Investigadores del CSIC contribuyen en un análisis de 1.700 muestras y dos billones de secuencias, de las cuales dos tercios no se corresponden con ninguna especie conocida

Un equipo internacional con investigadores del CSIC ha publicado la primera visión unificada de la biodiversidad de los océanos a escala global, basada en el análisis de secuencias de ADN desde la superficie del océano hasta los sedimentos del océano profundo. Los resultados han revelado la elevada diversidad de los fondos abisales. Este esfuerzo colectivo fue posible gracias a 15 expediciones internacionales en aguas profundas, alguna de ellas liderada por instituciones de investigación españolas. En el estudio, publicado en Science Advances, han participado investigadores del Instituto Español de Oceanografía (IEO, CSIC) y el Institut de Ciències del Mar de Barcelona (ICM, CSIC).

El fondo del océano profundo es el ecosistema menos explorado del planeta, a pesar de cubrir más del 60% de la superficie terrestre. La vida en gran parte desconocida en los fondos sedimentarios abisales, desde animales bentónicos hasta microorganismos, contribuye como reservorio de la materia inorgánica que se deposita en las profundidades, así como al reciclaje de la misma, una materia que es producto de la actividad de las comunidades pelágicas y que están numéricamente dominadas por plancton microscópico. Los ecosistemas bentónicos de los fondos marinos son la base de dos importantes servicios ecosistémicos de importancia global: el correcto funcionamiento de las redes tróficas oceánicas y el reservorio de carbono cuyo almacenaje tiene lugar en escalas de tiempo geológicas. Ambos procesos son reguladores fundamentales del clima de la Tierra.

El trabajo lo firma un equipo internacional de ocho países pertenecientes a diversos centros de investigación. El trabajo presenta los resultados de la secuenciación masiva de ADN eucariótico contenido en los sedimentos de aguas profundas de las principales cuencas oceánicas y los compara con resultados existentes de la secuenciación de ADN en aguas someras de todo el mundo, estos últimos obtenidos en las expediciones circumglobales Tara Oceans y la española Malaspina.

Este trabajo proporciona la primera visión integrada de la biodiversidad eucariótica oceánica global, desde la superficie hasta los sedimentos de las profundidades del océano. Los resultados del estudio permiten así abordar por primera vez algunos de las cuestiones sobre ecología marina a escala global, comprendiendo el espacio tridimensional del océano, lo que representa un gran paso hacia el concepto de “ecología de un solo océano”.

“Con casi 1700 muestras y dos billones de secuencias de ADN, cubriendo desde la superficie hasta el fondo del océano profundo a nivel mundial, la genómica ambiental de alto rendimiento realizada, amplía enormemente nuestra capacidad para estudiar y comprender la biodiversidad de las profundidades marinas, su conexión con las masas de agua y con el ciclo global del carbono”, afirma Tristan Cordier, investigador del NORCE y del Bjerknes Center for Climate Research de Noruega y autor principal del estudio.

¿Quién vive en este ambiente oscuro y hostil?

Al comparar las secuencias de ADN de los sedimentos con las de los ambientes pelágicos, ha sido posible distinguir los organismos bentónicos autóctonos de los organismos planctónicos procedentes de la columna de agua suprayacente y que alcanzan los fondos marinos en el proceso de sedimentación que tiene lugar a través de la columna de agua. Los resultados indican que la biodiversidad bentónica podría ser tres veces mayor que en las masas de agua, estando dicha diversidad formada por diferentes grupos taxonómicos en su mayoría desconocidos.

“Hemos comparado nuestras secuencias de ADN bentónico de aguas profundas con todas las secuencias de referencia disponibles para eucariotas conocidos. Nuestros resultados indican que casi dos tercios de esta diversidad bentónica no pueden asignarse a ningún grupo conocido, lo que pone de manifiesto el importante vacío en nuestro conocimiento de la biodiversidad marina”, dice Jan Pawlowski, profesor del Departamento de Genética y Evolución de la Universidad de Ginebra y del Instituto de Oceanología de la Academia Polaca de Ciencias en Sopot.

¿Qué revela el ADN del plancton en aguas profundas?

