Hipoxia marina: estrellas de mar desesperadas, corales sofocados y microbios resilientes

En septiembre del 2017, los buzos observaron una enorme «zona muerta» que empezaba a envolver los arrecifes de coral de Bocas del Toro en el Caribe de Panamá. Los investigadores de postdoctorado del Smithsonian se unieron para comprender la hipoxia marina en el presente y en el pasado

Nadie sabe qué desencadena la aparición repentina de la hipoxia, un descenso de oxígeno en el océano que se propaga rápidamente. Como un incendio forestal, la hipoxia mata a todo lo que no puede caminar o nadar para alejarse del peligro. Por primera vez, un equipo del Instituto Smithsonian de Investigaciones Tropicales (STRI) en Panamá documentó un evento hipóxico en curso en un arrecife de coral del Caribe. Un segundo equipo aplicó un nuevo enfoque para buscar signos de eventos hipóxicos mientras la gente colonizaba la costa durante los últimos 2000 años. Sus resultados complementarios se publican en las revistas Nature Communications y Ecography.

Las primeras en detectar el surgimiento de este monstruo turbio desde las profundidades de Bahía del Almirante, cerca de la frontera de Panamá con Costa Rica, fueron Maggie Johnson, becaria postdoctoral en un proyecto de monitoreo a largo plazo de MarineGEO, y la pasante de STRI, Lucía Rodríguez:

“Era un hermoso día tropical a finales de septiembre, y nos sentíamos muy afortunados de estar en un lugar tan maravilloso”, comentó Maggie. “El agua estaba particularmente plana y, de repente, mientras estábamos buceando, vimos esta capa turbia de agua debajo del bote. Los peces se movían justo encima de esa capa y las estrellas quebradizas y los caracoles se amontonaban uno encima del otro, tratando de escapar. Fue como si hubiera estallado una bomba. Al volver a la superficie, nos golpeó un olor horrible, como el de un balde de mariscos podridos».

Ambas regresaron a la Estación de Investigación de STRI en Bocas del Toro (BRS), donde convencieron con entusiasmo a los investigadores de postdoctorado de otros proyectos para ayudar a documentar lo que estaba sucediendo.

Noelle Lucey estaba trabajando en Bocas del Toro sobre el impacto del bajo nivel de oxígeno en las criaturas de los arrecifes tropicales.

“Ya estábamos monitoreando la hipoxia en la bahía semanalmente”, comentó Noelle. Pero este repentino evento nos hizo darnos cuenta de que necesitábamos colocar más sondas en la bahía para medir el oxígeno constantemente en distintos lugares y profundidades. En un gran esfuerzo grupal, registramos las condiciones físicas en el agua a todas las profundidades en 83 sitios diferentes en un día, solo seis días después de que Maggie y Lucía observaron el evento por primera vez. Obtuvimos una buena imagen del oxígeno en toda la bahía con la ayuda de todos en la estación».

Noelle creó mapas que muestran cómo los niveles de oxígeno varían entre las aguas tranquilas dentro de la bahía y las áreas más cercanas al océano abierto donde la acción de las olas se mezcla y reoxigena el agua. En las profundidades de Bahía del Almirante, el agua está casi completamente sin oxígeno, hay poca circulación y se acumulan todos los nutrientes de las aguas residuales y la escorrentía de fertilizantes de las plantaciones de banano.

Noelle siente curiosidad por saber cómo los invertebrados marinos se enfrentan al bajo nivel de oxígeno. “Durante el evento, me sorprendió ver a algunas criaturas del arrecife tratando de escapar de las aguas hipóxicas debajo de donde otras ya estaban muertas”, comentó Noelle. “Lo que encontré particularmente interesante fueron las estrellas quebradizas. Podías verlas jadeando por oxígeno, con la boca bien abierta, pero aún estaban vivas. La gran interrogante para mí es identificar las diferencias entre la duración de estos eventos hipóxicos y cuánto tiempo pueden sobrevivir los animales del arrecife sin mucho oxígeno».

