Microorganismos marinos
Los microorganismos marinos se definen por su hábitat como microorganismos que viven en un medio marino , es decir, en el agua salada de un mar u océano o en el agua salobre de un estuario costero . Un microorganismo (o microbio ) es cualquier organismo o virus vivo microscópico , que es demasiado pequeño para verlo a simple vista y sin aumento. Los microorganismos son muy diversos. Pueden ser unicelulares [1] o multicelulares e incluyen bacterias , arqueas , virus y la mayoría protozoos , así como algunos hongos , algas y animales, como rotíferos y copépodos . Muchos animales y plantas macroscópicos tienen estadios juveniles microscópicos . Algunos microbiólogos también clasifican entidades biológicamente activas como virus y viroides como microorganismos, pero otros los consideran no vivos. [2] [3]
Se ha estimado de diversas formas que los microorganismos marinos constituyen aproximadamente el 70%, [4] o aproximadamente el 90%, [5] [6] de la biomasa en el océano . En conjunto, forman el microbioma marino . Durante miles de millones de años, este microbioma ha evolucionado muchos estilos de vida y adaptaciones y ha llegado a participar en el ciclo global de casi todos los elementos químicos. [7] Los microorganismos son cruciales para el reciclaje de nutrientes en los ecosistemas, ya que actúan como descomponedores . También son responsables de casi toda la fotosíntesis que ocurre en el océano, así como del ciclo del carbono , nitrógeno., fósforo y otros nutrientes y oligoelementos. [8] Los microorganismos marinos secuestran grandes cantidades de carbono y producen gran parte del oxígeno del mundo.
Una pequeña proporción de los microorganismos marinos son patógenos y causan enfermedades e incluso la muerte en plantas y animales marinos. [9] Sin embargo, los microorganismos marinos reciclan los principales elementos químicos , produciendo y consumiendo aproximadamente la mitad de toda la materia orgánica generada en el planeta cada año. Como habitantes del medio ambiente más grande de la Tierra, los sistemas marinos microbianos impulsan cambios en todos los sistemas globales.
En julio de 2016, los científicos informaron sobre la identificación de un conjunto de 355 genes del último ancestro común universal (LUCA) de toda la vida en el planeta, incluidos los microorganismos marinos. [10] A pesar de su diversidad, la vida microscópica en los océanos aún se conoce poco. Por ejemplo, el papel de los virus en los ecosistemas marinos apenas se ha explorado incluso a principios del siglo XXI. [11]
Si bien los avances tecnológicos y los descubrimientos científicos recientes han sido sustanciales, todavía carecemos de una comprensión importante a todos los niveles de las cuestiones ecológicas básicas en relación con los microorganismos en nuestros mares y océanos. Estas preguntas fundamentales son:
1. ¿Qué hay ahí fuera? ¿Qué microorganismos están presentes en nuestros mares y océanos y en qué número se encuentran?
2. ¿Qué están haciendo? ¿Qué funciones realiza cada uno de estos microorganismos en el medio marino y cómo contribuyen a los ciclos globales de energía y materia?
3. ¿Cuáles son los factores que determinan la presencia o ausencia de un microorganismo y cómo influyen en la biodiversidad y la función y viceversa?
Los microorganismos constituyen aproximadamente el 70% de la biomasa marina . [4] Un microorganismo , o microbio, es un organismo microscópico demasiado pequeño para ser reconocido adecuadamente a simple vista. En la práctica, eso incluye organismos menores de aproximadamente 0,1 mm. [12] : 13
Papel de la comunidad microbiana en el ciclo del carbono marino
Los estromatolitos se forman a partir de esteras microbianas a medida que los microbios se mueven lentamente hacia arriba para evitar ser asfixiados por sedimentos.
Tamaños relativos de entidades microscópicas
El rango de tamaños que muestran los procariotas (bacterias y arqueas) y virus en relación con los de otros organismos y biomoléculas.
El aerosol marino que contiene microorganismos marinos puede ser arrastrado a la atmósfera donde se convierte en aeroplancton y puede viajar por el globo antes de volver a la tierra.
