Diversidad biológica del mar profundo



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Diversidad biológica del mar profundo
E. Escobar
Universidad Nacional Autónoma de México, Instituto de Ciencias del Mar y Limnología, Unidad Academica Sistemas Oceanográficos y Costeros, Laboratorio de Biodiversidad y Macroecología, A.P. 70-305 Ciudad Universitaria, 04510 México, D.F. escobri@mar.icmyl.unam.mx

ResumEn

La diversidad biológica se puede expresar en diferentes niveles de complejidad. Uno de estos niveles es el número de especies. En los mares las aguas se encuentran en constante movimiento a escalas de van de molecular a oceánica misma en la cual podemos expresar los procesos que influyen sobre la vida y por ende en la descripción de la diversidad biológica. En el marco del número de especies las estimaciones varían ampliamente a nivel mundial lo cual ha generado un debate continuo entre especialistas y se han propuesto diversas estrategias que nos permiten inferir la diversidad global a partir de datos limitados. La información existente difiere notablemente para los cálculos obtenidos entre ecosistemas terrestres con respecto a los marinos lo que conlleva dificultados para unificar estrategias para su conservación. Los mares proveen espacio disponible que excede en 160 veces el de hábitats terrestres y solamente en el país duplica el territorio nacional. Esta presentación tiene como objetivo principal introducir a los asistentes, en términos generales, lo que quienes lo estudiamos definimos como mar profundo y con casos de estudio de las investigaciones realizadas en México en el Océano Pacífico, en el Golfo de California, en el Mar Caribe y en el Golfo de México presentar el estado de conocimiento sobre la diversidad biológica. Uno de los retos que se presentan en el estudio de la diversidad biológica de los ecosistemas del mar profundo es la lejanía y aislamiento de la masa de agua y fondo marino que a la fecha ha generado con apoyo de buques oceanográficos, robots y colaboración internacional un campo fértil de descubrimientos científicos y en los cuales se hace patente la diversidad elevada de especies altamente adaptadas y de las cuales tenemos un conocimiento incipiente de los procesos que conllevaron a su colonización y evolución. Las especies de mar profundo han mostrado, en diversos casos, ser altamente especializadas a condiciones restringidas de factores que prácticamente son estables a lo largo del tiempo, p.e. baja temperatura, presión elevada, ausencia de luz, aportes reducidos de alimento. Los estudios de las décadas pasadas nos han permitido reconocer que las adaptaciones a estas condiciones ambientales u otras como las encontradas en infiltraciones de metano, zonas de oxígeno mínimo o ventilas hidrotermales donde la quimiosíntesis reemplaza a la fotosíntesis les confiere características que en la actualidad les confieren una importancia en la industria biotecnológica, la farmacológica, las aplicaciones médicas y su papel es fundamental en el ciclo del carbono jugando una pieza esencial en aspectos de cambio climático. Los ecosistemas de mar profundo en México son diversos. Los resultados que hemos obtenido nos permiten aseverar nuevos descubrimientos de abocar un esfuerzo mayor al estudio de los mares en las próximas décadas.


El trabajo que desarrollo en el ICML-UNAM se centra en las comunidades biológicas que habitan los fondos marinos profundos, i.e. los sedimentos que representan un área vasta del globo terráqueo y que conforman el ecosistema más grande conocido. Estas comunidades se caracterizan por una diversidad local elevada y un número grande de especies nuevas. A pesar de que ciertos grupos taxonómicos se han estudiado ampliamente en otras regiones, a nivel nacional se ha documentado poco y se desconoce su vinculo a otras regiones en particular porque los trópicos son uno de los sistemas más estables en la escala evolutiva.

1. Introducción

En la década pasada la conservación de la diversidad biológica se ha considerado como un aspecto esencial en el desarrollo sustentable de los recursos a nivel mundial. Se puede reconocer que la diversidad biológica es el determinante básico de la estructura y funcionamiento de todos los ecosistemas y provee la base sobre la cual recae el bienestar de la sociedad.

La diversidad biológica se refiere a la diversidad de formas vivas, la diversidad genética contenida en ellas, y las asociaciones que conforman complejas interacciones en comunidades y ecosistemas. Los sistemas biológicos son funcionalmente complejos, esta complejidad está asociada a la diversidad de las especies que los conforman.

