Adaptacions del plàncton als ambients extrems

En el canviant panorama dels entorns aquàtics, els organismes planctònics sempre s’han mostrat adaptatius i resistents. Enlloc aquesta adaptabilitat és més evident que en els entorns extrems, on aquests microorganismes han desenvolupat estratègies enginyoses per suportar condicions que posen a prova els límits de la vida tal com la coneixem. Des de les profunditats abissals de les fumaroles hidrotermals fins a les gèlides aigües polars, el plàncton ha aprofitat el poder de l’evolució per prosperar contra tot pronòstic.

Fonts hidrotermals de les profunditats marines

Molt per sota de les ones, on la llum solar lluita per penetrar, es troba un regne que desafia les expectatives: les fumaroles hidrotermals. Aquests volcans submarins expulsen aigua bullent carregada de minerals del mantell de la Terra. En un entorn on les temperatures poden superar els 350 ºC i les pressions arribar a forces inimaginables, podria semblar impossible que hi hagués vida. No obstant això, les fumaroles hidrotermals són plenes d’activitat, i els organismes planctònics en són el cor d’aquest ecosistema inhòspit.

El plàncton (principalment bacteris i arqueus) en aquests entorns extrems ha evolucionat amb adaptacions que no deixen de ser sorprenents. Els habitants de les fumaroles no depenen de la llum solar com ho fan els seus equivalents en aigües més hospitalàries. En lloc d’això, aprofiten l’energia dels compostos químics dissolts en els fluids que expulsa la Terra mitjançant un procés conegut com quimiosíntesi. Aquesta adaptació excepcional els permet obviar la necessitat de la llum solar i la fotosíntesi. Per sobreviure en aquestes condicions extremes, els organismes planctònics propers a les fumaroles hidrotermals han desenvolupat enzims especialitzats i proteïnes resistents a la calor que els permeten funcionar a altes temperatures. A més, les seves membranes cel·lulars estan equipades amb composicions úniques de lípids que milloren la seva resistència a les pressions i a les temperatures extremes. Aquestes adaptacions han possibilitat l’aparició d’un ecosistema que prospera amb una font d’energia completament diferent de la resta dels ecosistemes del món.

Figura 1. Copèpode àrtic mostrant un sac d’oli al seu interior - Imatge: © Albert Calbet

Viure en els regnes gelats: adaptacions a les aigües polars

Les regions polars, amb les seves extensions gelades i temperatures sota zero, podrien semblar també inhòspites per a la vida, però els organismes planctònics han trobat racons per viure en aquests regnes congelats.

Les diatomees, un grup de fitoplàncton, estan entre els habitants amb més èxit de les aigües polars. Aquestes microalgues han desenvolupat una sèrie d’adaptacions per fer front als reptes únics que plantegen les condicions extremes. Una de les adaptacions més fascinants és la producció de proteïnes anticongelants. Aquestes proteïnes eviten la formació de cristalls de gel dins les cèl·lules de les diatomees, cosa que els permet continuar la fotosíntesi fins i tot quan estan envoltades d’aigua gelada. Curiosament, les diatomees tenen una estructura cel·lular complexa que proporciona flotabilitat. Això els permet romandre suspeses en les capes superiors dels oceans polars on hi ha llum solar disponible, de manera que maximitzen el seu potencial fotosintètic.

Altres organismes planctònics han colonitzat eficientment aquestes aigües i han demostrat adaptacions úniques a l’ambient gelat i a la dicotomia extrema del clima. Alguns copèpodes, per exemple, han adaptat el seu cicle de vida a la temporalitat dels ecosistemes polars, suportant una mena de somni durant l’hivern. El krill d’hivern obté energia alimentant-se de les algues atrapades en el gel. Aquestes són només algunes de les fascinants adaptacions que el plàncton ha desenvolupat al llarg de milers d’anys.

Adaptacions a altes pressions: prosperar en les profunditats

Més enllà de l’abast de la llum solar, la pressió de la columna d’aigua augmenta tremendament. En les profunditats fosques i angoixants de l’oceà profund, els organismes planctònics han evolucionat amb adaptacions que els permeten resistir les pressions extremes que acabarien amb la majoria d’éssers vius. Les seves membranes cel·lulars són flexibles i resistents, cosa que els permet sobreviure sota la immensa pressió de l’aigua.

Alguns organismes planctònics, com certes espècies de copèpodes, poden fer migracions diàries des de la superfície fins als 1.000 metres de profunditat. Tenen sacs d’oli especials que els permeten flotar fàcilment a través de la columna d’aigua (Fig. 1). Aquestes adaptacions no només els ajuden a conservar energia, sinó que també els permeten evitar l’esforç de contrarestar la gravetat.

A més, els bacteris de les profunditats marines mostren capacitats de natació notables fins i tot en condicions extremes de 150 MPa, la qual cosa indica la seva adaptació única als entorns d’alta pressió. A més, certs bacteris poden generar un conjunt distint de flagels (anomenats flagels laterals) en resposta a la pressió elevada o a les temperatures baixes.

