Un importante evento di marea rossa si è verificato nelle acque al largo della California meridionale nella primavera del 2020, provocando abbaglianti spettacoli di bioluminescenza lungo la costa. Lo spettacolo è stato causato da densità estremamente elevate di Lingulodinio poliedra (L. poliedra), una specie di plancton rinomata per la sua capacità di emettere un bagliore blu neon. Sebbene la marea rossa abbia catturato l’attenzione del pubblico e fatto notizia in tutto il mondo, l’evento è stato anche una fioritura di alghe dannosa. Al culmine della fioritura sono state rilevate tossine che avevano il potenziale di danneggiare la vita marina e i livelli di ossigeno disciolto sono scesi quasi a zero quando la biomassa estrema della marea rossa si è decomposta. Questa mancanza di ossigeno ha portato alla moria dei pesci e ad altri impatti distruttivi sugli ecosistemi locali.
Ora, per la prima volta, uno studio condotto da scienziati dello Scripps Institution of Oceanography e della Jacobs School of Engineering dell’UC San Diego ha individuato come questa specie di plancton – un dinoflagellato – fosse in grado di creare una fioritura così eccezionalmente densa. La risposta sta nella straordinaria capacità dei dinoflagellati di nuotare, che conferisce loro un vantaggio competitivo rispetto ad altre specie di fitoplancton. Secondo gli autori, questa capacità di nuotare può portare alla formazione di dense fioriture, comprese quelle della varietà bioluminescente.
“L’idea che il nuoto verticale dia ai dinoflagellati un vantaggio competitivo risale a più di mezzo secolo fa, ma solo ora abbiamo la tecnologia per dimostrarlo in modo definitivo sul campo”, ha affermato l’oceanografo Drew Lucas, autore senior dello studio e associato. professore alla Scripps Oceanography e al Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale dell’UC San Diego.
Lucas e l’ex studente laureato Bofu Zheng hanno guidato il lavoro insieme a diversi colleghi nel bel mezzo dell’evento di marea rossa nell’aprile e nel maggio 2020. I ricercatori hanno colto l’opportunità di implementare sofisticati strumenti oceanici al largo della costa di San Diego, ottenendo misurazioni senza precedenti. Lo sforzo è stato reso possibile grazie ai finanziamenti forniti dal Southern California Coastal Ocean Observing System (SCCOOS) attraverso un premio della National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). I risultati del team sono stati pubblicati nel numero del 28 agosto del Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienzepresentato come storia di copertina.
I dinoflagellati… L. poliedra in particolare, hanno dimostrato di essere altamente mobili, nuotando verso l’alto durante il giorno per fare la fotosintesi e verso il basso di notte per accedere a una profonda riserva di nutrienti. Ciò ha provocato un’intensificata colorazione rossastra dell’acqua in superficie, da cui il termine “marea rossa”, vista soprattutto nel pomeriggio. È stato documentato che una vasta popolazione di dinoflagellati effettuava il viaggio verso il basso di notte, sebbene una parte rimanesse vicino alle acque superficiali, portando a manifestazioni notturne di bioluminescenza. Gli autori hanno scoperto che questa migrazione verticale è ciò che ha permesso ai dinoflagellati di superare i loro concorrenti non mobili, comprese altre specie di fitoplancton.
Lo studio convalida un’ipotesi vecchia di 50 anni originariamente presentata dall’oceanografo biologico della Scripps Oceanography Richard “Dick” Eppley. Lui e i suoi colleghi hanno ipotizzato che la migrazione verticale dei dinoflagellati fosse collegata a fioriture algali dannose, documentate al largo della California meridionale da almeno 120 anni. Per supportare questa idea sono state condotte approfondite ricerche di laboratorio, ma non erano mai state testate sul campo fino all’evento del 2020.
Come in molte specie dinoflagellateL. poliedra è dotato di un paio di flagelli, appendici simili a fruste che spingono l’organismo unicellulare attraverso l’acqua. Oltre alla sua capacità di nuotare, L. poliedra è straordinariamente veloce, con una velocità massima di nuoto fino a 10 lunghezze corporee al secondo per quasi 24 ore.
“Nel mondo del plancton, sono Michael Phelps”, ha detto Lucas, descrivendo i dinoflagellati. “Per fare un confronto, il nuoto a raffiche veloci in specie come il tonno rosso o il mako pinna corta è di circa 9-10 lunghezze corporee al secondo, ma solo per periodi molto brevi. Il loro nuoto eccezionale consente L. poliedra immergersi nelle profondità fredde dove possono assorbire sostanze nutritive, permettendo a questi organismi di fiorire davvero ed esplodere in termini di popolazione.”
