Entre 2009 i 2013 es va realitzar l'expedició internacional Tara Oceans, amb més d'un centenar de científics de 31 centres i laboratoris, i un ambiciós objectiu: estudiar el plàncton dels ecosistemes marins, no només per identificar els microorganismes que el componen, sinó per entendre com interaccionen entre ells i amb l'entorn. Per a això, circumnavegaren el planeta i van recollir unes 35.000 mostres en diferents oceans a diferents estacions de l'any.
Entre 2009 i 2013 es va realitzar l'expedició internacional Tara Oceans, amb més d'un centenar de científics de 31 centres i laboratoris, i un ambiciós objectiu: estudiar el plàncton dels ecosistemes marins, no només per identificar els microorganismes que el componen, sinó per entendre com interaccionen entre ells i amb l'entorn. Per a això, circumnavegaren el planeta i van recollir unes 35.000 mostres en diferents oceans a diferents estacions de l'any. Ara, els resultats es publiquen en un número especial de la revista Science, desglossats en cinc articles.
El projecte Tara Oceans té entre els seus coordinadors científics a Silvia G. Acinas, del Departament de Biologia Marina i Oceanografia de l'ICM. Acinas ha liderat l'estudi sobre el Microbioma de l'Oceà al costat d'investigadors de l'European Molecular Biology Lab (EMBL) d'Alemanya (Shinichi Sunagawa, Peer Bork i Eric Karsenti) i de l'Institut Vlaams de Biotecnologia (VIB) de Bèlgica (Jeroen Raes). A més, un grapat d'investigadors de l'ICM-CSIC han participat en altres dels treballs que es publiquen a Science.
"Una de les gestes de Tara Oceans ha estat descriure la diversitat microbiana (virus, bacteris, arqueus i protists) a escala global i a un nivell de resolució abans impensable, gràcies a l'ús de la seqüenciació massiva d'ADN i ARN", afirma Silvia G. Acinas. A més de l'impacte dels factors ambientals sobre el plàncton, també s'ha estudiat l'efecte dels remolins oceànics en l’estructuració de les comunitats planctòniques.
El plàncton oceànic és essencial per al nostre planeta: produeix la meitat de l'oxigen, és un embornal de carboni, influeix sobre el clima i forma la base de la cadena tròfica marina de la qual s'alimenten peixos i mamífers marins. "Més enllà de la ciència d'avantguarda que s'ha desenvolupat gràcies al nostre treball en col·laboració amb la Fundació Tara Expeditions, aquesta aventura tracta de mostrar com d’important és l'oceà per al nostre benestar", explica Eric Karsenti, cap científic de l'expedició Tara Oceans, i de l'EMBL i el CNRS.
Un llegat per a les futures generacions
La investigació pionera de Tara Oceans s'ha centrat en la “pell” de l'oceà: des de les aigües superficials fins als 900 metres de profunditat (a la zona mesopelàgica). S'han pres fins a 35.000 mostres, a diferents profunditats, i en diferents mars i oceans, cobrint les principals regions oceàniques del planeta, excepte l'Àrtic. Totes les mostres es van recollir per duplicat, de manera que es puguin tornar a analitzar en el futur quan es disposi de tecnologies més avançades.
En l'article que lidera Acinas (Structure and Function of the Global Ocean Microbiome), es presenten els resultats de l'anàlisi de 243 mostres procedents de 68 estacions globals de Tara Oceans. L'anàlisi metagenòmica ha donat com a resultat una quantitat de 7,2 trilions de parells de bases d'ADN de les comunitats microbianes marines: té 1.000 vegades més seqüències d'ADN que qualsevol estudi previ de diversitat marina o de seqüenciació del microbioma d'altres ambients, i supera fins i tot l'anàlisi del microbioma humà de més de 1.000 persones. Aquest volum de seqüències contenia inicialment 111 milions de gens. Un cop descartades les seqüències duplicades, queda un catàleg genètic microbià d'una mica més de 40 milions de gens, dels quals el 80% és totalment nou per a la ciència.