Fer front a la irradiació solar a la superfície

A l’extrem oposat de l’espectre aquàtic es troba la superfície de l’aigua, on la radiació solar intensa bombardeja les capes superiors. Aquí, els organismes planctònics han desenvolupat adaptacions per fer front als fotons d’alta energia del sol.

Certs organismes del fitoplàncton han desenvolupat pigments que absorbeixen la llum eficientment mentre els protegeixen dels efectes destructius de la radiació ultraviolada.

A més, alguns organismes planctònics han desenvolupat la capacitat d’ajustar la seva posició a la columna d’aigua per regular la seva exposició a la llum solar. Fan migracions verticals, movent-se cap a les profunditats durant les hores més intenses de radiació solar del dia i ascendint més a la superfície durant els períodes de menor intensitat de llum. Aquest comportament els ajuda a optimitzar l’eficiència fotosintètica mentre minimitzen el risc de danys per la llum ultraviolada.

En situacions en què els desplaçaments verticals no són possibles o quan les aigües extremament poc profundes defineixen l’hàbitat triat, les espècies mostren compostos fotoprotectors com ara aminoàcids similars a la micosporina i carotenoides, juntament amb capacitats antioxidants i mecanismes de reparació. Aquest fenomen és evident en certs copèpodes (Fig. 2), determinats sifonòfors i nombrosos altres organismes que habiten la capa més alta de l’oceà, coneguts col·lectivament com el nèuston.

Figura 2. El copèpode neustònic Labidocera sp. té pigments blaus per protegir-lo de la radiació solar - Imatge: © Albert Calbet

Viure sense oxigen

Els organismes planctònics han desenvolupat adaptacions notables per prosperar en aigües amb manca d’oxigen i, per tant, mostren resiliència en entorns exigents on l’oxigen és limitat. Aquestes adaptacions són crucials per a la seva supervivència, ja que l’oxigen és un component fonamental de la producció d’energia i la respiració cel·lular. Com a resposta a aquestes condicions, diversos grups planctònics han evolucionat estratègies especialitzades per fer front a la manca d’oxigen.

Algunes espècies han adoptat vies metabòliques alternatives, com la respiració anaeròbica, per satisfer les seves necessitats energètiques. Per exemple, alguns bacteris dins del grup dels Bacteroidetes fan servir la respiració de nitrat quan l’oxigen és escàs, la qual cosa els permet extreure energia de la matèria orgànica. De manera similar, els bacteris que redueixen sulfat utilitzen el sulfat com a acceptor d’electrons durant el metabolisme anaeròbic.

Les diatomees i els dinoflagel·lats planctònics mostren adaptacions que milloren l’eficiència de la seva captació d’oxigen. Les diatomees són especialment eficients en sobreviure en condicions de baix contingut d’oxigen. Inclús poden respirar nitrat quan queden atrapades en sediments anoxigènics. A més, dinoflagel·lats com ara Oxyrrhis marina poden sobreviure a concentracions d’oxigen molt baixes.

Com a resposta a condicions deficients en oxigen, algunes espècies planctòniques poden entrar en estats de sopor metabòlic. Per exemple, certes espècies de copèpodes poden exhibir diapausa, un període de desenvolupament suspès, per conservar energia fins que els nivells d’oxigen millorin.

A més, les adaptacions conductuals també tenen un paper vital en la supervivència del plàncton en zones amb manca d’oxigen. El zooplàncton i molts protists flagel·lats i ciliats efectuen migracions verticals per evitar les capes amb baix contingut d’oxigen.

En conclusió, els organismes planctònics que prosperen en aigües anoxigèniques han aprofitat diverses adaptacions per enfrontar-se als reptes que planteja la limitada disponibilitat d’oxigen. Aquestes estratègies engloben mecanismes metabòlics, fisiològics i conductuals, i posen de manifest la notòria resiliència de la vida planctònica en aquests exigents ecosistemes aquàtics.

Lliçons a aprendre de les adaptacions extremes

Les adaptacions dels organismes planctònics als entorns extrems ofereixen valuosos coneixements sobre els límits de la vida i les diferents maneres en què aquesta pot persistir i prosperar. Aquestes adaptacions mostren el poder de l’evolució per modelar els organismes en resposta als reptes que planteja el seu entorn. La resistència dels organismes de les fumaroles hidrotermals, les diatomees polars i els habitants de l’oceà profund posa a prova la nostra comprensió de l’habitabilitat i amplia els nínxols potencials on la vida podria existir més enllà de la Terra.

L’estudi d’aquestes adaptacions també té promeses d’aplicacions en diversos camps. Els enzims i les proteïnes generats pels organismes de fumaroles hidrotermals, per exemple, tenen usos potencials en indústria i biotecnologia gràcies a la seva estabilitat en condicions extremes. A més, entendre les estratègies que permeten als organismes sobreviure en aquests entorns proporciona pistes per desenvolupar materials capaços de resistir altes temperatures, pressions i irradiació solar.