Microbios

Los investigadores de postdoctorado Jarrod Scott y Matthieu Leray recolectaron muestras de agua de mar y utilizaron técnicas moleculares para descubrir cómo cambió la comunidad microbiana durante el evento. Descubrieron que, mientras que los corales pueden tardar años en recuperarse, los microbios en el agua se recuperan en un mes, lo que sugiere que la recuperación de microorganismos se desvincula del destino de organismos más grandes en la comunidad.

«Esta fue una oportunidad para nosotros de poner la microbiología en un contexto ecológico más amplio», comentó Jarrod. “Lo que más me sorprendió fue que la comunidad microbiana se recuperara rápida y completamente”, comentó. «Esperaba que se recuperara eventualmente, pero no volvería básicamente al mismo estado en el que estaba antes del evento hipóxico».

El equipo analizó los genomas de microbios que prosperaron en condiciones hipóxicas y encontró numerosos genes que indicaban una adaptación a condiciones de bajo oxígeno. Sin embargo, muchos de los microorganismos que Jarrod y Matt detectaron en las muestras de agua hipóxica estaban completamente ausentes del agua completamente oxigenada. Entonces, si estos microbios no están presentes en condiciones normales de oxígeno, ¿de dónde provienen?

Al comparar dos de los microbios hipóxicos dominantes con datos disponibles públicamente, encontraron que estos microbios estaban estrechamente relacionados con organismos que se encuentran en sedimentos marinos, moluscos, plantas de tratamiento de aguas residuales y corrales de engorde, ambientes caracterizados por bajo nivel de oxígeno. Sin embargo, en este punto, los investigadores no pueden decir con certeza dónde viven normalmente estos microbios.

“Solo observamos microbios en muestras de agua de mar”, comentó Jarrod. “Pero ¿qué pasa con los microbios estrechamente asociados con los corales u otros invertebrados marinos? ¿O con sedimentos? ¿Podrían estos entornos ser la fuente de microbios hipóxicos? También vimos una disminución en el número de virus durante el evento hipóxico. Sabemos que los virus pueden ser importantes para el metabolismo en muchos organismos, incluidos los microbios y las algas, pero no estamos seguros de cómo se relaciona la dinámica de la comunidad viral con la hipoxia. Todavía hay mucho que aprender sobre las comunidades microbianas que prosperan en condiciones de hipoxia aguda”, comentó.

Corales

El enfoque original del postdoctorado de Maggie era monitorear los efectos de la temperatura y la acidificación del océano en los arrecifes de coral, trabajando en estrecha colaboración con Andrew Altieri, ex científico de STRI, ahora en la Universidad de Florida. Durante el evento, Maggie organizó inventarios y recolectó corales en dos sitios. Aproximadamente el 30% del área del arrecife estaba cubierta por corales vivos antes del evento, el 15% justo después del evento y el 20% un año después.

«Es alucinante pensar que algunas de estas comunidades de coral habían estado allí durante 100 años o más y, de repente, fueron diezmadas en una semana».

«Pensamos que las comunidades de coral en aguas costeras poco profundas no suelen experimentar hipoxia», comentó Maggie. “Pero el agua hipóxica se acercó a la superficie. La mayoría de los corales por debajo de los siete metros (21 pies) murieron, pero sobrevivieron los corales en 3 metros (9 pies) de agua. Se puede decir que el 50% de los corales en aguas poco profundas murieron, o se puede decir que el 50% sobrevivió y preguntarnos cómo lo hicieron».

Las muestras de Agaricia tenuifolia, una especie de coral común en todo el Caribe, perdieron la mayoría de sus simbiontes. Cuando Maggie vio que la hipoxia puede causar el mismo tipo de blanqueamiento que antes se atribuía a las altas temperaturas, cambió su enfoque de investigación.

Ahora Maggie tiene un postdoctorado en Woods Hole Oceanographic Institution y está haciendo experimentos en el Smithsonian Marine Station en Ft. Pierce, Florida. Parece que algunos corales pueden soportar condiciones hipóxicas durante varias semanas, por lo que deben tener herramientas para hacer frente a la falta de oxígeno. A medida que los corales realizan la fotosíntesis durante el día, liberan oxígeno, lo que podría ayudar a reducir la cantidad de hipoxia que experimentan, especialmente en aguas poco profundas.