"Aquesta base de dades i la col·lecció de mostres són un llegat per a la comunitat científica i per a les futures generacions", afirma Acinas. Aquest catàleg genètic servirà de base per a futurs estudis de models relacionats amb el canvi global i funcionament dels nostres ecosistemes marins. "Estem entusiasmats amb el fet que un 80% dels gens identificats són nous, és a dir que no s'havien publicat anteriorment a les bases de dades públiques de gens" remarca Josep M. Gasol, investigador de de l'ICM. Dels 40 milions de gens, més de la meitat corresponen a bacteris (58,8%), i la resta a virus (5,4%), arqueus (2%), i a petits eucarionts unicel·lulars i multicel·lulars (3,3%). La resta dels gens, aproximadament un 28%, no se sap encara a quin grup d'organismes pertanyen.
Més diferència per la temperatura que per distància geogràfica
El grup de la Dra. Acinas s'ha centrat en l’estudi dels bacteris i arqueus marins, el bacteriplàncton marí, que es extraordinàriament abundant: al voltant de 10^29 cèl·lules a tot l'oceà, o un milió de cèl·lules en un mil·lilitre d'aigua. "Hem analitzat 243 mostres, el que ens ha permès descriure la diversitat d'aquests microorganismes en l'oceà global i estimem que hi ha un mínim de 35.000 tàxons o possibles espècies procarionts (bacteris i arqueus)", comenta l'estudiant de doctorat Guillem Salazar.
Una de les preguntes que es feien els investigadors era si els microorganismes marins eren molt diferents entre les diferents regions oceàniques. Francisco M. Cornejo, estudiant de doctorat, explica que han observat que el que determina més les diferències no és la localització física sinó la fondària i la temperatura. "Comunitats microbianes que estan separades milers de quilòmetres entre si, són més semblants entre elles que altres comunitats microbianes que estan en llocs propers però a diferent temperatura", diu aquest investigador.
"Que la temperatura tingui un paper fonamental en la distribució dels microorganismes ja se sabia d’estudis a petita escala, però nosaltres ho hem corroborat en un context global. Això té especial importància en relació al canvi climàtic ja que petites variacions de temperatura poden tenir un gran efecte sobre la diversitat i estructura d'aquestes comunitats microbianes ", remarca Silvia G. Acinas.
Funció dels gens
Els científics també es preguntaven sobre la funció dels gens. Aquí, un dels resultats més sorprenents, diu Silvia G. Acinas, ha estat detectar que "un 67% dels gens que coneixem del microbioma de l'oceà són compartits per tots els bacteris i arqueus marins, fet que suposa una gran redundància funcional entre ells". Això implica, segueix explicant Acinas, "que són funcions comunes a molts microorganismes, que s'han conservat i es mantenen sempre, funcions que tenen a veure amb mecanismes comuns com la replicació cel·lular, la transcripció d'ADN o la síntesi de proteïnes".
En canvi, només una petita part dels gens del microbioma de l'oceà (un 4%) presenta una gran variabilitat entre mostres, i té a veure amb funcions relacionades amb les adaptacions locals, com el tipus de llum que es rep o l’adaptació a viure en agregats. És en aquesta petita part dels gens on hi ha la major capacitat d'adaptació i que explica la resiliència de les comunitats microbianes marines.
De virus a protists: estudiant la totalitat del plàncton
Les anàlisis realitzades durant l'expedició Tara Oceans i, posteriorment, al laboratori, han suposat un notable desenvolupament de tècniques experimentals. Gràcies a diferents sistemes de filtres i de malles, s'ha dividit el plàncton en 7 fraccions, que de menor a major grandària corresponen a virus, “girus” o virus gegants, bacteris i arqueus, protists - un gran grup de microorganismes eucarionts que inclou des d'organismes unicel·lulars fins a organismes multicel·lulars- i zooplàncton. Aquesta metodologia ha permès analitzar tot l'espectre d'organismes que formen el plàncton. A més de tècniques ben conegudes, com la citometria de flux o la microscòpia, s'han utilitzat mètodes automàtics de detecció i reconeixement d'imatges per identificar els organismes morfològicament. Per a les anàlisis genòmiques (ADN i ARN) s'han aplicat les últimes tecnologies de seqüenciació massiva, remarca Isabel Ferrera.