Los beneficios que la diversidad biológica provee al hombre son múltiples: la sociedad actual depende de las especies para fines alimenticios, energéticos, medicamentos, fármacos y materiales básicos para la manufactura de compuestos industriales. Los organismos vivos son una parte importante de los procesos que regulan los ciclos atmosféricos, climáticos, hidrológicos y bioquímicos de la Tierra, y es en las últimas décadas que hemos logrado comprender más sobre el papel funcional de la diversidad biológica y la dinámica de los procesos en los cuales se beneficia o es afectada la humanidad. Lo anterior se vuelve importante al reconocer que la diversidad biológica no es estática y con ello tratar de entender el efecto del cambio climático global resultado de la emisión de gases de invernadero sobre la diversidad biológica. A la fecha sabemos que la diversidad biológica fluctúa en tiempo geológico como parte de un proceso natural añadiendo nuevas especies mientras otras se extinguen, respuesta de las poblaciones de los organismos a los cambios de su entorno físico y biológico.



2. Porqué estudiar el mar profundo?

La respuesta es clara, se trata del ecosistema más grande del planeta. La profundidad promedio de los mares es 4.2 km y abarca más del 66% del volumen de los mares, siendo que los océanos representan una porción grande de la biosfera en el globo terráqueo (casi el 70% de la superficie de la tierra).

Es importante puntualizar que los ecosistemas marinos y terrestres difieren notablemente; entre los principales atributos se reconoce que la producción primaria es generada en su gran mayoría por organismos de grupos taxonómicos móviles (transportadas por el flujo y la mezcla del agua) de talla pequeña (de 0.2 µm a 100µm) y efímeros (tasa de renovación de horas a días) en contraste con las plantas terrestres y árboles, sésiles y de talla grande. Los grandes carnívoros y los depredadores del mar tienen historias de vida más complejas habitando más de un ambiente (columna de agua y fondo marino) en diferentes etapas. Lo anterior permite diversas estrategias reproductivas que amortiguan la extinción pero que hace que la variabilidad de las especies a los factores sea poco predecible y por lo mismo vulnerables a las perturbaciones naturales y las generadas por las actividades humanas. Comparativamente, la ocurrencia de especies y su expresión como biomasa en los mares es miles de veces más diluida que en el ambiente terrestre conllevando a interpretar que son menos productivos. Las interacciones biológicas son más complejas en sistemas abiertos conectados por corrientes y la diferencia en tallas excede en más de dos órdenes de magnitud desde el nivel productor (µm) hasta el del consumidor (decenas de metros). La diversidad de Phyla (la jerarquía taxonómica más alta) es substancialmente mayor en los mares con 13 Phyla exclusivos marinos con respecto a sólo uno terrestre lo que es un argumento a favor de la importancia de la historia evolutiva de la vida en los océanos.

Los mares sostienen una diversidad grande de flora y fauna que es fundamental a los ciclos biogeoquímicos y que provee una fuente importante de alimento, recursos diversos y moléculas.Un número elevado de especies habita el mar profundo muchas del cual muchas son desconocidas aún. La estimación global va de 500,000 a 10 millones de especies. A la fecha no existe un inventario de fauna por cuenca marina (p.e. para el océano Pacífico, o para el Golfo de California), la extrapolación del total de especies de fauna abisal a nivel global es especulativa de la misma forma que se ha estimado el número de bacterias tanto en la escala local (océanos 160 per mL; suelos 6,400–38,000 per g; desagües 70 per mL). La diversidad bacteriana en los mares calculada a partir de el area bajo la curva de la abundancia de especies puede exceder 2 x 106, en contraste con la de los suelos en 4 x 106 taxa (Curtis et al., 2002).