Bajo una lupa, un chorro de agua de mar rebosa vida microscópica
Interacciones virus-huésped en el ecosistema marino,
incluida la infección viral de bacterias, fitoplancton y peces [30]
Múltiples fagos adheridos a una pared celular bacteriana con un aumento de 200,000x
Diagrama de un fago de cola típico
Fago inyectando su genoma en bacterias
Viriones de diferentes familias de fagos con cola.
Estos son cianófagos , virus que infectan a las cianobacterias (las barras de escala indican 100 nm)
El virus más grande conocido, Tupanvirus , que lleva el nombre de
Tupã , el dios supremo guaraní de la creación
Pelagibacter ubique , la bacteria más abundante en el océano, juega un papel importante en el ciclo global del carbono .
Vibrio vulnificus , una bacteria virulenta que se encuentra en los estuarios y a lo largo de las zonas costeras.
Micrografía electrónica que muestra una especie de cianobacteria generalizada
Synechococcus . Los carboxisomas aparecen como estructuras oscuras poliédricas.
Inicialmente, las arqueas se consideraban extremófilos que vivían en entornos hostiles, como las arqueas amarillas que se muestran aquí en una fuente termal , pero desde entonces se han encontrado en una gama mucho más amplia de hábitats .
[81] Parakaryon myojinensis , una posible forma de transición entre un procariota y un eucariota
¿De dónde proceden las células eucariotas? - Viaje al microcosmosSe cree que los coanoflagelados , protistas flagelados unicelulares de "collar" , son los parientes vivos más cercanos de los animales . [91]
Liquen sobre una roca en una zona de salpicaduras marinas . Los líquenes son asociaciones mutualistas entre un hongo y un alga o cianobacteria.
Un caracol de mar ,
Littoraria irrorata , cubierto de líquenes. Este caracol cría hongos ascomicetos intermareales
Imagen compuesta que muestra la distribución global de la fotosíntesis, que incluye tanto el fitoplancton oceánico como la vegetación terrestre . El rojo oscuro y el azul verdoso indican regiones de alta actividad fotosintética en el océano y en tierra, respectivamente.
Cianobacterias de una estera microbiana . Las cianobacterias fueron los primeros organismos en liberar oxígeno a través de la fotosíntesis.
La diminuta cianobacteria Prochlorococcus es un importante contribuyente al oxígeno atmosférico.
Imagen de la NASA de una gran floración de cianobacterias Nodularia arremolinándose en el Mar Báltico [138]
Cadenas de algas coloniales
El plancton son organismos flotantes o a la deriva que no pueden nadar eficazmente contra la corriente e incluyen organismos de la mayoría de las áreas de la vida: bacterias , arqueas , algas , protozoos y animales .
Rojo, naranja, amarillo y verde representan áreas donde abundan las floraciones de algas. Las áreas azules representan zonas pobres en nutrientes donde el fitoplancton existe en concentraciones más bajas.
El fitoplancton, como esta colonia de
Chaetoceros socialis , emite naturalmente luz fluorescente roja que disipa el exceso de energía solar que no pueden consumir a través de la fotosíntesis. Este brillo puede ser detectado por satélites como un indicador de la eficiencia con la que el fitoplancton oceánico realiza la fotosíntesis.
[157] [158] Dibujos de Haeckel 1904 (haga clic para obtener más detalles)
Las diatomeas tienen una capa de sílice ( frústula ) con simetría radial (céntrica) o bilateral (pennada)
Estructura de una frústula de diatomeas céntrica [165]
... tienen platos llamados cocolitos
Los cocolitóforos forman esqueletos de calcita importantes para el ciclo del carbono marino [167]
Modelo del mecanismo de generación de energía en bacterias marinas.
(1) Cuando la luz solar incide en una molécula de rodopsina
(2) cambia su configuración, por lo que un protón es expulsado de la célula
(3) el potencial químico hace que el protón regrese a la célula
(4) generando energía
(5) en el forma de trifosfato de adenosina .
