Sondeando el mar profundo

Características

Peter Girguis investiga la vida en el fondo del océano

por Veronique Greenwood

Mayo-Junio ​​2023

Los gusanos tubícolas gigantes absorben sustancias químicas de un respiradero hidrotermal a 6200 pies de profundidad en el Golfo de California (el laboratorio de Girguis es mundialmente conocido por la investigación de estos gusanos).

Fotografía cortesía del Schmidt Ocean Institute

Los gusanos tubícolas gigantes absorben sustancias químicas de un respiradero hidrotermal a 6200 pies de profundidad en el Golfo de California (el laboratorio de Girguis es mundialmente conocido por la investigación de estos gusanos).

Fotografía cortesía del Schmidt Ocean Institute

En un espacio subterráneo cavernoso detrás de los Laboratorios Biológicos de Harvard, el bioquímico Peter Girguis frunce el ceño ante el recipiente a presión que tiene en la mano. El cilindro de titanio maquinado, del tamaño aproximado de una prensa francesa, brilla mientras trabaja para soltar la tapa, y se ríe de su propia terquedad. Probablemente podría encontrar una herramienta para aflojarlo, comenta. Pero Girguis tiene una tranquila seguridad en sí mismo en torno a los objetos físicos más característicos de los mecánicos de aviones en overol que de los bioquímicos. Con un movimiento de su muñeca, la gorra sale. Las paredes del recipiente resultan tener casi una pulgada de grosor, el espacio interior es del tamaño de un frasco de mermelada. Este verano se convertirá en el hogar de una especie de caracol de aguas profundas recogido por un vehículo operado por control remoto a tres millas de profundidad, donde la presión es de aproximadamente 3,200 libras por pulgada cuadrada. La presión en la superficie es de apenas 15 libras por pulgada cuadrada, cómoda para los humanos, pero inhóspita para las criaturas de las profundidades, por lo que en su barco de investigación, Girguis y sus colegas tienen alrededor de 45 minutos para recrear la presión de las profundidades marinas en el recipiente y llénelo con sulfuro de hidrógeno, oxígeno y otros elementos esenciales antes de que el caracol comience a morir. Una vez que estabilizan las condiciones en la embarcación, tienen un fragmento compacto y casi intacto de un ecosistema tan alejado del nuestro que, durante mucho tiempo, hubo pocas formas de estudiarlo directamente.

Peter Girguis sobre tierra firme en el laboratorio

Fotografía por Jim Harrison

Girguis, profesor de biología orgánica y evolutiva, ha pasado casi tres décadas trabajando para comprender las comunidades que se reúnen en los respiraderos hidrotermales. Alrededor de las fisuras en el fondo del océano donde estos géiseres de agua caliente y acre emanan, una vida extraña hace su hogar: caracoles con patas de hierro, gusanos tubícolas que digieren sulfuro de hidrógeno, bacterias que viven dentro de estas criaturas o por sí mismas en el fondo marino. Los recipientes a presión y los sistemas que los mantienen en funcionamiento, junto con otras herramientas que Girguis ayudó a inventar, han contribuido a su renombre como uno de los investigadores más creativos del océano. Con ellos, explora cómo los organismos de aguas profundas pueden vivir de la energía contenida en las rocas, cómo logran fijar el carbono de manera tan eficiente como las plantas y qué significa eso para la vida en este planeta y en otras partes del sistema solar.

Este verano, Girguis y su tripulación llevarán los recipientes a presión al mar en un nuevo laboratorio portátil, un contenedor de envío lleno de equipos y asegurado a la cubierta del barco de investigación del Schmidt Ocean Institute. Julio y agosto los encontrará frente a la costa de Costa Rica y más al sur, en Galápagos, donde el fondo del océano se enturbia con fumarolas hidrotermales, llenando el vacío.

Arriba: una inmersión remota en Emery Knoll, un arrecife de aguas profundas frente al sur de California, revela cangrejos, esponjas y corales. Abajo: un raro avistamiento del enorme pulpo de siete brazos, Haliphron atlanticus

Fotografías cortesía del Schmidt Ocean Institute

En la década de 1970, cuando Girguis crecía en Downey, California, los exploradores del vacío hablaban del espacio. Downey fue la sede de Rockwell International, un contratista del transbordador espacial. Los padres de Girguis, un bioquímico (su padre) y una ingeniera aeroespacial (su madre), que habían emigrado de Egipto, se mudaron allí porque ella trabajaba para Rockwell. "Vivía a dos cuadras de la tienda de excedentes de Rockwell International, donde vendían fragmentos de naves espaciales y lo que sea en un momento en que podías hacer eso", recuerda Girguis. "Así que mi sótano tiene fragmentos de naves espaciales que he transportado, para disgusto de mi compañero".