3. Por qué existen tantas especies en el mar profundo?

En el pasado medio siglo se ha descubierto un número de especies increíblemente alto a pesar de provenir de poblaciones con densidades bajas debidas al aporte bajo de alimento al fondo marino. Los factores ambientales que determinan la distribución de la vida en el mar profundo incluyen la baja temperatura (2 a 4oC), la elevada presión hidrostática (1 atm por cada 10m de profundidad), la ausencia de luz solar y la variabilidad de la concentración de oxígeno disuelto (0 en zonas anóxicas a 6mg.L-1 en las planicies abisales) que influyen en conjunto sobre la fisiología de los organismos. La disponibilidad de alimento está íntimamente asociada a la profundidad, y, a pesar de su importancia es uno de los factores más difíciles de cuantificar. Comúnmente el flujo de carbono es una alternativa más viable de evaluar e interpretar para explicar la distribución de la diversidad biológica. La naturaleza de las masas de agua y del sustrato se han reconocido en diversos estudios, la primera se refleja en la temperatura, otros factores como la salinidad son relativamente estables. Recientemente los factores bióticos como depredación, competencia, dispersión y otros se han citado pero fuera de la propuesta teórica ha sido difícil comprobarlos en campo a estas grandes profundidades y en contados casos se han evaluado con apoyo de los sumergibles.

Un número grande de descubrimientos de organismos previamente no documentados se han documentado recientemente y juegan un papel fundamental en el funcionamiento del ecosistema. Estos descubrimientos fueron el resultado del desarrollo de nuevas estrategias de muestreo y de técnicas analíticas en los laboratorios y a bordo, lo cual enfatiza solamente la vastedad de lo que resta aún por explorar en una de las fronteras aún poco descritas para el hombre. El número de especies que habitan el mar profundo es aún incierto. El descubrimiento de la diversidad biológica elevada a finales de los años 60s cambió la forma de observar los fondos marinos y dio pie a debates teóricos sobre qué mantiene a la diversidad biológica en el largo plazo en un ecosistema grande y monótono como el mar profundo. Estas observaciones se refinaron con la disponibilidad de Alvin, que permitieron a los investigadores observar directamente el fondo y llevar a cabo experimentos in situ.

El número de especies no descritas aún de organismos microscópicos es grande. La diversidad de eucariontes en sedimentos cálidos y anóxicos de las ventilas hidrotermales de la cuenca de Guaymas ha mostrado ser elevada con adaptaciones por una parte a las condiciones anóxicas originadas de especies ampliamente distribuidas en los mares profundos ya sea por depósito de aguas someras o por su ocurrencia en el sedimento. Por otra parte existen especies exclusivas de ambientes anóxicos, reductores ricos en hidrocarburos (Edgcomb et al., 2002).

Tras un siglo de estudios en el mar profundo los muestreos realizados con redes de arrastre, dragado y obtención de núcleos de sedimento permitieron generar algunos esquemas de los tres patrones principales que caracterizaron a las comunidades biológicas del mar profundo, el primer patrón permitió reconocer la pérdida de abundancia y biomasa con la profundidad siguiendo una curva exponencial negativa (Rowe 1983). El segundo patrón fue la descripción de un esquema de zonación con un cambio progresivo en el reemplazo de las especies (Carney et al. 1983); el tercer patrón permitió establecer que la diversidad de especies alcanza un máximo a profundidades intermedias en el talud continental (Rex 1973, 1983).

A nivel de ecosistemas del mar profundo existen ambientes no descritos. La teoría de placas predijo la existencia de ventilas hidrotermales que fueron descritas hasta 1977 y en las cuales ocurre una abundancia inusual de organismos que obtienen beneficio de la infiltración de aguas y compuestos reducidos. En adición a los descubrimientos de biota no conocida previamente como es la de ventilas hidrotermales hace 30 años, diversos organismos han evolucionado en el mar profundo bajo condiciones relativamente estables. Sus adaptaciones fisiológicas y bioquímicas se han estudiado someramente y las estrategias para su estudio y recolecta datan de apenas una década. El desarrollo de instrumentación avanzada en apoyo al muestreo (mecatrónica, cómputo, sonares, sensores, materiales, fibras, etc.) ha permitido reconocer nuevos habitats en el océano profundo tales como las ventilas hidrotermales, los cadáveres de ballenas, el acumulo de debris vegetal y las infiltraciones de metano, de salmuera y recientemente de asfalto (Fig. 1).




