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 això, van donar la volta al planeta i van recollir unes 35.000 mostres en diferents oceans i estacions de l'any. Ara, els resultats es publiquen en una edició especial de la revista Science, desglossats en cinc articles.

 Mapa amb la ruta de l'expedició Tara Oceans. Imatge: Tara Expeditions.

El projecte Tara Oceans té entre els seus coordinadors científics a Silvia G. Acinas, de l'Institut de Ciències del Mar (ICM) del CSIC. Acinas ha liderat l'estudi sobre el Microbioma de l'Oceà juntament amb 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 grup d'investigadors de l'ICM-CSIC han participat en aquests treballs.

"Una de les gestes de Tara Oceans ha estat descriure la diversitat microbiana (virus, bacteris, arqueus i protistes) 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 n'és d'important l'oceà per al nostre benestar", explica Eric Karsenti, cap científic de l'expedició Tara Oceans, i 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 fondària (zona mesopelàgica). S'han pres fins a 35.000 mostres, a diferentes fondàries, i en diferents mars i oceans, cobrint les principals regions oceàniques del planeta, excepte l'Àrtic. Totes les mostres van ser recollides per duplicat, de manera que puguin tornar a ser analitzades en el futur quan es disposi de tecnologies més avançades.

En l'article que lidera la investigadora de l'ICM-CSIC Silvia G. 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.

És la major base de dades de les existents, amb 1.000 vegades més seqüències d'ADN que qualsevol altre estudi previ de diversitat marina o de microbioma

Aquest extraordinari 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% d'ells 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 descrit anteriorment en les bases de dades públiques de gens" remarca el Dr. Josep M. Gasol, professor d'investigació del ICM- CSIC. Dels 40 milions de gens, més de la meitat correspondrien a bacteris (58,8%), i la resta a virus (5,4%), arqueus (2%), i a petits eucariotes unicel·lulars i multicel·lulars (3,3%). La resta dels gens, aproximadament un 28%, no se sap encara a quin grup d'organismes pot pertànyer.

Més diferència per la temperatura que per distància geogràfica

Microorganismes del plàncton observats al microscopi. Imatge: Tara Expeditions.

El grup de la Dra. Acinas s'ha centrat en l’estudi dels bacteris i arqueus marins, el bacterioplàncton marí, que és extraordinàriament abundant: al voltant de 10²⁹ cèl·lules en l'oceà (més que estrelles conegudes en l'univers), 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 procariotes (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 una troballa interessant ha estat observar que el que marca més les diferències no és la localització física sinó la profunditat 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 té especial importància en relació al canvi climàtic

"Que la temperatura tingui un paper fonamental en la distribució dels microorganismes ja se sabia en 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 efecte en la diversitat i estructura d'aquestes comunitats microbianes", remarca Sílvia G. Acinas.

Funció dels gens

Els científics també estaven intrigats sobre la funció dels gens del microbioma oceànic i sobre si hi havia diferències entre els diferents ecosistemes. 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 les mostres, i té a veure amb funcions relacionades amb les adaptacions locals, com el tipus de llum que es rep o adaptació a viure en agregats. És en aquesta petita part dels gens on resideix el potencial d'adaptació i el que explica la resiliència de les comunitats microbianes marines.

De virus a protists: estudiant la totalitat del plàncton

Organismes del plàncton. Imatge: Christian Sardet /Tara ExpeditionsLes anàlisis realitzades en 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, protistes - un gran grup de microorganismes eucariotes que inclou des d'organismes unicel·lulars fins organismes multicelul·lars- 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'imatge 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 gràcies a la qual han pogut recuperar i analitzar fins al 90% dels virus que formen part del plàncton, una gran millora enfront de les tècniques convencionals de filtració tangencial amb les que es perd una gran part de aquests virus. Com a resultat s'han pogut detectar més de 5.000 poblacions de virus en 43 punts estacions de Tara Oceans.

Imatge: Tara Expeditions.La diversitat dels protists eucariotes unicel·lulars ha estat examinada en l'article liderat per Colomban de Vargas, investigador del CNRS (França). Han obtingut 766 milions de seqüències del gen 18S rRNA, i han descobert que el seu 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 superiors. "Aquests eucariotes són sorprenentment diversos i importants per al funcionament de l'ecosistema oceànic. Hem identificat almenys uns 150.000 taxons de protists", afegeix Ramiro Logares, científic de l'ICM-CSIC.

Què interactua amb què

Gràcies a nous models de computació, els investigadors han pogut predir com els diversos organismes planctònics interactuen. Després, algunes d'aquestes prediccions han pogut confirmar-se 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), suggereix 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 parasitària, reciclant nutrients que tornen de nou a la xarxa tròfica", diu el Dr. Raes. Aquest mapa és el primer pas cap a un millor coneixement de la dinàmica i l'estructura de l'ecosistema marí global.

Articles de referència

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