En 1887, Viktor Hensen, pionero de la Biología Marina, bautizó al conjunto de organismos microscópicos flotantes como “plancton”. Tomó este término del griego πλαγκτόν, “errante”, con la misma raíz que encontramos en los planetas (πλανήτης) que vagan en la esfera celeste. Sin embargo, el plancton no siempre es arrastrado pasivamente por las corrientes. De hecho, las migraciones verticales diarias del plancton y otros organismos asociados representan los mayores movimientos sincrónicos de biomasa del planeta.
El fitoplancton fotosintético se enfrenta al dilema de habitar zonas más iluminadas y superficiales frente a áreas más profundas y ricas en nutrientes. Esto es especialmente importante en regiones oceánicas tropicales caracterizadas por una fuerte estatificación de las capas de agua y escasas corrientes verticales. Es de esperar que durante el día los organismos fotosintéticos y sus predadores prefieran áreas mejor iluminadas, mientras que por la noche sea aconsejable moverse hacia aguas más profundas.
Aparte de esta necesidad de elegir la profundidad adecuada al momento del día, los organismos unicelulares del plancton se enfrentan a la llamada “trampa gravitacional”. Dado que su citoplasma suele ser un 5% más denso que el medio marino, su tendencia será a hundirse en la columna de agua, con graves consecuencias si estamos hablando de organismos fotosintéticos. La presencia de cilios o flagelos puede contrarrestar la tendencia, pero hay casos, como el de Pyrocystis noctiluca, que no tienen mecanismos para la movilidad. ¿Cómo escapan a la trampa gravitacional? De una forma sorprendente que acaba de ser revelada por un equipo de investigación de la universidad de Stanford.
Pyrocystis es un dinoflagelado diminuto (<0.3 mm), fotosintético y bioluminiscente (Figura 1). Normalmente se encuentra en torno a los 75 metros de profundidad pero, curiosamente, la reproducción por división celular la realiza más abajo, hacia los 125 metros. Los procesos que llevan a la división modifican la arquitectura celular, aumentan la densidad y provocan el hundimiento. Pero, ¿cómo regresa Pyrocystis a su profundidad óptima? ¿Cómo asciende 50 metros sin cilios ni flagelos? La respuesta es: inflándose como un globo.
Este extraordinario vídeo producido por el laboratorio de M. Prakash en la universidad de Stanford muestra: 1) El ciclo vital de Pyrocystis noctiluca, la expansión y contracción del citoplasma durante el día y la noche, y su reproducción por división. 2) La rotura de la membrana celular de la célula progenitora liberando a las células hijas (flecha). 3) El rápido proceso de inflación. 4) La red de filamentos y vesículas citoplasmáticas rodeadas por la gran vacuola
El ciclo celular de Pyrocystis, que dura siete días, está perfectamente acoplado a su migración vertical (Figura 2). En el momento en que inicia la división se hunde a gran velocidad (0.2 mm/s). Las dos células hijas permanecen dentro de la membrana de su progenitora y continúan el descenso. Antes de que el hundimiento sea irreversible, la membrana se rompe, las células hijas quedan libres y rápidamente, en sólo diez minutos, aumentan su volumen hasta seis veces. La densidad de las células disminuye, provocando un rápido ascenso. Pyrocystis retorna a su profundidad ideal en unos dos días. La distancia recorrida (50 metros) equivale a 150 000 veces su diámetro. En proporción, un modesto globo infantil de 30 cm de diámetro alcanzaría los 45 Km de altitud.
Los autores del estudio afirman que no se conoce ningún caso de inflación celular tan rápida. Ningún citoplasma celular podría resistir una dilución tan repentina. La clave está en que lo que aumenta de tamaño en Pyrocystis es una enorme vacuola, que llega a representar el 95% del volumen celular. El citoplasma mantiene su volumen y su densidad, pero queda restringido a una compleja red de filamentos y vesículas que rodean la vacuola y la atraviesan. En esos filamentos, que se expanden durante el día y se contraen por la noche, se concentran los cloroplastos, las mitocondrias y otros orgánulos celulares.
¿Qué mecanismo provoca la rápida inflación de la vacuola? Todavía no está claro, pero parece que dicho mecanismo es dependiente de la presencia de iones calcio. Tanto el agua marina sintética sin calcio como la presencia de EGTA, un secuestrador de iones Ca2+, impiden que se produzca la inflación. Recordemos que el calcio es un regulador muy frecuente de los canales celulares que regulan la entrada y salida de moléculas.
Por otro lado, se investigó la presencia de acuaporinas en el transcriptoma (conjunto de genes expresados) de Pyrocystis. Las acuaporinas son proteínas de la membrana celular que forman canales específicos para el paso de agua impidiendo el paso de iones (Figura 3). Es muy conocida la función de las acuaporinas en el túbulo renal, para recuperar agua y concentrar la orina.
Pyrocystis expresa dos ARN mensajeros para los que Alphafold predice proteínas muy similares a las acuaporinas. Una de ellas es muy similar a NIP4, la proteína que provoca la hidratación del grano de polen y el alargamiento del tubo polínico. El tratamiento de Pyrocystis con tetraetilamonio, un inhibidor de acuaporinas, reduce significativamente la inflación, pero no la bloquea. Esto quiere decir que otros mecanismos, junto a las acuaporinas, pueden estar implicados en la súbita irrupción de agua en la vacuola.
En conclusión, Pyrocystis ha desarrollado mecanismos de bajísimo coste energético que le permiten realizar grandes migraciones en la columna de agua, un comportamiento muy alejado de ese carácter “errante” que dio nombre al plancton.
Referencias
Larson, A.G., Chajwa, R., Li, H., et al. (2024) Inflation-induced motility for long-distance vertical migration. Curr Biol. doi: 10.1016/j.cub.2024.09.046.
Cadart, C. (2024) Cell biology: Wanderers that balloon towards light. Curr Biol. doi: 10.1016/j.cub.2024.10.002.
Sobre el autor: Ramón Muñoz-Chápuli Oriol es Catedrático de Biología Animal (jubilado) de la Universidad de Málaga