As atividades humanas estão mudando o oceano em escala global, com a água do mar em algumas regiões ficando mais quente, mais ácido, e menos bem misturados. Um possível resultado da redução da mistura do oceano é que os nutrientes, que agem como fertilizantes para algas marinhas, pode tornar-se menos disponível perto da superfície do mar.

Muitos pesquisadores estão estudando como essas mudanças podem afetar as algas marinhas microscópicas que fornecem oxigênio para a atmosfera da Terra e formam a base das redes alimentares dos oceanos. Uma coisa que os cientistas sabem com certeza é que os diversos grupos de algas reagem de maneira diferente às variações nas condições do oceano, sazonalmente e em períodos de tempo mais longos. Aprender como esses grupos diferentes respondem é a chave para entender como os ecossistemas oceânicos mudam ao longo de períodos de meses a décadas.

Infelizmente, estudar as respostas de tipos específicos de algas no oceano aberto é muito difícil, porque as condições do oceano estão sempre flutuando, assim como os tipos de algas presentes. Por esta razão, cientistas se voltaram para estudos de laboratório. A maioria desses estudos envolveu o cultivo de algas em culturas de lote. Dentro de tais culturas, as algas crescem rapidamente e se reproduzem, mas então suas populações diminuem à medida que gastam os nutrientes da água circundante. Isso significa que esses experimentos não podem realmente replicar as condições de estado mais estável que costumam ocorrer no oceano aberto.

Por muitos anos, Alexandra Worden, microbiologista do MBARI, e seu grupo de pesquisa têm trabalhado em uma nova maneira de cultivar algas em culturas em estado estacionário, usando câmaras de incubação de alta tecnologia chamadas de "fotobiorreatores". Esses dispositivos permitem que os pesquisadores cultivem algas sob níveis precisamente controlados de luz, temperatura, e nutrientes.

Em um conjunto recente de experimentos, os pesquisadores expuseram as algas a baixas concentrações de nutrientes por semanas a fio. Essas concentrações persistentemente baixas de nutrientes são comuns em algumas partes do oceano, mas não foram testados em experimentos de laboratório anteriores. Os experimentos recentes permitiram aos pesquisadores estudar em detalhes os processos bioquímicos que ajudaram as algas a se aclimatarem a condições de baixo teor de nutrientes. Esses experimentos não teriam sido possíveis usando uma cultura em lote porque as algas teriam morrido gradualmente por falta de nutrientes.

O laboratório de Worden publicou recentemente um artigo em Nature Microbiology descrevendo os resultados de seus experimentos iniciais com foto-biorreator. O primeiro autor no artigo é o ex-MBARI Postdoctoral Fellow Jian Guo. Outros autores incluem um conjunto de colaboradores, incluindo vários autores do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia dos EUA.

Para este estudo, os cientistas cresceram um minúsculo, alga nadadora chamada Micromonas commoda sob condições em que o fosfato, um nutriente chave de algas, foi mantido em níveis relativamente baixos. Este experimento simulou as condições encontradas em algumas áreas de oceano aberto, como o Mar dos Sargaços.

Durante o experimento descrito em seu artigo, os pesquisadores primeiro deram às algas bastante fosfato para que elas crescessem rapidamente. Depois de remover quase todo o fosfato da água, eles aumentaram as concentrações de fosfato apenas o suficiente para manter as algas vivas. Desta maneira, os pesquisadores conseguiram manter o crescimento das algas ao longo de muitos dias em níveis relativamente baixos, mas constante, concentrações de fosfato.

Ao longo de seu experimento, os pesquisadores coletaram pequenas amostras de algas e usaram técnicas genômicas sofisticadas para descobrir quais genes nas algas se tornaram mais ou menos ativos em condições de baixo e alto teor de fosfato. Eles também usaram "análises proteômicas" para estudar mudanças nos tipos de proteínas produzidas pelas algas em diferentes condições.

Como Worden explicou, "Essas células são tão pequenas que não podemos dizer muito olhando através de um microscópio, portanto, os genes e proteínas que eles expressam são nosso gancho para 'visualizar' o crescimento e o estresse no oceano. "

As análises proteômicas ajudaram os cientistas a entender como as mudanças nas concentrações de nutrientes afetam a capacidade da Micromonas de realizar a fotossíntese. Estudos anteriores sugeriram que nutrientes insuficientes podem permitir que a luz solar intensa (como a encontrada na superfície do mar) danifique o aparato fotossintético dentro das células de algas. Mas a nova pesquisa sugere que a Micromonas tem a capacidade de se proteger de tais danos. A alga aparentemente consegue isso usando um conjunto de proteínas pouco conhecido que os pesquisadores esperam estudar mais.

Outra coisa que os pesquisadores descobriram foi que, após o crescimento com suprimentos limitados de fosfato, Micromonas pode se reproduzir rapidamente em 24 horas após encontrar concentrações mais altas de fosfato. Isso sugere que Micromonas pode se recuperar rapidamente da limitação de fosfato - talvez mais rapidamente do que outros tipos de algas. Isso pode ajudar a Micromonas a se ajustar rapidamente às mudanças em seus arredores, ou a ser transportado horizontalmente ou verticalmente pelas correntes oceânicas.

Os pesquisadores observam que algumas das mesmas proteínas que ajudam as algas a crescer em condições limitadas por fosfato também ajudam a proteger as algas das mudanças nos níveis de luz. Isso sugere que os processos pelos quais as algas respondem às mudanças ambientais podem ser mais complicados do que os pesquisadores haviam suspeitado anteriormente.

Cientistas do laboratório de Worden estão expandindo esses experimentos para estudar como as algas marinhas respondem a mudanças em outros nutrientes essenciais, como nitrogênio, bem como os efeitos combinados de mudanças nas concentrações de nutrientes junto com mudanças na temperatura do oceano e dióxido de carbono atmosférico.

"Estamos entusiasmados porque agora entendemos um pouco da biologia celular por trás de como as algas lidam com as mudanças sazonais, "Disse Worden." Isso nos dá uma ideia dos mecanismos que ajudarão as algas a se aclimatarem ou se adaptarem às condições futuras. Essas descobertas nos permitem ir a campo e sondar a experiência em tempo real das algas com muito mais sensibilidade do que jamais foi possível antes. "