 millones de genes microbianos oceánicos, que ahora se extiende a los polos. Los dos trabajos publicados en Cell demuestran que la diversidad planctónica es más importante alrededor del ecuador, entre 40 ° N y 40 ° S, y disminuye hacia los polos.

  • La disminución de la diversidad no es regular. Hay dos límites ecológicos al norte y al sur del ecuador, que coinciden con los cambios físicos y químicos en las aguas superficiales, principalmente una fuerte caída de temperatura.
  • Las aguas más cálidas y las más frías aparecen como dos ecosistemas con mecanismos adaptativos distintos para sus poblaciones microbianas, lo que apunta a respuestas muy diferentes frente al cambio climático.

Imagen del velero Tara rodeado de hielo, tomada con dron (François Aurat/Fondation Tara Ocean).

Los nuevos resultados de la expedición Tara Oceans, liderados por la Fundación Tara Oceans y los equipos del CNRS, del EMBL, CEA, la Sorbonne Université y la Université Paris Science Lettres, con la colaboración de otras instituciones entre las que se encuentra el CSIC, muestran que la diversidad y las funciones del plancton marino en los océanos cambian drásticamente según la latitud.

Los primeros resultados de la expedición Tara Oceans, desarrollada entre 2009 y 2013, proporcionaron a la comunidad científica una base sólida que describía la variedad del plancton y las interacciones en las regiones oceánicas tropicales y templadas. Ahora, dos nuevos estudios dan un paso más al incorporar nuevos datos de la circunnavegación del Círculo Polar, llevados a cabo en el Océano Ártico en 2013.

Los resultados, publicados en Cell, muestran que las especies de plancton se distribuyen de manera desigual y pueden ajustarse de manera diferente a las condiciones ambientales entre el ecuador y los polos. Se espera que estos hallazgos tengan fuertes implicaciones ecológicas, ambientales y económicas, en el caso de un aumento de la temperatura del océano por encima de cierto umbral.

Junto con el reciente Informe especial del panel intergobernamental de cambio climático (IPCC) sobre "el océano y la criosfera en un clima cambiante", estos estudios proporcionan información adicional sobre los posibles impactos del cambio climático en la biodiversidad marina. La ciencia debe aportar evidencias a la política para implementar soluciones viables de sostenibilidad, así como acciones transformadoras que puedan alcanzar a la sociedad, desde escalas locales a globales.

El plancton marino cambia su diversidad y función desde el ecuador hasta los polos

A menudo se dice que el océano es el único ecosistema continuo en el planeta e indispensable para la salud de la Tierra. La gran cantidad de virus, microorganismos y pequeños animales que se desplazan con las corrientes marinas, llamadas colectivamente «plancton», juegan un papel crucial: forman la base de la cadena alimentaria marina, capturan una gran fracción de dióxido de carbono atmosférico y liberan oxígeno a través de la fotosíntesis.

El primer estudio, dirigido por Lucie Zinger, profesora asistente de la Escuela Normal Superior de París (ENS – PSL), y Chris Bowler, director de investigación del Centro Nacional de Investigación Científica CNRS en París (Francia), y con la participación de Marta Royo-Llonch, Isabel Sanz Sáez, Josep M. Gasol y Silvia G. Acinas del Instituto de Ciencias del Mar del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (ICM-CSIC), analizaron los datos recopilados de 189 estaciones de muestreo en todo el mundo durante la expedición Tara Oceans.

Su objetivo era identificar los motores de la diversidad de los principales grupos de plancton a fin de mapear su distribución a escala global y obtener información sobre cómo podrían responder al cambio climático. El equipo científico combinó datos genéticos nuevos y ya publicados para identificar las especies, y análisis de imágenes de última generación para evaluar la cantidad de cada especie presente en las muestras.

"Nuestros resultados muestran claramente que la diversidad planctónica es más importante alrededor del ecuador y disminuye hacia los polos", explica Lucie Zinger. “La existencia de tales gradientes de diversidad latitudinal está bien establecida para la mayoría de los organismos terrestres y fue descrita por Alexander von Humboldt hace 200 años. Es una coincidencia interesante que podamos probar su validez para la mayoría de los grupos de plancton en el océano global, desde virus gigantes hasta pequeños metazoos, en el 250 aniversario de su nacimiento".

En paralelo, el segundo estudio, dirigido por Shinichi Sunagawa, profesor asistente de Investigación de Microbiomas en la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETH), de Suiza, y que cuenta con los investigadores del ICM-CSIC Marta Royo-Llonch, Pablo Sánchez y Silvia G. Acinas como coautores, trabajó en la secuenciación masiva de ADN y ARN de Tara Oceans para establecer un nuevo catálogo global de 47 millones de genes microbianos oceánicos que ahora se extiende a los polos.