Figura 1. Derrame del volcán de asfalto en la planicie abisal del Golfo de México

Estos nuevos habitats descubiertos son solamente un recordatorio de que la diversidad biológica de la mayor parte de la superficie de la tierra depende aún del estudio de zonas que no se han explorado, un ejemplo de ello es la masa de agua profunda, o el subsuelo marino. La influencia de las actividades humanas en la biota ha incrementado notablemente peligrando la estabilidad de muchos de estos ecosistemas.

4. El valor de la diversidad biológica en el mar profundo

El desconocimiento en la riqueza de especies limita el conocimiento del funcionamiento y de la capacidad predictiva del cambio ante alteraciones naturales y las generadas por las actividades humanas. Las nuevas formas de estudiar el ecosistema marino, con robots, sondas, sensores, sumergibles, observatorios permanentes reconocen las diferentes escalas en las cuales se estructura y funciona el ecosistema marino y en la cual los procesos determinan y mantienen a la diversidad biológica. La importancia de este conocimiento no es solamente ecológica sino de índole biotecnológico y biomédico. La ingeniería energética, la farmacéutica y la del procesado de alimentos se basan en el uso de la diversidad genética natural de especies, en particular de especies marinas. La investigación biomédica requiere información comparativa de otras especies como modelos. Este valor de la diversidad rara vez se ve reflejado en los en la economía, y menos aún los servicios ecológicos que la diversidad biológica provee ya que comúnmente son más difíciles de calcular con precisión.

En el campo de la biotecnología los mares contribuyen día con día con conocimiento de productos naturales derivados de organismos con importancia biomédica, de la bioingeniería y de producción acuícola. Miles de nuevos compuestos bioquímicos se han descubierto a partir de organismos marinos tales como esponjas, corales blandos, moluscos, bacterias y algas. Quienes trabajan en este ramo consideran que desde los años 70s solamente una fracción pequeña se ha explorado en búsqueda de compuestos químicos nuevos a sintetizar a partir de animales que tienen propiedades de interés en la síntesis de sustancias bioquímicas naturales usadas para repeler depredadores, competir por espacio para crecer y localizar parejas potenciales.

Los compuestos de origen biológico contribuyen no solamente con compuestos de importancia farmacéutica sino también con suplementos nutricionales, diagnósticos médicos, cosméticos, herbicidas, pesticidas enzimas y sondas químicas para la investigación médica entre otras aplicaciones. Entre las moléculas que se han probado clínicamente en otros países se tienen aquellas, consideradas como tratamientos potenciales para el cáncer, sin embargo se ha hecho un avance grande en tratamientos para enfermedades infecciosas, esclerosis múltiple, Alzheimer, dolor crónico y artritis.

El mar profundo es un reservorio potencial para muchas otras moléculas aún no descritas procedentes de organismos adaptados a la profundidad. La disminución de la diversidad en los mares tiene consecuencias aún más profundas que otros dilemas ambientales, tal vez más reconocidos. En virtud a que la pérdida es irreversible, las especies que se pierden, se pierden para siempre, el impacto potencial es enorme sobre la vida humana, sobre los sistemas vivos de la tierra y sobre los procesos evolutivos. Al perderse una especie se pierde un recurso potencial. Nuestra especie evolucionó biológica y culturalmente en un mundo altamente diverso. La interacción con otros organismos dio forma a la civilización en vías intrincadas y el futuro de la humanidad no puede separarse del de las especies y ecosistemas con quienes compartimos el planeta. La investigación dirigida en el conocimiento de la diversidad, su conservación y el papel que ésta juega en el desarrollo de las sociedades modernas.

5. Los campos emergentes

El reto en el estudio de la diversidad biológica marina radica no sólo en la obtención de la información sino en el manejo, aplicación y comunicación. La calidad de la investigación depende de las personan y las instituciones que la llevan a cabo. Nuevas estrategias y técnicas se han venido desarrollando que nos permiten detectar y describir la diversidad en las escalas genética, individual y ecosistémica en los océanos y que mejorarán nuestro conocimiento de la diversidad biológica y generando nuevas preguntas críticas sobre los conceptos de especiación y las interacciones en el mar. La aplicación de alcances y técnicas moleculares nos ha permitido tener una visión distinta de la diversidad biológica, en particular de consorcios microbianos tanto de aguas y sedimentos profundos.

