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As interações de predadores determinam principalmente onde Prochlorococcus prosperam
Novas descobertas podem ajudar os pesquisadores a aprimorar as previsões para onde o fitoplâncton irá migrar com as mudanças climáticas.
Por Jennifer Chu - 09/01/2022


O local onde vive o micróbio Prochlorococcus, pintado em verde, não é determinado principalmente pela temperatura, como se pensava anteriormente. Um estudo do MIT descobriu que uma relação com a bactéria, o roxo, e um predador compartilhado, o laranja, na verdade define o alcance do micróbio. Créditos: Imagem: Jose-Luis Olivares, MIT

Prochlorococcus são os menores e mais abundantes organismos fotossintetizantes do planeta. Uma única célula de Prochlorococcus é diminuída por um glóbulo vermelho humano, mas globalmente o número de micróbios chega a octilhões e são responsáveis ​​por uma grande fração da produção mundial de oxigênio à medida que transformam a luz solar em energia.

Prochlorococcus podem ser encontrados nas águas superficiais quentes do oceano, e sua população diminui drasticamente nas regiões mais próximas dos pólos. Os cientistas presumiram que, como acontece com muitas espécies marinhas, o alcance de Prochlorococcus é determinado pela temperatura: quanto mais frias as águas, menor a probabilidade de os micróbios viverem nelas.

Mas os cientistas do MIT descobriram que o local onde o micróbio vive não é determinado principalmente pela temperatura. Embora as populações de Prochlorococcus realmente diminuam em águas mais frias, é uma relação com um predador comum, e não a temperatura, que define o alcance do micróbio. Essas descobertas, publicadas hoje no Proceedings of the National Academy of Sciences , podem ajudar os cientistas a prever como as populações de micróbios mudarão com a mudança climática.

“As pessoas presumem que, se o oceano aquecer, Prochlorococcus se moverá em direção aos polos. E isso pode ser verdade, mas não pela razão que eles estão prevendo ”, diz a coautora do estudo Stephanie Dutkiewicz, pesquisadora sênior do Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias (EAPS) do MIT. “Então, a temperatura é um pouco falsa.”

Os coautores de Dutkiewicz no estudo são o autor principal e Cientista Pesquisador da EAPS Christopher Follett, o Professor Mick Follows da EAPS, François Ribalet e Virginia Armbrust da Universidade de Washington, e Emily Zakem e David Caron da Universidade do Sul da Califórnia em Los Angeles.

Colapso da temperatura

Embora se acredite que a temperatura defina a faixa de Prochloroccus e outros fitoplânctons no oceano, Follett, Dutkiewicz e seus colegas notaram uma curiosa dissonância nos dados.

A equipe examinou as observações de vários cruzeiros de pesquisa que navegaram pelo nordeste do Oceano Pacífico em 2003, 2016 e 2017. Cada navio percorreu diferentes latitudes, amostrando águas continuamente e medindo as concentrações de várias espécies de bactérias e fitoplâncton, incluindo Prochlorococcus . 

A equipe do MIT usou os dados do cruzeiro arquivados publicamente para mapear os locais onde Prochlorococcus diminuiu ou entrou em colapso, juntamente com a temperatura do oceano de cada local. Surpreendentemente, eles descobriram que o colapso de Prochlorococcus ocorreu em regiões de temperaturas amplamente variáveis, variando de cerca de 13 a 18 graus Celsius. Curiosamente, o limite superior dessa faixa foi mostrado em experimentos de laboratório como condições adequadas para o crescimento e desenvolvimento de Prochlorococcus .

“A temperatura em si não foi capaz de explicar onde vimos essas quedas”, diz Follett.

Follett também estava trabalhando em uma ideia alternativa relacionada ao Prochlorococcus e ao suprimento de nutrientes. Como subproduto de sua fotossíntese, o micróbio produz carboidratos - um nutriente essencial para bactérias heterotróficas, que são organismos unicelulares que não fotossintetizam, mas vivem da matéria orgânica produzida pelo fitoplâncton.

“Em algum lugar ao longo do caminho, eu me perguntei, o que aconteceria se essa fonte de alimento que Prochlorococcus estivesse produzindo aumentasse? E se pegássemos essa maçaneta e girássemos? ” Follett diz.

Em outras palavras, como o equilíbrio de Prochlorococcus e bactérias mudaria se a comida da bactéria aumentasse como resultado de, digamos, um aumento em outro fitoplâncton produtor de carboidratos? A equipe também se perguntou: se a bactéria em questão tivesse aproximadamente o mesmo tamanho que a Prochlorococcus , as duas provavelmente compartilhariam um herbívoro comum, ou predador. Como a população de pastores também mudaria com uma mudança no suprimento de carboidratos?

“Então fomos para o quadro branco e começamos a escrever equações e resolvê-las para vários casos, e percebemos que assim que você chega a um ambiente onde outras espécies adicionam carboidratos à mistura, bactérias e herbívoros crescem e aniquilam Prochlorococcus ”, diz Dutkiewicz .

Mudança de nutrientes

Para testar essa ideia, os pesquisadores empregaram simulações da circulação oceânica e das interações do ecossistema marinho. A equipe executou o MITgcm, um modelo de circulação geral que simula, neste caso, as correntes oceânicas e regiões de ressurgência em todo o mundo. Eles sobrepuseram um modelo biogeoquímico que simula como os nutrientes são redistribuídos no oceano. A tudo isso, eles vincularam um modelo de ecossistema complexo que simula as interações entre muitas espécies diferentes de bactérias e fitoplâncton, incluindo Prochlorococcus .

Quando fizeram as simulações sem incorporar uma representação da bactéria, descobriram que Prochlorococcus persistiu até os polos, ao contrário da teoria e das observações. Quando eles adicionaram as equações que descrevem a relação entre o micróbio, a bactéria e um predador compartilhado, o alcance de Prochlorococcus mudou para longe dos pólos, combinando com as observações dos cruzeiros de pesquisa originais.

Em particular, a equipe observou que Prochlorococcus prosperou em águas com níveis de nutrientes muito baixos e onde é a fonte dominante de alimento para bactérias. Essas águas também são quentes, e Prochlorococcus e bactérias vivem em equilíbrio, junto com seu predador comum. Mas em ambientes mais ricos em nutrientes, como as regiões polares, onde a água fria e os nutrientes afloram do fundo do oceano, muitas outras espécies de fitoplâncton podem prosperar. As bactérias podem então se banquetear e crescer com mais fontes de alimento e, por sua vez, alimentar e cultivar mais de seu predador comum. Prochlorococcus, incapaz de acompanhar, é rapidamente dizimado. 

Os resultados mostram que a relação com um predador compartilhado, e não a temperatura, define o alcance de Prochlorococcus . Incorporar este mecanismo em modelos será crucial para prever como o micróbio - e possivelmente outras espécies marinhas - irão mudar com a mudança climática.

“ Prochlorococcus é um grande prenúncio de mudanças no oceano global”, diz Dutkiewicz. “Se seu alcance se expandir, é um canário - um sinal de que as coisas no oceano mudaram muito.”

“Há razões para acreditar que seu alcance se expandirá com o aquecimento global”, acrescenta Follett. ” Mas temos que entender os mecanismos físicos que definem esses intervalos. E as previsões baseadas apenas na temperatura não serão corretas. ”

Esta pesquisa foi apoiada em parte pela Colaboração Simons em Modelagem Biogeoquímica Computacional de Ecossistemas Marinhos (CBIOMES) e pela NASA.

 

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