El equipo midió los productos de la transcripción génica, llamado metatranscriptoma, y analizó qué genes se expresan activamente en los genomas microbianos para comprender la capacidad de los microorganismos para adaptarse a las condiciones ambientales cambiantes. “Con estos análisis estudiamos la función y actividad de los microorganismos a nivel global y los mecanismos de adaptación a los cambios ambientales”, explica Silvia G. Acinas.

El velero Tara navegando entre el hielo (François Aurat/Fondation Tara Ocean).

Temperatura, parámetro clave de distribución microbiana y actividad en el océano

El gradiente de diversidad y las funciones observadas en especies bacterianas no cambian regularmente con el aumento de las latitudes. La actividad microbiana y la diversidad permanecen estables entre el ecuador y los 40 ° de latitud (norte o sur), luego cambian rápidamente por tramos, hasta aproximadamente los 60 ° de latitud (norte o sur), donde comienza un nuevo estado estable.

Estos dos límites ecológicos (uno al norte del ecuador y otro al sur) coinciden con los cambios físicos y químicos en las aguas superficiales, principalmente una fuerte caída de temperatura. La composición y cantidad de las poblaciones microbianas en ambos lados de este límite varían mucho. Los nuevos mapas de diversidad de plancton creados por el equipo dirigido por Lucie Zinger muestran que existen límites similares para todas las especies de plancton, desde bacterias, arqueas, protistas y zooplancton hasta la mayoría de los virus. Aquí también, la temperatura parece ser el factor principal que explica estos patrones, con la disponibilidad de recursos en segundo lugar.

Hacia una "tropicalización" de las regiones oceánicas templadas y polares

La influencia de la temperatura en la distribución de las especies planctónicas plantea preguntas obvias en el contexto actual del cambio climático. Basado en los modelos IPCC más recientes y precisos, el equipo de Lucie Zinger predijo cómo podría evolucionar la biodiversidad del plancton. Aunque estos resultados deben ser refinados y validados, muestran claramente que las temperaturas oceánicas más altas pueden causar una "tropicalización" de las regiones oceánicas templadas y polares, con temperaturas más altas del agua y una mayor diversidad de especies planctónicas.

Las aguas templadas y polares son actualmente muy importantes por varias razones ambientales y económicas: desempeñan un papel crucial en la captura de carbono atmosférico y su almacenamiento en el océano; son zonas de pesca muy activas y grandes regiones de estas aguas están protegidas para proporcionar refugio a especies en peligro de extinción. Sin embargo, se espera que los cambios más importantes en la diversidad ocurran en estas áreas, lo que probablemente alterará los ecosistemas asociados y tendrá graves consecuencias en todo el mundo.

De aguas cálidas a polares, ¿qué mecanismos de respuesta están involucrados?

Ningún modelo actual puede predecir con precisión cómo los ecosistemas oceánicos se adaptarán al cambio climático. Sin embargo, la investigación realizada por Shinichi Sunagawa y su equipo nos proporciona pistas sobre los mecanismos involucrados, al menos con respecto a las bacterias y arqueas planctónicas. En general, las comunidades microbianas pueden adaptarse a los cambios ambientales de dos maneras diferentes: primero, adaptando su metabolismo y, por lo tanto, sus patrones de expresión génica para aprovechar al máximo las nuevas condiciones. En segundo lugar, pueden reemplazar sus especies miembro menos adaptadas por otras mejor adaptadas. El estudio de los transcriptomas permitió a los científicos desentrañar qué mecanismo adaptativo prevalece en qué entorno.

Las poblaciones de microorganismos en aguas más cálidas, entre 40 ° N y 40 ° S, son más diversas y se benefician de un gran conjunto de genes que pueden activarse o desactivarse en caso de que se necesiten nuevas características para adaptarse. Como resultado, las especies pueden adaptar su metabolismo y continuar prosperando. Sin embargo, en aguas polares, la variedad de especies y genes microbianos es mucho más reducida y las comunidades de plancton se adaptan a través del recambio de especies en lugar de la expresión diferencial de genes. Esto sugiere que el nicho ecológico de estas especies es más estrecho, y algunas de ellas podrían no ser capaces de adaptar su metabolismo en respuesta al calentamiento del océano. Posteriormente, podrían desaparecer y ser reemplazadas por nuevas especies de aguas más cálidas.

Por lo tanto, las aguas más cálidas y las más frías aparecen como dos ecosistemas con mecanismos adaptativos distintos para sus poblaciones microbianas. Este resultado apunta a respuestas potencialmente muy diferentes al cambio climático en diferentes regiones de nuestros océanos.

Artículos:
F.M. Ibarbalz et al., Global trends in marine plankton diversity across kingdoms of life, Cell (2019), https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.10.008
G. Salazar et al., Gene expression changes and community turnover differentially shape the global ocean metatranscriptome, Cell (2019), https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.10.014

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