Il team ha utilizzato il Wirewalker, un sistema di profilazione verticale autonomo, alimentato dalle onde oceaniche, sviluppato presso la Scripps Oceanography, per misurare continuamente le condizioni fisiche e biochimiche dalla superficie del mare al fondale marino, raggiungendo una profondità di 100 metri (300 piedi). ). Alimentato dall’energia delle onde, lo strumento si muove su e giù per una linea di ormeggio fissata a una boa, effettuando misurazioni di temperatura, salinità, profondità, livelli di luce solare, fluorescenza della clorofilla e concentrazioni di nitrati. Hanno anche catturato immagini in prossimità della superficie della fioritura utilizzando un Imaging FlowCytobot (IFCB), un microscopio robotico installato su un ormeggio offshore; questo sito fa ora parte di una rete IFCB più ampia supervisionata da SCCOOS.
I dati e le immagini raccolti da questi strumenti hanno convalidato l’ipotesi originale di Eppley, dimostrandolo in effetti L. poliedra scendeva al crepuscolo, raggiungendo una profondità massima di circa 30-40 metri (100-130 piedi) dopo 18-24 ore di nuoto. Mentre si trovano nelle profondità, i dinoflagellati assorbirebbero il nitrato, che funge da nutriente per la crescita del plancton, prima di tornare in superficie intorno a mezzogiorno per la fotosintesi durante la massima luce solare.
La crescita della biomassa del fitoplancton, o “fioritura”, è correlata a diminuzioni proporzionali delle concentrazioni di nitrati in profondità, collegando l’importante ruolo che il fitoplancton nuotatore ha nello sviluppo di alcuni tipi di maree rosse. Nelle giornate nuvolose, la migrazione verticale nel sottosuolo era molto meno evidente, suggerendo che l’intensità della luce solare è un importante fattore scatenante per la migrazione verticale.
L’autore principale Zheng, ora ricercatore post-dottorato presso la Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), è rimasto colpito dalle numerose funzioni avanzate dei dinoflagellati, che sono paragonabili per dimensioni al diametro di un capello umano.
“Questi organismi unicellulari, cioè L. poliedra, sono così funzionalmente complessi e sorprendenti”, ha detto Zheng. “Oltre alla loro velocità di nuoto, che è ben oltre i limiti umani, possono coordinare il loro comportamento secondo il ciclo giorno-notte migrando di notte e tornando nell’oceano superficie durante il giorno; possono produrre una bioluminescenza spettacolare; possono fotosintetizzare; possono anche predare organismi più piccoli di loro.”
I ricercatori hanno anche esaminato i dati di monitoraggio degli oceani a lungo termine acquisiti dalla California Cooperative Oceanic Fisheries Investigations (CalCOFI) e i dati di ormeggio a lungo termine gestiti dall’Ocean Time-Series Group presso Scripps Oceanography per vedere altre conseguenze della fioritura. Analizzando più di 70 anni di dati climatici, i risultati hanno mostrato che la fioritura ha creato condizioni fisiche e chimiche nella colonna d’acqua che si discostavano dalla norma, mostrando il potenziale per massicce fioriture di alterare le caratteristiche dell’oceano costiero.
La coautrice dello studio e direttrice del SCCOOS, Clarissa Anderson, ha affermato che questa ricerca si distingue per l’uso di nuove tecnologie oceaniche, che hanno consentito misurazioni senza precedenti di come il fitoplancton risponde ai cambiamenti su piccola scala nell’oceano costiero, nonché calcoli dell’assorbimento di nutrienti da parte dei dinoflagellati. su scala così fine. Ha inoltre sottolineato l’importanza delle osservazioni a lungo termine in quanto fondamentali per eventuali sforzi futuri volti a comprendere meglio le proliferazioni algali dannose.
“Più comprendiamo i meccanismi complessi che consentono a una particolare specie o popolazione di plancton di prosperare e persistere, meglio possiamo prevedere eventi fuori controllo come la marea rossa del 2020, che è durata molto più a lungo di quanto la teoria potrebbe dettare”, ha affermato Anderson, che è anche un oceanografo biologico presso la Scripps Oceanography. “Con serie temporali più lunghe di rapidi cambiamenti nell’apporto di nutrienti costieri, nella circolazione, nei regimi di luce e nelle tossine algali, potremmo costruire modelli dinamici più accurati per prevedere le fioriture di plancton, comprese quelle che diventano dannose”.
Secondo gli autori, collegare il comportamento del fitoplancton e i cambiamenti nell’ambiente costiero potrebbe aiutare i ricercatori a comprendere meglio le condizioni che causano e che derivano dalle fioriture algali dannose, aiutando a prevedere le fioriture e mitigarne gli effetti.
Oltre a Lucas, Zheng e Anderson, lo studio è stato scritto in collaborazione con Peter Franks, Tamara Schlosser, Uwe Send e Andrew Barton di Scripps Oceanography; Kristen Davis dell’Università della California Irvine; e Heidi Sosik di WHOI. Il finanziamento per lo studio è stato fornito da SCCOOS attraverso i premi NOAA #NA21NOS0120088 e #NA16NOS0120022.
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