Girguis se describe a sí mismo como un niño ansioso. Tenía dificultades para leer y sus padres no siempre estaban atentos a las normas sociales que definían la vida de un niño estadounidense. Enviaron a su hijo a la escuela con ropa formal, que contrastaba con los Levi's de sus compañeros. Cuando fue a la UCLA en 1989, tuvo problemas con las clases de pre-medicina, pero cuando tropezó con la oceanografía, su destino estaba sellado. Le encantaba la extrañeza extraterrestre de las profundidades del océano, especialmente alrededor de los respiraderos hidrotermales que los científicos, que descendían en la diminuta cámara del sumergible Alvin de la Marina de los EE. UU., habían estado explorando desde 1977.

En los respiraderos hidrotermales, donde la luz del sol nunca penetra, las criaturas viven en la oscuridad total. Construyen sus cuerpos y existen de maneras que parecen tener poco en común con los habitantes de los reinos iluminados por el sol. Los seres humanos y la mayoría de los demás animales dependen de la energía del sol, comen plantas o las especies que se alimentan de ellas y respiran los productos de la fotosíntesis; Los habitantes de los respiraderos extraen la energía del planeta, calentado por el núcleo fundido de la Tierra y alimentado por extrañas reacciones entre el agua de mar y la roca.

Girguis rastrea parte de su motivación para convertirse en científico en el programa de televisión Star Trek: The Next Generation. Sentado hoy en su oficina en Harvard, rodeado de libros y modelos del cohete Saturno V y un barco ballenero, se ríe. "Por vergonzoso que sea admitirlo, fue una gran parte de mi decisión dedicarme a la ciencia", dice. "Porque de ese programa de televisión, realmente me enamoré de la idea de que comprender el mundo que te rodea es quizás el mayor privilegio que puedes tener".

Arriba: un paisaje de chimeneas hidrotermales. Abajo: centollos y esponjas en Emery Knoll. Los huevos de rayas son visibles en primer plano.

Fotografías cortesía del Schmidt Ocean Institute

En UC Santa Barbara (UCSB) en 1995, Girguis se convirtió en estudiante de posgrado en el laboratorio de James Childress, que estudia el metabolismo de las criaturas marinas. Childress estaba trabajando en una versión inicial de los recipientes a presión, y Girguis, que puede diseñar cualquier herramienta que sea necesaria para lograr su objetivo, hizo que el sistema funcionara. Su primer objetivo: los gusanos tubícolas gigantes, Riftia pachyptila, que crecen en los respiraderos en ramilletes de largos tubos blancos bordeados de penachos carmesí. Trabajando desde un barco de investigación en East Pacific Rise, trajo a las delicadas criaturas. "Fue uno de los primeros en salir al mar como estudiante de posgrado y mantenerlos con vida en el laboratorio de la UCSB", recuerda Victoria Orphan, geobióloga de Caltech que también era estudiante en Santa Bárbara en ese momento. "Fue muy emocionante ver a estos animales traídos de regreso al campus".

Los gusanos tubícolas no tienen boca, ni ano, ni tracto digestivo. En 1981, Colleen Cavanaugh, profesora de biología orgánica y evolutiva en Harvard, y sus colegas postularon que reciben su energía del metabolismo de las bacterias que viven dentro de sus tejidos. Los científicos sabían que las bacterias simbiontes consumían sulfuro de hidrógeno corrosivo de los conductos de ventilación, junto con dióxido de carbono y oxígeno. Pero los gusanos muertos revelaron poco sobre su funcionamiento interno.

En UCSB, Girguis monitoreó el oxígeno, el sulfuro de hidrógeno y el dióxido de carbono que consumieron los gusanos vivos que trajo de las profundidades. Publicó los primeros datos sobre qué proporciones de cada sustancia usaba su inusual metabolismo, iniciando el proceso de apertura de la caja negra. Y descubrió que los gusanos bombeaban protones fuera de sus cuerpos a un ritmo que no se veía en ningún otro lugar del reino animal, una forma de controlar su acidez. Los métodos de Girguis permitieron una avalancha de nuevas investigaciones sobre los gusanos, incluida la revelación de que Riftia se protege del sulfuro de hidrógeno con una proteína que se une a él en su torrente sanguíneo y lo transporta a sus simbiontes.

Arriba: erizos de mar cruzando Lasuen Knoll, frente a la costa de California. Abajo: un coral blando en forma de hongo con pólipos de alimentación extendidos en el monte submarino Davidson, a una profundidad de 4.800 pies.

