Célula oceánica de fitoplancton envuelta en sus capas químicas © 2026 by Imagen procesada con IA: Riccardo Foffi / ETH Zurich
Las interacciones entre las células de algas microscópicas y las bacterias marinas son fundamentales para el ciclo del carbono de todo el planeta. Ahora, investigadores de la Universidad Politécnica (ETH) de Zúrich han dado un paso importante para descifrar el lenguaje químico que media estas interacciones.
Son muy pequeñas, por lo que a menudo se subestima su importancia. Sin embargo, las microalgas realizan aproximadamente la mitad de la fotosíntesis que tiene lugar en todo el mundo. En este sentido, están a la altura, con creces, del conjunto de todas las plantas terrestres. Además, las microalgas —el denominado fitoplancton— constituyen la base de la mayoría de las redes tróficas de los océanos.
Cada una de estas células fotosintéticas libera una gran variedad de sustancias orgánicas que, en el agua de mar, se alejan gradualmente de la célula. De este modo, alrededor de cada microalga se forma una pequeña nube compuesta por diversas sustancias. Los investigadores la denominan ficosfera. Es el lugar donde las microalgas y las bacterias interactúan preferentemente entre sí. Estas interacciones determinan el ciclo del carbono en los océanos.
La ficosfera contiene señales químicas que pueden ser percibidas por una gran variedad de bacterias. Estas bacterias siguen las sustancias para desplazarse hacia las microalgas, donde intercambian materia orgánica que contiene carbono con ellas.
El profesor Dr Roman Stocker, catedrático del Instituto de Ingeniería Ambiental de la ETH Zúrich, afirma que:
La ficosfera es uno de los mercados más importantes de carbono orgánico en los océanos.
Hasta ahora, la investigación partía de la base de que este mercado se regía por las leyes de la difusión simple, y de que todas las sustancias se distribuían siguiendo el mismo patrón: Según este modelo, se encuentran en concentraciones más elevadas en las inmediaciones de la microalga y, a medida que aumenta la distancia respecto a la célula fotosintética, dichas concentraciones disminuyen gradualmente.
Ahora, el equipo dirigido por Stocker, con ayuda de un procedimiento técnicamente complejo denominado microespectroscopia Raman, ha registrado por primera vez las concentraciones de una de estas sustancias —denominada fucoxantina— en el entorno inmediato de células de microalgas vivas individuales, midiendo así con precisión el panorama químico en torno al fitoplancton. Los investigadores presentan sus resultados en la revista especializada Proceedings of the National Academy of Sciences.
Para su sorpresa, descubrieron que la concentración de fucoxantina en las proximidades de la célula de fitoplancton aumenta mucho más de lo esperado. Esto sugiere que la ficosfera está compuesta, de hecho, por varias capas. Están envueltas, como las capas de una cebolla, en envolturas esféricas cada vez más grandes alrededor de la microalga situada en el centro. Las propiedades químicas de las sustancias liberadas determinan hasta qué punto se extienden las distintas capas.
Los investigadores llegaron a la conclusión de que existen diferencias claras entre las sustancias: solo las sustancias solubles en agua, como el azúcar o los aminoácidos, se comportan tal y como cabría esperar en base a la simple difusión. Su concentración disminuye muy gradualmente a medida que aumenta la distancia con respecto a las microalgas.
La situación es diferente en el caso de sustancias hidrófugas como la fucoxantina, que es uno de los pigmentos fotosintéticos más importantes en muchas microalgas. Esta sustancia permanece muy concentrada cerca de la microalga y su concentración disminuye drásticamente a unos diez micrómetros de la superficie celular. ¿Cómo es posible? El Dr Zachary Landry, de la Universidad del Sur de California, y el Dr Riccardo Foffi, de la ETH Zúrich, los dos autores principales del estudio, descubrieron que la responsable de ello es una fina capa de sustancias mucosas que rodea a la microalga.
La microalga está recubierta por una especie de mucosidad que, según los investigadores, cumple una doble función, explica el Dr Foffi:
Por un lado, ayuda a que las sustancias hidrófugas se dispersen en el agua. Por otro lado, el mucílago retiene las moléculas e impide que se alejen de la célula, lo que da lugar a concentraciones significativamente más altas cerca de la superficie celular.
El Dr Landry añade que:
Esto da lugar a señales químicas mucho más intensas. Facilitan a las bacterias la localización de las diminutas células de microalgas en el océano.
Esto cambia radicalmente la visión que se tenía hasta ahora de la ficosfera. Según los investigadores, sus resultados tienen importantes repercusiones en los modelos de interacción entre el fitoplancton y las bacterias. Además, demuestran que los buenos trabajos experimentales siguen siendo importantes incluso en un mundo cada vez más dependiente de los ordenadores.