El análisis de la abundancia y composición del ADN del plancton en los sedimentos de fondos profundos ha confirmado que las regiones polares son zonas fundamentales de secuestro de carbono. Además, la composición del ADN del plancton en los sedimentos predice la variación en la intensidad del funcionamiento de la “bomba biológica”, un proceso ecosistémico que transfiere el dióxido de carbono atmosférico a las profundidades del océano, regulando así el clima global.

“Por primera vez, podemos entender qué elementos de las comunidades planctónicas contribuyen en mayor medida a la bomba biológica, posiblemente los procesos ecosistémicos fundamentales en los océanos”, dice Colomban de Vargas, investigador del CNRS en Roscoff, Francia.

¿Cómo se verá afectado el océano profundo por los cambios globales?

El conjunto de datos genómicos obtenido en este trabajo representa la primera instantánea del total de la diversidad eucariota en el océano actual, proporcionando además una oportunidad única para reconstruir cómo eran los océanos en el pasado a partir del ADN contenido en los sedimentos a lo largo del tiempo. Esta información permite además analizar cómo el clima ha afectado al plancton y las comunidades bénticas en el pasado.

“Nuestros resultados no solo abordarán preguntas sobre la biodiversidad, biogeografía y la conectividad de los eucariotas marinos a escala global, también servirán como base para reconstruir el funcionamiento pasado de la bomba biológica a partir de ADN antiguo acumulado en el sedimento. Es decir, que los resultados de este trabajo ofrecerán información sobre su funcionamiento futuro en un océano más cálido, lo cual es clave para modelar el ciclo del carbono en escenarios de cambio climático”, comenta Tristan Cordier.

“Nuestro estudio demuestra además que la investigación de la biodiversidad de aguas profundas es de suma importancia. Un gran número de organismos desconocidos habitan en los sedimentos del fondo oceánico y probablemente desempeñan un papel fundamental en los procesos ecológicos y ciclos biogeoquímicos. Un mejor conocimiento de esta elevada diversidad es crucial si queremos proteger estos vastos ecosistemas, aun relativamente prístinos, de los impactos de posibles futuras incursiones humanas y comprender los efectos del cambio climático”, concluye Andrew J. Gooday, miembro emérito de la National Oceanography Centre, Southampton, que también ha participado en la investigación.

La importancia de la colaboración internacional

Este trabajo es el resultado de un enorme esfuerzo colectivo, gracias a los datos recogidos en 15 expediciones internacionales en aguas profundas, algunas de ellas lideradas por científicos españoles. Una de estas campañas, en aguas del Mediterráneo y el Atlántico Norte, fue la campaña MEDWAVES, realizada en el año 2016, dentro del proyecto europeo ATLAS (H2020) y liderada por la investigadora del IEO Covadonga Orejas Saco del Valle, a bordo del buque Sarmiento de Gamboa (CSIC) .  «Investigaciones como ésta son un ejemplo claro de que la colaboración internacional es fundamental en la investigación para abordar temas que son globales, como lo es el estudio de la biodiversidad oceánica, y que necesitan también estrategias globales para su adecuada gestión y conservación», señala la científica.

IEO-CSIC Comunicación

Gorgonias y corales negros a 1960 metros de profundidad en el océano Atlántico filmados durante la campaña internacional Medwaves liderado por el IEO. / Medwaves(IEO/Atlas.Material de descarga

• Imagen (jpeg)

Referencia científica: Cordier T., Barrenechea Angeles I., Henry N., Lejzerowicz F., Berney C., Morard R., Brandt A., Cambon-Bonavita M.A., Guidi L., Lombard F., Martinez Arbizu P., Massana R., Orejas C., Poulain J., Smith C.R., Wincker P., Arnaud-Haond S., Gooday A.J., de Vargas C., Pawlowski J. 2022. Patterns of eukaryotic diversity from the surface to the deep-ocean sediment. Science Advances. http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj9309.

Pauline Machful,Annie Portal,Jed Macdonald, Valérie Allain,Joe Scutt Phillips. and Simon Nicol

Para algunos de nosotros, la pesca es un poco como jugar al bingo: hay que tener suerte, pero a diferencia del bingo, con la experiencia y los conocimientos científicos se pueden aumentar las posibilidades de ganar el concurso de pesca o poner la captura del día en el menú. El continuo análisis de más de 16.000 estómagos de atún nos permite conocer mejor su comportamiento alimentario. Observando su estado de saciedad bajo de pesca, observamos que tienen los estómagos vacíos cuando se capturan en dispositivos de concentración de peces a la deriva, y más llenos en los bancos de peces a la deriva, y más llenos en los bancos libres.

