Un viejo misterio científico resuelto


 

Científicos de la Universidad Hebrea de Jerusalem y del Instituto Technión de Tecnología de Israel han descubierto por qué palpitan los corales. Su trabajo, que resuelve un viejo misterio científico, aparece en la reciente edición de PNAS (Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias en los Estados Unidos). Uno de los espectáculos más fascinantes en el arrecife de coral de Eilat es el movimiento permanente de los tentáculos de un tipo de coral llamado heteroxenia (Heteroxenia fuscescens). La heteroxenia es un coral blando de la familia Xeniidae que se parece a un pequeño manto de flores y que habita en los muros del arrecife y en áreas rocosas al fondo de él. Cada "flor" es de hecho un pólipo viviente, la unidad básica que comprende una colonia de coral. Aparentemente, el movimiento de estos pólipos, parecido al de unas flores que elegantemente abren y cierran sus pétalos, es único en el reino animal.

A excepción del movimiento ya conocido con el que nadan las medusas, ningún otro animal pegado al fondo marino puede realizar esos movimientos. Su palpitar tiene un costo energético y, por lo tanto, debe existir un beneficio razonable como para justificar este movimiento. En el caso de las medudas, el movimiento permanente les sirve para nadar, cazar y alimentarse. La explicación natural sería que los movimientos espectaculares de la heteroxenia son usados también para cazar y alimentarse, sin embargo, muchos estudios indican que estos corales no son depredadores de ningún animal. Si la depredación no es la razón para estos latidos, tiene que haber otra explicación para justificar el gasto energético sustantivo hecho por la heteroxenia.

Maya Kremien encontró las respuestas para estar preguntas mientras trabajaba en la investigación de su máster en el Instituto Interuniversitario de Ciencias Marnias en Eilat bajo la supervisión del profesor Amatzia Genin de la Universidad Hebrea de Jerusalem y el profesor Uri Shavit del Technión, en una investigación conjunta financiada por la Fundación Nacional para la Ciencia.

Luego de pasar horas observando durante noche y día varias colonias de corales con una cámara submarina sensible a las luces infrarrojas, los investigadores encontraron su primer y sorprendente descubrimiento: la heteroxenia deja de palpitar y se toma un "descanso" de treinta minutos cada día en las horas de la tarde. Hasta el momento, estas"siestas" vespertinas siguen sin explicación.

Los laboratorios del profesor Genin y el profesor Shavit realizan trabajos acerca de la interacción entre los procesos biológicos de criaturas acuáticas y los movimientos del agua que las rodean. Aparentemente, los animales acuáticos afectan el flujo y al mismo tiempo son absolutamente dependientes de él. Para resolver el misterio del coral heteroxenia, el equipo de investigadores desarrolló (como parte del trabajo de Ph.D. de Tali Mass) un instrumento de medición submarino llamado PIV (Velocímetro por imagen de partículas), que permite la medición de las corrientes contiguas a los corales de una forma muy precisa. El sistema consiste de dos poderosos láseres, un sistema de captura de imágenes y maestría computacional.

Un set especial de lentes lanza un haz de luz en pulsos breves, pero poderosos, para que el sistema de imágenes pueda capturar pares de fotografías de partículas naturales que se mueven con la corriente. Después, el sistema computacional desarrolla un análisis matemático de los pares de fotos, profuciendo una gran database de mapas del campo de corriente, desde los cuales la velocidad del flujo, las características del transporte de solutos y la intensidad en la mezcla del flujo turbulento son calculadas.

Las medidas fueron desarrolladas durante la noche con el apoyo de nadadores que se ofrecieron como voluntarios para ayudar al equipo investigador. Se descubrió que si un nadador tocaba suavemente el coral, los pólipos "se cerraban" y se mantenían inmóviles por unos minutos, luego de los cuales el coral volvía a su actividad pulsativa normal. Los investigadores utilizaron este comportamiento para así medir repetidamente el campo de corriente alrededor de la heteroxenia durante la palpitación y el descanso.