[168] Halobacterias en estanques de evaporación de sal de color púrpura por bacteriorhodopsina
[170] Paramecium , un ciliado depredador, alimentándose de bacterias.
Dibujos de Haeckel 1904 (haga clic para obtener más detalles)
Concha de un radiolario esférico
Las simulaciones por computadora de patrones de Turing en una esfera
replican fielmente algunos patrones de caparazón radiolariano [189]
Dibujos de Haeckel 1904 (haga clic para obtener más detalles)
... puede tener más de un núcleo
Los foraminíferos son importantes protistas unicelulares del zooplancton , con pruebas de calcio
Ameba testada , Cyphoderia sp.
La ameba puede ser descascarada ( testada ) o desnuda
Ameba envolviendo una diatomea
Dibujos de Haeckel 1904 (haga clic para obtener más detalles)
El radiolario acantario alberga simbiontes Phaeocystis
Espuma de algas Phaeocystis blanca lavando en una playa
Dinoflagelados sin armadura Kofoid (1921)
Una ola de surf en la noche brilla con luz azul debido a la presencia de un dinoflagelado bioluminiscente, como Lingulodinium polyedrum
Explicación sugerida para mares resplandecientes [209]
Tradicionalmente, los dinoflagelados se han presentado con o sin armadura.
Espesor de sedimentos marinos
Daga de piedra de Ötzi el Hombre de Hielo que vivió durante la Edad del Cobre . La hoja está hecha de sílex que contiene radiolarios, calcisferas, calpionélidos y algunas espículas de esponja. La presencia de calpionélidos , extintos, se utilizó para fechar esta daga.
[224] Microfósiles calcáreos de sedimentos marinos que consisten principalmente en discoaster en forma de estrella con una pizca de cocolitos
Distribución de los tipos de sedimentos en el lecho marino
Dentro de cada área coloreada, el tipo de material que se muestra es el que predomina, aunque es probable que también estén presentes otros materiales.
Para obtener más información, consulte aquí.
Roca Archaea: esta roca del océano profundo albergaba gusanos que consumían arqueas que se alimentaban de metano.
Principales tipos de simbiosis microbianas
(A) Las interacciones microbianas varían desde mutuamente beneficiosas hasta perjudiciales para uno o más socios. Las flechas azules de dos puntas resaltan que las relaciones pueden moverse entre clasificaciones a menudo influenciadas por las condiciones ambientales. (B) Las simbiosis huésped-microbio deben considerarse dentro del contexto de comunidades microbianas donde el huésped participa en múltiples y a menudo diferentes relaciones simbióticas. (C) Las comunidades microbianas están influenciadas por una variedad de simbiosis microbio-microbio que van desde la cooperación (por ejemplo, sintrofia o co-metabolismo) hasta la competencia. Las flechas representan resultados generalmente beneficiosos (azul) y perjudiciales (rojo) para uno (punta de flecha simple) o ambos miembros (punta de flecha doble). Tenga en cuenta que, al igual que con las simbiosis huésped-microbio, estas relaciones pueden verse como fluidas e influenciadas por las condiciones ambientales.
[233] Producción de exportación marina
Funciones de los hongos en el ciclo del carbono marino [250]
La vía de derivación viral facilita el flujo de materia orgánica disuelta (DOM) y materia orgánica particulada (POM) a través de la red alimentaria marina.
Tamaño y clasificación de partículas marinas [252]
Adaptado de Simon et al., 2002. [253]
Fumador negro en la parte High Rise de los respiraderos hidrotermales Endeavour .
Bacteria can be beneficial. This Pompeii worm, an extremophile found only at hydrothermal vents, has a protective cover of symbiotic bacteria.
Fluorescence microscopy of various picoplankton in the ocean, much of which cannot be effectively studied because they resist attempts at laboratory culture
Unidentified spherical algal microorganism, part of the microbial dark matter
Subsurface life environments
These aerobic microorganisms, found deep in organically-poor sediments, have been in quasi-suspended animation for maybe 100 million years
Estimates of microbial species counts in the three domains of life
Bacteria are the oldest and most biodiverse group, followed by Archaea and Fungi (the most recent groups). In 1998, before awareness of the extent of microbial life had gotten underway, Robert M. May
[277] estimated there were 3 million species of living organisms on the planet. But in 2016, Locey and Lennon
[278] estimated the number of microorganism species could be as high as 1 trillion.