Durante los últimos 20 años, el Pacific Marine Specimen Bank ha estado recogiendo muestras biológicas de músculos, estómagos, hígado, sangre y otras partes de peces capturados en la región del Pacífico y recogidas por los programas de observación de la pesca (Portal et al. 2020). Coordinado por el Departamento de Pesca, Acuicultura y Ecosistemas Marinos de la Comunidad del Pacífico Comunidad del Pacífico, hemos tomado muestras de 16.396 estómagos de barriletes (Katsuwonus pelamis), atún de aleta amarilla (Thunnus albacares)
y el patudo (T. obesus), tres de las principales especies de atún que se capturan en el Pacífico occidental y central. 

Los comportamientos de alimentación de los depredadores marinos de alto nivel, como los atunes, proporcionan un conocimiento considerable sobre la dinámica del ecosistema pelágico, incluida la estructura de la red alimentaria, basándose en las distribuciones de depredadores y presas y en cómo la pesca o el cambio climático están afectando a este sistema.
La dieta de los atunes está vinculada al comportamiento de cada individuo, el uso del hábitat, el suministro de energía y las interacciones entre otros atunes y otras especies. 
Cuanto más entendamos por qué varía la dieta de los grandes depredadores pelágicos, mejor podremos controlar los ecosistemas de los que forman parte y gestionar las pesquerías.
El examen del contenido estomacal de los atunes nos permite caracterizar directamente su dieta. Es una buena manera de ver lo que han comido en un momento dado, y para estudiar las
interacciones tróficas entre especies y los cambios que pueden producirse a lo largo del tiempo y del espacio (Machful y Allain 2018). Para este estudio, el equipo FEMA (Fisheries Ecosystem Monitoring and Analysis) de SPC quería cuantificar el alimento ingerido.
Análisis de los estómagos de los atunes
En el laboratorio, las muestras de estómago se pesan antes de ser abrirse. Para ello se utilizaron peces de cebo durante las operaciones de pesca, y se registran en el cuaderno de pesca para su correcta identificación, se eliminan de las muestras de contenido estomacal estudiadas. Un método de estimación cualitativa que clasifica visualmente
visualmente la saciedad en una de las cinco categorías para determinar de los peces (0 = vacío, 1 = menos de la mitad, 2 = medio lleno, 2 = medio lleno, 3 = más de medio lleno, 4 = lleno). Este «coeficiente de llenado» representa la cantidad (volumen) de presa en el estómago del atún. A continuación se identifican las especies de presas, se miden y se pesan. El último paso del examen es pesaje de la pared del estómago sin presas, lo que permite conocer el peso total del contenido del estómago.
Muchos de los estómagos examinados estaban vacíos o casi vacíos en el momento de la captura.  El 46% de los estómagos analizados estaban vacíos. de los estómagos analizados estaban vacíos, mientras que los estómagos vacíos representaban sólo el 16% y el 33% en el caso del rabil y el patudo.
Por ello, en base a la distribución del coeficiente de llenado por especies. ¿Qué factores influyen en el éxito del atún alimentación de los atunes? ¿Qué hace que algunos atunes se alimenten menos que otros?

Se utilizan varios enfoques para describir la dieta de los peces, y se dividen en métodos cualitativos y cuantitativos,
todos ellos con distintos grados de sesgo. En este caso, lo importante es centrarse en la «saciedad estomacal» porque es un índice útil para cuantificar alimento ingerido, y es utilizado a menudo por los científicos en los estudios tróficos

Un índice preciso de saciedad estomacal proporciona información que complementa otros datos que recopilamos sobre qué especies de presas están en el menú y cuán abundantes son. También puede ayudar a responder a preguntas ecológicas sobre la eficiencia de alimentación de los atunes, y da información sobre las elecciones dietéticas de los individuos
al indicarnos si la saciedad del estómago varía, por ejemplo, según el tamaño y la especie. (¿comemos de la misma manera?).. Este índice también permite comprender los muchos procesos ecológicos a escala comunitaria, cómo se comportan los peces durante una operación de pesca.