En todo el océano, miles de millones de microbios similares a plantas forman un bosque flotante invisible. A medida que se desplazan, los diminutos organismos utilizan la luz solar para absorber dióxido de carbono de la atmósfera. Colectivamente, este plancton fotosintético, o fitoplancton, absorbe casi tanto CO2 como los bosques terrestres del mundo. Una fracción medible de su músculo de captura de carbono proviene de Prochlorococcus, un flotador libre teñido de esmeralda que es el fitoplancton más abundante en los océanos en la actualidad.

Pero Prochlorococcus no siempre habitó en aguas abiertas. Los antepasados ​​​​del microbio probablemente se quedaron más cerca de las costas, donde abundaban los nutrientes y los organismos sobrevivían en esteras microbianas comunales en el fondo marino. Entonces, ¿cómo terminaron los descendientes de estos habitantes costeros como las potencias fotosintéticas de los océanos abiertos en la actualidad?

Los científicos del MIT creen que el rafting fue la clave. 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 viajaron en copos que pasaban, usando las partículas como balsas para aventurarse más lejos en el mar. Estas balsas de quitina también pueden haber proporcionado nutrientes esenciales, alimentando y sustentando 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 Prochlorococcus y otros organismos fotosintéticos no hubieran colonizado el océano, estaríamos mirando un planeta muy diferente », dice Rogier Braakman, científico investigador del Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias (EAPS) del MIT. « Fue el hecho de que pudieron 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 manera 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

Prochlorococcus es uno de los dos grupos principales que pertenecen a una clase conocida como picocianobacterias, que son los organismos fotosintéticos más pequeños del planeta. El otro grupo es Synechococcus, un microbio estrechamente relacionado que se puede encontrar abundantemente en los sistemas oceánicos y de agua dulce. Ambos organismos se ganan la vida a través de la fotosíntesis.

Pero resulta que algunas cepas de Prochlorococcus pueden adoptar estilos de vida alternativos, particularmente en regiones con poca luz donde la fotosíntesis es difícil de mantener. Estos microbios son « mixotróficos » y utilizan una combinación de otras estrategias de captura de carbono para crecer.

Los investigadores del laboratorio de Chisholm estaban buscando signos de mixotrofia cuando se toparon con un gen común en varias cepas modernas de Prochlorococcus. El gen codificó la capacidad de descomponer la quitina, un material rico en carbono que proviene de las conchas desprendidas de los artrópodos, como insectos y crustáceos.

« Eso fue 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 experimentos para ver si Prochlorococcus puede, de hecho, descomponer la quitina de una manera útil. El trabajo previo en el laboratorio mostró que el gen que degrada la quitina apareció en cepas de Prochlorococcus que viven en condiciones de poca luz y en Synechococcus. El gen faltaba en Prochlorococcus que habitaba regiones más iluminadas por el sol.

En el laboratorio, Capovilla introdujo partículas de quitina en muestras de cepas con poca y mucha luz. Descubrió que los microbios que contenían el gen podían degradar la quitina, y de estos, solo Prochlorococcus adaptado a la luz baja parecía beneficiarse de esta descomposición, ya que parecía crecer más rápido como resultado. Los microbios también podrían adherirse a las escamas de quitina, un resultado que interesó particularmente a Braakman, quien estudia la evolución de los procesos metabólicos y las formas en que han dado forma a la ecología de la Tierra.

« La gente siempre me pregunta : ¿Cómo colonizaron estos microbios el océano primitivo? » él dice. « Y mientras Gio estaba haciendo estos experimentos, hubo un momento ‘ajá' ».

Braakman se preguntó : ¿Podría este gen haber estado presente en los ancestros de Prochlorococcus, de una manera que permitiera que los microbios costeros se adhirieran y se alimentaran de la quitina, y llevaran las escamas al mar?

Todo está en el tiempo

Para probar esta nueva hipótesis de « 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 exhiben el gen que degrada la quitina. De este árbol, notaron una tendencia : los microbios comienzan a usar quitina solo después de que los artrópodos se vuelven abundantes en un ecosistema en particular.

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

El equipo examinó el registro fósil y descubrió que las especies acuáticas de artrópodos se hicieron abundantes a principios del Paleozoico, hace unos quinientos millones de años. Según el árbol evolutivo de Fournier, eso también sucede en la época en que el gen degradante de la quitina aparece en los ancestros comunes de Prochlorococcus y Synecococchus.

« El momento es bastante sólido », dice Fournier. « Los sistemas marinos se estaban inundando con este nuevo tipo de carbono orgánico en forma de quitina, al igual que los genes para usar este carbono se extendieron a través de todos los diferentes tipos de microbios. Y el movimiento de estas partículas de quitina de repente abrió la oportunidad para que los microbios realmente llegar a mar abierto ».

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

Braakman dice que una vez en el mar, los microbios del rafting eran lo suficientemente resistentes como para desarrollar otras adaptaciones que habitan en el océano. Millones de años más tarde, los organismos estaban listos para « dar el paso » y evolucionar hasta convertirse en el Prochlorococcus fotosintetizador que flota libremente y que existe en la actualidad.

« 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).