Fotografías cortesía del Schmidt Ocean Institute

Luego, en el Instituto de Investigación del Acuario de la Bahía de Monterey, un centro de investigación oceanográfica sin fines de lucro en California, trabajó con el microbiólogo Edward DeLong en el cultivo de otro conjunto de organismos extremos en el laboratorio: microbios de aguas profundas que comen metano. "Tenía este dispositivo loco, casi Rube-Goldberg, en la cámara frigorífica con estas grandes columnas de sedimento. Esto requería mucho cuidado", recuerda Orphan. "Fue un trabajo de amor, pero lo logró. No había una hoja de ruta para esto. Pero tomó los principios básicos de la ingeniería y construyó un dispositivo para recrear condiciones importantes para comprender la fisiología de los microbios".

Hace mucho tiempo que se sabe más o menos cómo respiran y comen los habitantes de la superficie. Pero comprender los misteriosos organismos del fondo del océano es explorar otro camino que ha tomado la vida, dictado por los desafíos de un entorno extraño. Su existencia tiene implicaciones para la supervivencia humana: los sedimentos de las profundidades oceánicas son el mayor depósito de metano del planeta, que, cuando se libera a la atmósfera, es un agente de calentamiento 25 veces más potente que el dióxido de carbono. El metano burbujea de los respiraderos hidrotermales y sus contrapartes más frías, el frío se filtra, incesantemente, pero muy poco escapa al océano. Los microbios que Girguis recogió con un robot sumergible en el Cañón de Monterey, y sus vecinos, ciertas especies de gusanos tubulares y otros, tienen una extraña habilidad para devorarlos. La vida alrededor de los respiraderos y las filtraciones protege los ecosistemas terrestres al secuestrar el 90 por ciento del metano circulante que, de otro modo, podría subir a la superficie y contribuir al calentamiento global.

Arriba: el laboratorio portátil en cubierta. Medio: Girguis trabajando en un equipo. Abajo: recuperando el módulo de aterrizaje ABISS en la cubierta de popa del buque de investigación Falkor.

Fotografías cortesía del Schmidt Ocean Institute

Con el sistema que construyó Girguis para hacer crecer los microbios comedores de metano, los científicos pudieron estudiarlos en la superficie durante meses, una gran hazaña. "Siempre he admirado a Pete no solo por su genial ciencia, sino también por su talento en ingeniería técnica", dice Orphan. "Habilita todo el campo haciendo lo que hace".

Aunque faltan meses para el próximo crucero de investigación, en High Bay de Harvard, un acelerador de partículas fuera de servicio que sirve como garaje para parafernalia científica, el laboratorio de alta presión está rodeado de cajas repletas de equipos. Se llega a través de un laberinto de contenedores junto a un telescopio gigante que viaja regularmente a la Antártida: "los juguetes de otras personas", dice Jessica Mitchell, investigadora postdoctoral en el laboratorio de Girguis que está a cargo de los sistemas del laboratorio de presión.

En el contenedor, notas adhesivas rosadas salpican las paredes. Pronto vendrá alguien para construir más estanterías para los recipientes que albergarán gusanos tubícolas, caracoles y mejillones traídos de las profundidades. Cuando todo esté listo, las paredes del contenedor estarán revestidas con recipientes a presión, tanques de agua de mar y gases, todo el aparato necesario para mantener los recipientes habitables. En el centro, al estilo de una cocina de galera, los científicos trabajarán hombro con hombro y espalda con espalda, ajustando los niveles de presión, tomando muestras del tejido de los animales y organizando experimentos. La propia Mitchell es investigadora de gusanos tubícolas y se centra en la simbiosis entre los gusanos y sus bacterias. Pero en un crucero, todos colaboran para traer de vuelta a las criaturas con vida.

Los buques de investigación generalmente cuentan con personal y son operados por una fundación o una institución, con científicos de varios laboratorios diferentes que se unen durante varias semanas a la vez. La vida a bordo del barco es intensa. "La gente simplemente trabaja todo el día", dice Jacob Winnikoff, un investigador postdoctoral financiado por la NASA en el laboratorio que estudia bacterias adaptadas a la presión. "Es un entorno de trabajo de alto riesgo". Con solo semanas para recopilar especímenes y datos para estudiar más tarde, posiblemente durante varios años, los científicos trabajan cada momento de vigilia. Operan sumergibles a control remoto, extraen ADN, guardan muestras en refrigeradores, solucionan problemas de plomería. "La cantidad de plomería que hacemos en este laboratorio: creo que casi cualquier persona que pasa [aquí] se convierte en una especie de plomero", dice Jennifer Delaney, gerente del laboratorio Girguis. La reina de la logística, habla con las autoridades portuarias, se encarga de la seguridad, compra seguros, empaca y envía equipos. Es un laboratorio de ciencias, sí. Pero también es una tripulación de exploradores que se preparan para su expedición anual a lo desconocido.

