En todo el océano, miles y miles de millones de microbios parecidos a plantas forman un bosque flotante invisible. A la deriva, estos diminutos organismos utilizan la luz solar para absorber dióxido de carbono de la atmósfera. En conjunto, este plancton fotosintetizador, o fitoplancton, absorbe casi tanto CO₂ como los bosques terrestres del mundo. El Prochlorococcus, una especie flotante de color esmeralda que es el fitoplancton más abundante actualmente en los océanos, aporta una fracción apreciable de su capacidad para capturar carbono.

Pero el Prochlorococcus no siempre habitó en aguas abiertas. Es probable que sus antepasados se quedaran más cerca de las costas, donde abundaban los nutrientes y los organismos sobrevivían en tapetes microbianos comunales en el fondo marino. Entonces, ¿cómo acabaron los descendientes de estos habitantes costeros convirtiéndose en las potentes fotosintetizadoras de los océanos abiertos?

Los científicos del MIT creen que  la clave fue el rafting. En un nuevo estudio, proponen que los ancestros de Prochlorococcus adquirieron la capacidad de adherirse a la quitina, las partículas degradadas de los antiguos exoesqueletos. Los microbios se enganchaban a las escamas y las utilizaban como balsas para adentrarse en el mar. Estas balsas de quitina también pueden haber proporcionado nutrientes esenciales, alimentando y sosteniendo a los microbios a lo largo de su viaje.

Así fortificados, generaciones de microbios pueden haber tenido la oportunidad de desarrollar nuevas habilidades para adaptarse al océano abierto. Eventualmente, habrían evolucionado hasta un punto en el que podrían abandonar el barco y sobrevivir como los habitantes del océano que flotan libremente y que viven hoy.

"Si el Prochlorococcus y otros organismos fotosintéticos no hubieran colonizado el océano, estaríamos mirando un planeta muy diferente", afirma Rogier Braakman, científico investigador del Departamento de Ciencias Planetarias, Atmosféricas y de la Tierra (EAPS) del MIT. "Fue el hecho de que lograran unirse a estas balsas de quitina lo que les permitió establecer un punto de apoyo en una parte completamente nueva y masiva de la biosfera del planeta, de una forma que cambió la Tierra para siempre".

Braakman y sus colaboradores presentan su nueva hipótesis de la "balsa de quitina", junto con experimentos y análisis genéticos que respaldan la idea, en un estudio que aparece esta semana en PNAS .

Los coautores del MIT son Giovanna Capovilla, Greg Fournier, Julia Schwartzman, Xinda Lu, Alexis Yelton, Elaina Thomas, Jack Payette, Kurt Castro, Otto Cordero y la profesora del Instituto del MIT Sallie (Penny) Chisholm, junto con colegas de múltiples instituciones, incluido el Institución Oceanográfica Woods Hole.

Un gen extraño

El Prochlorococcus es uno de los dos principales grupos pertenecientes a una clase conocida como picocyanobacterias, que son los organismos fotosintetizadores más pequeños del planeta. El otro grupo es el Synechococcus, un microbio estrechamente relacionado que abunda en los océanos y en los sistemas de agua dulce. Ambos organismos viven de la fotosíntesis.

Pero resulta que algunas cepas de Prochlorococcus pueden adoptar estilos de vida alternativos, sobre todo en regiones poco iluminadas donde es difícil mantener la fotosíntesis. Estos microbios son "mixotróficos" y utilizan una combinación de otras estrategias de captura de carbono para crecer.

Los investigadores del laboratorio de Chisholm buscaban indicios de mixotrofia cuando descubrieron un gen común en varias cepas modernas de Prochlorococcus. El gen codificaba la capacidad de descomponer la quitina, un material rico en carbono procedente de los caparazones de artrópodos, como insectos y crustáceos.

"Eso era muy extraño", dice Capovilla, quien decidió profundizar en el hallazgo cuando se unió al laboratorio como posdoctorado.

