Crean un microscopio giratorio vertical para estudiar el comportamiento de la vida marina

Investigadores de la Universidad de Stanford han desarrollado un nuevo microscopio giratorio que aporta una renovada manera de estudiar la vida marina.

Esta herramienta podría proporcionar una nueva ventana a los secretos de la vida oceánica microscópica y sus efectos en procesos planetarios cruciales, como la fijación de carbono.

Este nuevo microscopio, que presentan en la revista Nature Methods, ofrece por primera vez una forma de rastrear y medir los comportamientos y procesos moleculares de estos enigmáticos microorganismos marinos, como el plancton, a medida que realizan sus migraciones verticales diarias.

"Esta es una forma completamente nueva de estudiar la vida en el océano", destaca el primer autor del estudio, Deepak Krishnamurthy, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica en Stanford.

La innovación podría proporcionar una nueva ventana a la vida secreta de los organismos y ecosistemas oceánicos, añade el autor principal del estudio, Manu Prakash, profesor asociado de bioingeniería en Stanford.

"Abre posibilidades científicas con las que solo habíamos soñado hasta ahora", destaca.

En la Tierra, la mitad de toda la conversión de carbono en compuestos orgánicos ocurre en el océano, y el plancton hace la mayor parte de ese trabajo.

El papel descomunal de las pequeñas criaturas en este proceso, conocido como fijación de carbono, y otros ciclos planetarios importantes ha sido difícil de estudiar en el paisaje estratificado verticalmente del océano, que implica una gran profundidad y escalas de tiempo.

Los enfoques convencionales para el análisis de plancton se centran en grandes poblaciones de microorganismos y, por lo general, carecen de la resolución para medir los comportamientos y procesos del plancton individual en escalas ecológicas.

Como resultado, sabemos muy poco sobre los procesos biológicos y moleculares a microescala en el océano, como cómo el plancton detecta y regula su profundidad o incluso cómo puede permanecer suspendido en la columna de agua a pesar de no tener apéndices que ayuden a la movilidad.

"Podemos colocar una etiqueta a una ballena y ver a dónde va, pero a medida que las cosas se hacen cada vez más pequeñas, se vuelve extremadamente difícil conocer y comprender su comportamiento nativo --explica Prakash--. ¿Cómo podemos acercarnos al comportamiento nativo de un objeto microscópico y darle la libertad que se merece porque el océano es un espacio tan grande y extremadamente orientado verticalmente?".

Para cerrar la brecha, Prakash y los investigadores de su laboratorio desarrollaron un microscopio de seguimiento vertical basado en lo que ellos llaman una "cinta de correr hidrodinámica".

La idea implica una visión simple pero elegante: una geometría circular proporciona un anillo de columna de agua infinito que puede usarse para simular las profundidades del océano.

Los organismos inyectados en esta cámara circular llena de líquido se mueven libremente a medida que el dispositivo los rastrea y gira para adaptarse a su movimiento.

Una cámara alimenta imágenes en color de resolución completa del plancton y otras criaturas marinas microscópicas en una computadora para un control de retroalimentación de circuito cerrado.

El dispositivo también puede recrear características de profundidad en el océano, como la intensidad de la luz, creando lo que los investigadores llaman 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 barco de investigación frente a la costa de Hawai.

El innovador microscopio ya ha revelado comportamientos de varios microorganismos previamente desconocidos para la ciencia.

Por ejemplo, expuso en minucioso detalle cómo las larvas de criaturas marinas de la costa de California, como la estrella de murciélago, el pepino de mar y el dólar de arena del Pacífico, emplean varios métodos para moverse a través del mar, que van desde un vuelo estacionario constante hasta cambios frecuentes en el ritmo ciliar y movimiento de natación.

Esto podría permitir a los científicos entender mejor las propiedades de dispersión de estos organismos únicos en el océano abierto.

El dispositivo también ha revelado los comportamientos de natación vertical de los organismos unicelulares como los dinoflagelados marinos, lo que podría permitir a los científicos relacionar estos comportamientos con fenómenos ecológicos como las floraciones de algas.

En Puerto Rico, Krishnamurthy y Prakash se sorprendieron al observar que una diatomea, un microorganismo sin apéndices nadadores, cambiaba repetidamente su propia densidad para subir y bajar en el agua, un comportamiento desconcertante que aún sigue siendo un misterio.

"Es como si alguien te dijera que una piedra puede flotar y luego hundirse y luego volver a flotar", señala Krishnamurthy.

Prakash atribuye el éxito del dispositivo a la naturaleza interdisciplinaria del equipo de su laboratorio, que incluye ingenieros eléctricos, mecánicos y ópticos, además de informáticos, físicos, biólogos celulares, ecólogos y bioquímicos.

El equipo está trabajando para ampliar aún más las capacidades del microscopio al mapear virtualmente todos los aspectos de los parámetros físicos que experimenta un organismo mientras se sumerge en las profundidades del océano, incluidas las señales ambientales y químicas y la presión hidrostática.

"Para comprender verdaderamente los procesos biológicos en juego en el océano a escalas de longitud más pequeñas, estamos emocionados de traer un pedazo del océano al laboratorio y, al mismo tiempo, traer un pedacito del laboratorio al océano", apunta Prakash.