Los microorganismos son una componente integral de las tramas alimentarias y son por lo mismo importantes en los ciclos biogeoquímicos al ser responsables del reciclamiento de la materia orgánica en los mares. La diversidad de estos consorcios es prácticamente desconocida. Los métodos convencionales de identificación incluyen cultivos solamente han permitido identificar el 1% de los microorganismos en muestras. Las técnicas moleculares han permitido estudiar y describir el 99% restante. Los estudios más recientes en sistemas quimioautotróficos usando secuenciación del gen 16S ribosomal RNA (rRNA) e hibridación in situ con sondas específicas rRNA que han permitido reconocer que especies cercanas, p.e. gasterópodos (Alviniconcha spp. e Ifremeria nautilei) de una misma familia pueden albergas diferentes bacterias endosimbiontes mostrando que todo tipo de proteobacterias pueden llevar a cabo este tipo de asociaciones. En el ejemplo de los dos gasterópodos la -Proteobacteria, es el simbionte más común que se ha caracterizado como endosimbionte de procariontes tioautotróficos más común en ventilas. En contraste, las bacterias del clado -Proteobacteria sulfo-oxidantes solamente ocurren en los endosimbiontes de Alviniconcha y son característicos de infiltraciones, ligando a ambos ecosistemas reductores a través de una especie.

Es importante resaltar que las asociaciones simbióticas son comúnmente estables entre una sola especie y en un solo tejido, las simbiosis múltiples tienden a ser menos estables dada la competencia por espacio y por recursos entre simbiontes y que llegan a ser deletéreos para el hospedero. Entre los organismos con endosimbiontes múltiples se ha reconocido a especies de ventilas hidrotermales, infiltraciones y corales en los cuales el costo de competencia entre simbiontes es inapreciable cuando evaluamos el beneficio al hospedero. Una opción de la coexistencia de simbiontes múltiples en un mismo hospedero es el beneficio mutuo de los simbiontes. Un ejemplo de esta naturaleza se reconoce con el oligoqueto Olavius algarvensis, carente de tracto digestivo y con bacterias endosimbióticas sulfato-reductoras que producen sulfuros como fuente de energía para los simbiontes sulfuro-oxidantes, evitando competencia por el recurso y llevando a cabo una relación mutualista en un ciclo endosimbiótico del azufre en adición a la relación con el hospedero.

La diversidad filogenética de esta asociación se ha visto que es estable y altamente específica. Con el desarrollo de nuevas sondas se ha podido reconocer la ocurrencia de hasta 5 endosimbiontes en una sola especie de oligoqueto en la cual ocurren dos miembros de -Proteobacteria (Gamma 1 y 2), dos a tres miembros de -Proteobacteria (Delta 1, 2 y 3) y una espiroqueta.

Otro ejemplo es el caso del mejillón de profundidad Bathymodiolus (Bivalvia: Mytilidae) con bacterias simbiontes. El análisis de 16S rRNA y FISH muestra la presencia dual de bacterias sulfuro-oxidantes en la región apical del epitelio de las branquias y de metano-oxidantes en la región basal de los bacteriocitos que le permiten subsistir en fondos marinos anóxicos con flujos de metano de 0.7 a 33.7 µM. Interesante en en el marco evolutivo es que esta bacteria metanogénica es común a otras especies de mejillones de sistemas quimiosintéticos, sin embargo la bacteria tiotrófica no es común.



6. Conclusión

La combinación de estas estrategias moleculares con estudios morfológicos clásicos han potenciado la capacidad de entender la diversidad biológica en el ecosistema marino ya que nos han permitido reconocer una gran diversidad de complejos de especies hermanas en lo que alguna vez se consideró una sola especie. Es claro que las técnicas moleculares han aportado una de las herramientas más poderosas para permitirnos comprender la gran diversidad biológica y complejidad existente en los mares sin embargo es importante señalar que las herramientas moleculares son de gran ayuda en la evaluación de la diversidad genética a nivel intraespecífico y el manejo de especies en riesgo.



BIBLIOGRAFÍA

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