Para el nuevo estudio, Capovilla llevó a cabo varios experimentos para comprobar si el Prochlorococcus puede descomponer la quitina de forma útil. Trabajos anteriores en el laboratorio demostraron que el gen que degrada la quitina aparecía en cepas de Prochlorococcus que viven en condiciones de poca luz y en Synechococcus. El gen estaba ausente en el Prochlorococcus que habita en regiones más iluminadas por el sol.

En el laboratorio, Capovilla introdujo partículas de quitina en muestras de cepas de baja y alta luminosidad. Descubrió que los microbios que contenían el gen podían degradar la quitina y, de ellos, solo los Prochlorococcus adaptados a condiciones de poca luz parecían beneficiarse de esta descomposición, ya que también parecían crecer más rápido como resultado. Los microbios también podían adherirse a los copos de quitina, un resultado que interesó especialmente a Braakman, que estudia la evolución de los procesos metabólicos y la forma en que han moldeado la ecología de la Tierra.

“La gente siempre me pregunta: ¿Cómo colonizaron estos microbios el océano primitivo?” dice. "Y mientras Gio hacía estos experimentos, llegó este momento ´ajá´".

Braakman se preguntó: ¿Podría este gen haber estado presente en los ancestros de Prochlorococcus, de forma que permitiera que los microbios costeros adherirse a la quitina, alimentarse de ella y arrastrar los copos mar adentro?

Todo depende del tiempo

Para probar esta nueva hipótesis de la "balsa de quitina", el equipo recurrió a Fournier, que se especializa en rastrear genes a través de especies de microbios a lo largo de la historia. En 2019, el laboratorio de Fournier estableció un árbol evolutivo para aquellos microbios que presentan el gen que degrada la quitina. A partir de este árbol, observaron una tendencia: Los microbios comienzan a usar quitina solo después de que los artrópodos se vuelven abundantes en un ecosistema particular.

Para que la hipótesis de la balsa de quitina se mantuviera, el gen tendría que estar presente en los antepasados de Prochlorococcus poco después de que los artrópodos empezaran a colonizar los ambientes marinos.

El equipo buscó en el registro fósil y descubrió que las especies acuáticas de artrópodos empezaron a abundar a principios del Paleozoico, hace unos 500 millones de años. Según el árbol evolutivo de Fournier, esa época también coincide con la aparición del gen que degrada la quitina en los ancestros comunes de Prochlorococcus y Synecococchus.

"El momento es bastante oportuno", afirma Fournier. "Los sistemas marinos se estaban inundando de este nuevo tipo de carbono orgánico en forma de quitina, justo cuando los genes para utilizar este carbono se extendían por todos los diferentes tipos de microbios. Y el movimiento de estas partículas de quitina abrió de repente la oportunidad a los microbios de llegar realmente al océano abierto."

La aparición de la quitina puede haber sido especialmente beneficiosa para los microbios que viven en condiciones de poca luz, como a lo largo del fondo marino costero, donde se cree que vivían las antiguas picocyanobacterias. Para estos microbios, la quitina habría sido una fuente de energía muy necesaria, así como una salida de su nicho costero comunal.

Según Braakman, una vez en el mar, los microbios balseros fueron lo bastante robustos como para desarrollar otras adaptaciones oceánicas. Millones de años después, los organismos estaban preparados para "dar el salto" y evolucionar hasta convertirse en los Prochlorococcus fotosintetizadores que flotan libremente y que existen hoy en día.

“Al final, se trata de ecosistemas que evolucionan juntos”, dice Braakman. “Con estas balsas de quitina, tanto los artrópodos como las cianobacterias pudieron expandirse en el océano abierto. En última instancia, esto ayudó a sembrar el surgimiento de los ecosistemas marinos modernos”.

Esta investigación fue apoyada por la Fundación Simons, la Beca a largo plazo EMBO y el Programa de ciencia de la frontera humana. Este documento es una contribución de Simons Collaboration on Ocean Processes and Ecology (SCOPE).

Autor