[279] Comparative representation of the known and estimated (small box) and the yet unknown (large box) microbial diversity, which applies to both marine and terrestrial microorganisms. The text boxes refer to factors that adversely affect the knowledge of the microbial diversity that exists on the planet.
[279] Strategies for sampling plankton by size classes and abundance
The blue background indicates the filtered volume required to obtain sufficient organism numbers for analysis.
Actual volumes from which organisms are sampled are always recorded.[280]
High volumes of plankton samples can be analysed rapidly
using modern imaging techniques.[280]
High volumes of plankton samples can also be analysed rapidly with sequencing techniques.[280]
Pelagibacter ubique, the most common bacterium in the ocean
Marinomonas arctica, a bacterium which grows inside Arctic sea ice at subzero temperatures
It would be difficult to consistently separate out these two microbes using images alone. However, if their barcodes are aligned to each other and their bases are coloured to see them more clearly, it becomes easy to see which bases are different between these two microbes. In this manner, millions of different kinds of microbes can be distinguished.
[283] DNA barcode alignment and comparison between
the two species of marine bacteria pictured above [283]
DNA barcode alignment and comparison between
the two species of marine bacteria pictured above [283]
Methods used to study phytoplankton
Three different possibilities to process the sample are using raw samples, fixation or preservation, and filtration. For microscopy and flow cytometry raw samples either are measured immediately or have to be fixed for later measurements. Since molecular methods, pigment analysis and detection of molecular tracers usually require concentrated cells, filter residues serve for phytoplankton measurements. Molecular characterization and quantification of trace molecules is performed using chromatography, mass spectrometry, and nuclear magnetic resonance spectroscopy.
[284] DNA sequencing technologies used in marine metagenomics
The discovery process involves marine sampling, DNA sequencing and contig generation. Previously unknown genes, pathways and even whole genomes are being discovered. These genome-editing technologies are used to retrieve and modify valuable microorganisms for production, particularly in marine metagenomics. Organisms may be cultivable or uncultivable. Metagenomics is providing especially valuable information for uncultivable samples.
[290] Meta-omics data based biogeochemical modeling [295]
A schematic conceptual framework for marine biogeochemical modeling from environmental, imaging, and meta-omics data.
[296] A semi-automatic computational pipeline is schematized for combining biomarkers with biogeochemical data
[297] that can be incorporated into classic biogeochemical models
[298] for creating a next generation of biogeochemical trait-based meta-omics models by considering their respective traits. Such novel meta-omics-enabled approaches aim to improve the monitoring and prediction of ocean processes while respecting the complexity of the planktonic system.
[299][300] Using omics data with marine phytoplankton [301]
As an example of how omics data can be used with marine phytoplankton to inform Earth system science, metatranscriptome sequences from natural phytoplankton communities were used to help identify physiological traits (cellular concentration of ribosomes and their rRNAs) underpinning adaptation to environmental conditions (temperature). A mechanistic phytoplankton cell model was used to test the significance of the identified physiological trait for cellular stoichiometry. Environmental selection in a trait‐based global marine ecosystem model was then linking emergent growth and cellular allocation strategies to large‐scale patterns in light, nutrients and temperature in the surface marine environment. Global predictions of cellular resource allocation and stoichiometry (N:P ratio) were consistent with patterns in metatranscriptome data
[302] and latitudinal patterns in the elemental ratios of marine plankton and organic matter.
[303] The three‐dimensional view of ribosome shows rRNA in dark blue and dark red. Lighter colours represent ribosomal proteins. Bands above show temperature‐dependent abundance of the eukaryotic ribosomal protein S14.
[302] Microorganismos y cambio climático en biomas marinos y terrestres [6]