Como é que o plâncton nada? Transformando-se num balão

Um grande número de plâncton viaja desde as profundezas frias e escuras dos nossos oceanos até à superfície, para depois voltar a descer para a escuridão num ritmo perpétuo.

No entanto, a forma como o fitoplâncton unicelular, a maior parte do qual não tem apêndices que o ajudem a nadar, faz esta peregrinação tem permanecido um mistério.

Num artigo publicado na revista Current Biology da Cell Press, os investigadores descrevem uma espécie de fitoplâncton bioluminescente, chamada Pyrocystis noctiluca, que se torna seis vezes maior do que o seu tamanho original de algumas centenas de microns.

Esta inflação maciça permite que o plâncton viaje até 200 metros em direção à superfície do oceano para captar a luz solar, afundando-se depois de novo, o que constitui uma estratégia única para viajar a longa distância no oceano.

O fitoplâncton é, em média, 5%-10% mais pesado do que a água do mar, o que significa que, se quiserem permanecer à superfície para fazer fotossíntese, têm de encontrar uma forma de vencer a gravidade. “Decidimos trabalhar com coisas que aparentemente não têm apêndices para nadar”, diz o autor sénior Manu Prakash (@PrakashLab), um biólogo marinho e bioengenheiro da Universidade de Stanford.

“O que descobrimos neste artigo é que estas células de P. noctiluca são como pequenos submarinos que podem controlar a sua densidade com tanta precisão que podem escolher onde querem estar na coluna de água”, explica.

Num navio de investigação ao largo da costa do Havai, Prakash e um pós-doutorado da Universidade de Stanford, Adam Larson (@Planktonico), um dos primeiros autores do estudo, depararam-se com uma proliferação de P. noctiluca e, surpreendentemente, encontraram dois tamanhos muito diferentes nas suas redes.

“Demorou algum tempo a perceber porquê, até que gravámos os vídeos em que vimos as células a inflacionarem-se em massa”, diz Larson. “Pode acontecer muito subitamente, por isso, se dormirmos junto ao microscópio durante 10 minutos, podemos não ver”, revela.

Para testar os efeitos que este crescimento rápido pode ter no plâncton, a equipa de investigação utilizou a sua nova “máquina de gravidade”.

“A máquina de gravidade permite-nos ver uma única célula com uma resolução subcelular numa coluna de água infinita”, diz Prakash. “É um pouco como uma roda gigante para gerbos ou ratos, mas para uma única célula. É do tamanho de um prato de jantar e roda, por isso a célula não sabe que não está a subir ou a afundar-se no seu próprio quadro de referência”.

Ao alterar a pressão e a densidade da água dentro da máquina de gravidade, a equipa pode criar um ambiente de realidade virtual que imita as profundezas do oceano.

Com a máquina, a equipa descobriu que as células insufladas eram menos densas do que a água do mar circundante, o que lhes permitia escapar à força descendente da gravidade e flutuar em direção à superfície virtual.

Investigações posteriores revelaram que esta expansão ocorre como parte natural do ciclo celular do plâncton. Quando um plâncton unicelular se divide em dois, uma estrutura interna denominada vacúolo, uma espécie de reservatório de água flexível, filtra a água doce, fazendo com que as duas novas células aumentem enormemente de tamanho. Estas duas células filhas, agora inchadas com a água doce mais leve, navegam para cima.

“Apercebemo-nos de que esta é uma forma muito inteligente de, essencialmente, lançar uma fisga no oceano durante a divisão celular”, diz Prakash. “Então, o que é que acontece durante o tempo normal? Estamos a produzir muitas proteínas, temos toneladas de luz solar e produzimos muita biomassa até ficarmos mais pesados e nos afundarmos. Depois, faz-se a divisão celular nas águas mais profundas e usa-se a inflação para voltar ao tamanho da mãe.”

O ciclo celular completo demora cerca de 7 dias, coincidindo com a procura vertical de luz e nutrientes por parte do plâncton. “Assim, podemos ver como é que este ciclo celular pode ter evoluído”, diz Prakash. “Penso que esta é a primeira vez que temos provas claras de que o ciclo celular, que é um mecanismo fundamental de controlo da célula e da divisão celular, é possivelmente controlado por um parâmetro ecológico”.

Com estes conhecimentos em mente, utilizando um quadro teórico, a equipa descobriu o parâmetro ecológico que atua como um limite fundamental que impulsiona esta evolução.

“Todas as células sofrem uma atração gravitacional para baixo e, a não ser que elas ou a sua descendência ripostem, afundar-se-ão para sempre no fundo do oceano numa armadilha gravitacional”, afirma o pós-doutorado Rahul Chajwa, o outro primeiro autor do estudo, também da Universidade de Stanford.

Agora, utilizando os resultados da máquina gravitacional, bem como as suas observações ecológicas e fisiológicas, a equipa de investigação desenvolveu um quadro matemático que pode ser generalizado e aplicado a todo o plâncton do oceano.

Para projetos futuros, o laboratório de Prakash procura desvendar os mistérios ocultos de um vasto número de plâncton que poderá utilizar a nova bioquímica para regular a densidade e mover-se para cima e para baixo na coluna de água.

“Neste momento, temos cerca de 600 espécies no nosso Atlas Comportamental e estamos a medir sistematicamente todos os tipos de mecanismos. Estamos a medir sistematicamente todos os tipos de mecanismos. Está a revelar-se que há quatro ou cinco truques diferentes que co-evoluíram para esta função. Penso que um dos aspetos mais divertidos é o facto de termos uma longa lista de organismos para estudar; como há milhões de espécies que vivem no oceano, esta é a ponta do icebergue”.

Hongquan Li, um estudante licenciado no laboratório de Prakash, é também um dos autores do estudo.