El estudio demuestra que el entorno inmediato de las microalgas tiene una estructura mucho más compleja de lo que se creía hasta ahora. Estos nuevos hallazgos podrían ayudar a comprender mejor las interacciones entre las microalgas y las bacterias y, con ello, una parte importante del ciclo del carbono en los océanos.
Las microalgas liberan sustancias que las bacterias pueden absorber y aprovechar.
Los modelos anteriores partían de la hipótesis de que estas sustancias siempre se distribuyen por sí solas en el agua. Este proceso se denomina en física difusión simple.
Ahora, investigadores de la ETH han medido por primera vez las concentraciones reales de una de estas sustancias y han llegado a la conclusión de que diferentes sustancias rodean a las diminutas algas en varias capas, que las envuelven como las capas de una cebolla.
Las células del fitoplancton liberan sustancias químicas en el agua, generando una microzona denominada «ficosfera» en la que tienen lugar interacciones microbianas. Hemos cartografiado la distribución espacial de un metabolito del fitoplancton en la ficosfera, revelando características de los paisajes químicos a microescala. Nuestros resultados muestran que las ficosferas pueden no ser uniformes, sino estar estratificadas: se espera que los compuestos pequeños y solubles se propaguen a gran distancia en el agua, mientras que observamos que las moléculas insolubles se retienen cerca de la superficie de las células del fitoplancton. Este hallazgo enriquece la visión tradicional de la ficosfera y sugiere formas en las que la organización a microescala de las sustancias químicas puede influir en el comportamiento microbiano y en los intercambios de nutrientes.
Las células de fitoplancton exudan una amplia variedad de sustancias químicas en la columna de agua, generando un microentorno localizado conocido como ficosfera. Aunque hoy en día está ampliamente aceptado que la ficosfera media las interacciones entre el fitoplancton y las bacterias, los gradientes químicos alrededor de las células individuales de fitoplancton nunca se han medido de forma explícita, y tradicionalmente se ha supuesto que su forma viene determinada por la difusión ideal. En este estudio hemos utilizado la microespectroscopia Raman para obtener mediciones a escala micrométrica del perfil de concentración de un metabolito del fitoplancton (la fucoxantina) alrededor de células individuales de fitoplancton de diferentes especies, con radios comprendidos entre y 60 μ m.
Hemos observado que la concentración de fucoxantina disminuye más rápidamente con la distancia respecto a la célula de lo que predice la difusión ideal, lo que demuestra que la ficosfera incluye compuestos cuya difusión se caracteriza por efectos no ideales. Explicamos esta observación mediante un modelo de difusividad dependiente del espacio, en el que la no idealidad surge de los gradientes de viscosidad y solubilidad en el entorno extracelular. Nuestros resultados sugieren un modelo de la ficosfera con estructura en capas, en el que los pequeños solutos hidrofílicos que obedecen a la difusión ideal generan gradientes amplios pero débiles, mientras que los compuestos insolubles se retienen a una distancia de entre 10 a 20 μ de la superficie de la célula de fitoplancton y producen gradientes pronunciados de materia orgánica.
Estas observaciones, respaldadas por la evidencia de que la fucoxantina puede actuar como un quimioatrayente eficaz para las bacterias marinas, muestran la existencia de señales químicas fuertes y altamente localizadas con repercusiones potencialmente de gran alcance en las interacciones microbianas en los entornos acuáticos. Estos hallazgos ponen de relieve la importancia de medir directamente el panorama químico a microescala al que se enfrentan los microbios marinos.
El Stocker Lab estará presente en la edición de este año de Scientifica. Acérquese al Hönggerberg el 23 de agosto. Sumérjase en el mundo de la ciencia y plantee sus preguntas a los investigadores.
El festival de la ciencia de Zúrich se celebra este año del 22 al 30 de agosto y, por primera vez, también tendrá lugar en el Innovationspark Zürich, en Dübendorf. Desde el 27 de julio se puede consultar el programa completo en la página web de Scientifica.
Landry ZC, Foffi R, Anelli V, Arosio P, Gil-García M, Henshaw RJ, Müller O, Paccagnan G, Schneider TN, Schubert CJ, Słomkab J, Lee KS, Zambelli T, Zweifel S y Stocker R. «Las imágenes Raman de la ficosfera revelan gradientes pronunciados de materia orgánica exudada por células individuales de fitoplancton». Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2026). Página externa DOI: 10.1073/pnas.2535317123
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