Un altre dels treballs de Tara Oceans publicats a Science se centra en l'estudi de la diversitat de virus, liderat l'americà Matthew B. Sullivan i en el qual també participa Acinas. Els virus tenen un paper fonamental per al manteniment de la diversitat microbiana. En aquest treball s'ha fet servir una metodologia que permet recuperar i analitzar fins al 90% dels virus que formen part del plàncton, una gran millora respecte de les tècniques convencionals de filtració tangencial amb les quals es perd una gran part de aquests virus. Com a resultat s'han pogut detectar més de 5.000 poblacions de virus en 43 estacions de Tara Oceans.
Un altre dels articles se centra en la diversitat dels protists, que són eucarionts unicel·lulars, i és liderat per Colomban de Vargas, investigador del CNRS (França). Han obtingut 766 milions de seqüències del gen 18S rARN, i han descobert que la seva diversitat és molt més gran de la que pensaven. D'aquests microorganismes, que havien quedat en l'oblit durant molt de temps, han evolucionat tots els organismes complexosd. "Aquests eucarionts són sorprenentment diversos i importants per al funcionament de l'ecosistema oceànic. Hem identificat almenys uns 150.000 taxons de protists ", afegeix Ramiro Logares, també científic de l'ICM.
Qui interactua amb qui
Gràcies a nous models de computació, els investigadors han pogut predir com els diversos organismes interactuen. Després, algunes d'aquestes prediccions s’han pogut confirmat a través d'observacions amb microscòpia.Aquest treball, liderat per Jeroen Raes del laboratori VIB, de la universitat KU Leuven i de la Vrije Universiteit Brussel (Bèlgica), presenta una troballa inesperada. "Quan hem cartografiat com els organismes planctònics -des de virus fins a larves de petits animals- interactuen uns amb altres, hem descobert que la majoria d'aquestes relacions són parasítiques, reciclant nutrients dins de la xarxa tròfica", diu el Dr. Ras. Aquest mapa és el primer pas cap a un millor coneixement de la dinàmica i l'estructura de l'ecosistema marí global.
Un bon nombre d'investigadors de l'Institut de Ciències del Mar del CSIC ha participat en els treballs de Tara Oceans. D'una banda, el grup de la Dra. Acinas, amb Francisco M. Cornejo, Marta Royo-Llonch i Guillem Salazar. També han participat els investigadors Josep M. Gasol, Ana M. Cabello, Isabel Ferrera, Elena Lara, Ramiro Logares, Pablo Sánchez, Hugo Sarmento i Marta Sebastián.
A més, l'Institut de Ciències del Mar del CSIC ha actuat com a repositori, i emmagatzema unes 4.600 mostres de l'expedició, per a futurs estudis de bacteris i arqueus marins.
El diari dels científics sobre l'experiència a bord del Tara es va publicar a Recerca en Acció el 2011: Viatge al cor de l'oceà
Publicacions de Tara Oceans
Sunagawa, Coelho, Chaffron, et al. Structure and Function of the Global Ocean Microbiome. DOI: 10.1126/science.1261359
De Vargas, Audic, Henry, et al. Eukaryotic plankton diversity in the sunlit global ocean. DOI: 10.1126/science.1261605
Lima-Mendez, Faust, Henry et al. Determinants of community structure in the global plankton interactome. DOI: 10.1126/science.1262073
Villar, Farrant, Follows et al. Environmental characteristics of Agulhas rings affect inter-ocean plankton transport. DOI: 10.1126/science.1261447
Brum, Ignacio-Espinosa, Roux et al. Global patterns and ecological drivers of ocean viral communities. DOI: 10.1126/science.1261498