A largo plazo

¿Podría Bocas del Toro ser un lugar para averiguar si el control de la escorrentía podría detener o limitar los eventos hipóxicos?

«No sabemos cuánta hipoxia es causada por la escorrentía de nutrientes de las plantaciones de banano y las aguas residuales, o si la hipoxia es un fenómeno natural que siempre ha ocurrido», comentó Rachel Collin, directora de la Estación Científica de Bocas del Toro.

La investigadora de postdoctorado de STRI, Blanca Figuerola, se asoció con el paleontólogo de STRI, Aaron O’Dea, para ver si podían usar gasterópodos fósiles e isótopos de sus conchas para averiguar si los eventos hipóxicos han ocurrido en el pasado y si son causados principalmente por la influencia humana, o si han sido un proceso natural durante milenios.

Para ver cómo ha cambiado el arrecife durante los últimos 2,000 años, su equipo extrajo cuatro núcleos de arrecifes mediante la conducción de tubos de metal en arrecifes poco profundos, uno que experimenta hipoxia en el presente (hoy, por ejemplo) y otro que no, según los datos recopilados por Noelle, y dos núcleos adicionales desde la parte más profunda del arrecife expuesto a la hipoxia a través de una matriz de corales ramificados muertos del género Porites.

Los seis núcleos se seccionaron en 69 muestras. La edad de los fragmentos de coral en cada muestra se utilizó para crear una línea de tiempo. Para cada muestra, Blanca clasificó cada gasterópodo (casi 15,000 especímenes en total) por el papel que desempeña en el ecosistema (por ejemplo, herbívoro, carnívoro o parásito) y observó un aumento histórico de la proporción de herbívoros y una disminución en los valores de isótopos de carbono en mayor profundidad, lo que sugiere que las aguas hipóxicas se acumularon en el arrecife y lo cerraron hace aproximadamente 1,500 años.

“Encontramos señales similares en la parte poco profunda del arrecife hipóxico durante las últimas décadas que sugieren que la hipoxia puede estar expandiéndose a profundidades menos profundas”, comentó Blanca.

El equipo descubrió que el momento del cierre profundo del arrecife no coincide con cambios climáticos importantes conocidos, pero sí coincide con una expansión de las poblaciones humanas en la región (como se observa en los basurales arqueológicos), lo que sugiere que la tala de tierras puede haber promovido un aumento en las aguas hipóxicas, alimentando la escorrentía de nutrientes en las bahías.

«Estos datos históricos ofrecen una severa advertencia», comentó Aaron. “Arrecifes enteros han sucumbido a estos eventos hipóxicos en el pasado. Se convirtieron en escombros y lodo y nunca se recuperaron. Si no se controla la contaminación, los arrecifes poco profundos y relativamente más saludables podrían correr el mismo destino».

“Fue emocionante descubrir que los microgastrópodos pueden ser un registro poderoso de las condiciones hipóxicas pasadas y pueden proporcionar señales de advertencia de cambios futuros en los arrecifes”, comentó Blanca, quien espera poder repetir el mismo tipo de estudio en otros arrecifes utilizando una variedad de indicadores geoquímicos y biológicos.

La tormenta perfecta

«Esta fue realmente una tormenta perfecta», comentó Maggie. “Fuimos extremadamente afortunados de detectar un evento hipóxico agudo en curso y de trabajar con otros investigadores de postdoctorado en la estación que estudian los muchos aspectos de los arrecifes de coral y brindan una perspectiva a largo plazo. El oxígeno disuelto no es algo que la mayoría de la gente monitorea en los arrecifes. Queremos crear conciencia sobre la importancia de la hipoxia en todo el mundo”.

El Instituto Smithsonian de Investigaciones Tropicales, en ciudad de Panamá, Panamá, es una unidad de la Institución Smithsonian. El Instituto promueve la comprensión de la naturaleza tropical y su importancia para el bienestar de la humanidad, capacita estudiantes para llevar a cabo investigaciones en los trópicos, y fomenta la conservación mediante la concienciación pública sobre la belleza e importancia de los ecosistemas tropicales. Video Promocional.