Estas medidas llevaron al siguiente descubrimiento del equipo investigador. Un análisis de la dirección del flujo del agua indicó que el movimiento de los pólipos efectivamente arrastra el agua hacia arriba y fuera de los tejidos de coral en el agua ambiental. Los corales necesitan dióxido de carbono durante el día y oxígeno durante la noche, además de nutrientes (como fosfato y nitrógeno) durante día y noche. Uno de los desafíos para las colonias de coral es volver a su entorno abundante de aquellas comodidades esenciales para ellos, mezclando de manera edificiente el agua a su alrededor.

Utilizando este sofisticado sistema de medición, los investigadores calcularon la intensidad de mezcla del agua como resultado de las palpitaciones del coral. El inesperado descubrimiento fue que aunque los movimientos de los pólipos no tienen coordinación (por ejemplo, cada pólipo comienza su período de movimiento a un tiempo diferente), el efecto acumulado de la actividad de los pólipos resulta en un mejoramiento significativo de la corriente alrededor de la colonia, particularmente en dirección hacia arriba, la cual barre el agua fuera del coral y así reduce la probabilidad de refiltración de la misma agua.

Sin embargo, estos hallazgos aún no responden a la pregunta de por qué un coral invertiría tanta energía para mover sus tentáculos. Luego de recibir un permiso de la Autoridad Israelí de Parques y de Naturaleza, el equipo investigador recolectó unas pocas colonias de heteroxenia del mar para realizar una serie de experimentos de laboratorio. Todos los corales fueron devueltos a su lugar original luego de que el experimento concluyó. La hipótesis era que los movimientos de palpitación mejoran el índice de fotosíntesis del coral.

En un estudio anterior del mismo equipo de trabajo (cuyos resultados también fueron publicados en la PNAS), se descubrió que el movimiento del agua alrededor de los corales es esencial para mejorar el flujo de oxígeno de los tejidos de coral. Sin movimiento de agua, la concentración de oxígeno en los tejidos de coral se elevaría y el nivel de fotosíntesis decaería.

La respuesta a la pregunta de por qué la heteroxenia tiene pulsaciones fue finalmente revelada a través de los experimentos de laboratorio. Primero, el nivel de fotosíntesis de una heteroxenia palpitando fue medido y luego se descubrió que se encontraba en un orden de magnitud mucho mayor que la de una colonia que no pulsaba. Posteriormente, para probar que el mecanismo de pulsación tiene la intensión de barrer el oxígeno, los investigadores aumentaron artificialmente la concentración de oxígeno en el cuarto de mediciones de forma que incluso cuando el coral se las arreglaba para mezclar el agua mediante pulsaciones, fuese reemplazándose el agua rica en oxígeno con el agua nueva que, desafortunadamente para el coral, también era rica en oxígeno. Y de hecho, se descubrió que el nivel de fotosíntesis fue bajo en este caso y que incluso cuando el coral estuvo constantemente palpitando, la concentración de oxígeno se mantuvo alta y la fotosíntesis permaneció baja, tal como si el coral estuviese descansando (es decir, sin palpitar).

El elegante movimiento de la heteroxenia ha fascinado a la comunidad científica y capturado la atención de investigadores por cerca de 100 años (Jean Beaptiste Lamark, 1744-1829) y aún así no ha podido ser explicada. Ahora en el estudio de Kremien, Genin y Shavit, se halló que los movimientos de pulsación provocan un aumento y mejoría significativas en la unión del dióxido de carbono con la encima RuBisCo, que también conlleva a una disminución en la fotorespiración. Esta explicación justifica el gasto de energía en las pulsaciones: el beneficio supera al costo. De hecho, gracias a la palpitación, el radio entre la fotosíntesis y la respiración en la heteroxenia es el mayor alguna vez medido en corales blandos del tipo rocoso y del tipo no-palpitante.

Los hallazgos de este estudio indican que los movimientos de pulsión son un medio altamente eficiente para barrer el agua del cuerpo pulsante, y para una mezcla en aumento de materia disuelta entre el cuerpo y el medio que le rodea. Estos dos procesos

(expulsión del medio y mezcla de solutos) pueden llevar a futuras aplicaciones en la medicina y la ingeniería. Hoy en día el grupo de inevstigación está enfocándose en intentar ampliar los resultados de este estudio y en desarrollar modelos matemáticos que puedan servir para varios objetivos aplicados.

 

 

Agradecemos la colaboración para la traducción de esta nota a Carlos Reyes Barría de la Asociación Consultiva de la UHJ en Chile.