Arriba: el módulo de aterrizaje ABISS en el fondo del océano (capturado por el ROV Subastian). Abajo: el ROV Subastian recupera una chimenea de carbonato del fondo del océano cerca de Point Dume, California.

Fotografías cortesía del Schmidt Ocean Institute

"Realmente descubres quiénes son las personas cuando estás en esos cruceros", dice Steve Haddock, biólogo marino del Instituto de Investigación del Acuario de la Bahía de Monterey. Girguis mantiene su entusiasmo bajo presión, dice Haddock, quien lo conoce desde que eran estudiantes juntos en UCSB. "Es un poco más grande que la vida, a veces parece un personaje de un libro de cuentos, como si hubiera salido de las páginas de una novela".

La colección de máquinas de Girguis se destaca en los cruceros. Después de llegar a Harvard en 2005, terminó de desarrollar un espectrómetro de masas submarino, un dispositivo que detecta gases disueltos en el agua de mar, y lo usó para hacer mapas de filtraciones de metano y dióxido de carbono en el fondo del océano, descubriendo que cambian y se mueven. tiempo. Construyó un dispositivo para analizar isótopos bajo el agua; construyó otro para monitorear el agua de mar en el fondo del océano durante meses. Cada vez que despliega un nuevo instrumento, lo comparte. Él estima que ahora hay al menos 10 espectrómetros de masas submarinos en todo el mundo que se basan en su diseño, lo que permite mapear las filtraciones del fondo marino en lugares que el propio Girguis probablemente nunca visitará.

Eso importa porque el océano sigue siendo esencialmente un desconocido. Como suele decir Girguis, por área de superficie, el océano profundo es el 80 por ciento del espacio habitable del planeta, incluso si no es habitable para la mayoría de las formas de vida. El cambio climático amenaza algunos de los procesos más básicos del océano, por ejemplo, volviendo el agua tan ácida que las ostras y los corales no pueden formar conchas, y es una pregunta abierta cómo eso cambiará las partes aún inexploradas. Cuantos más científicos del océano puedan hacer uso de los inventos de Girguis para comprender sus profundidades más lejanas, siente, mejor.

El ritmo de Girguis como investigador solo es igualado por la diversidad de sus actividades. Desde 2005, han surgido descubrimientos de su laboratorio, no solo información sobre la bioquímica de las criaturas de las profundidades marinas, sino también avances en el análisis de genomas, nuevas formas de observar el fondo del mar, ideas para diminutas celdas de combustible que se basan en microbios, planes para un observatorio submarino que algún día podría instalarse en el océano de una luna joviana.

Los gusanos tubulares de Riftia, que él y otros han descubierto en los años transcurridos desde que recolectó sus primeras muestras, llevan oxígeno, dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno a sus simbiontes a través de su sangre. Los simbiontes desencadenan reacciones que involucran a esos tres componentes que producen energía y azúcares. "En ese momento, los simbiontes filtran comida a sus gusanos", dice Girguis, liberando los azúcares y el amonio en los cuerpos de los gusanos tubícolas. Las células de los gusanos consumen los azúcares y usan el amonio para ensamblar aminoácidos, los componentes básicos de las proteínas. Al estudiar gusanos vivos, lo que comen y excretan y cómo expresan sus genes, Girguis y sus colegas han abierto la caja negra.

Además, descubrieron que los animales de las profundidades marinas son espectacularmente efectivos para consumir y fijar dióxido de carbono, un proceso que, en tierra, es principalmente dominio de las plantas. Este verano, con el espectrómetro de masas, Girguis espera rastrear el consumo de carbono en comunidades enteras de aguas profundas, para calcular cuánto son capaces de secuestrar. "Tengo el presentimiento, basado en nuestros datos, de que estos ecosistemas son más productivos, lo que significa que fijan más carbono que la mayoría, si no todos, los ecosistemas fotosintéticos, por metro cuadrado", dice. Además, planea usar esa información para calcular cuánta vida puede sustentar cada unidad de energía producida por un respiradero. "La NASA nos ha financiado a mí y a mis colegas para pensar qué tan grande podría ser una biosfera en las lunas oceánicas de Júpiter y Saturno", dice, "donde estamos bastante seguros de que hay respiraderos hidrotermales".

La amplitud de estos temas refleja sus intereses, pero también los de sus estudiantes de doctorado, investigadores posdoctorales y científicos del personal. Andrea Unzueta Martínez, una postdoctoral en el laboratorio, estudió las ostras, lejos de ser un organismo de aguas profundas, pero ella y Girguis comparten un interés en los microbiomas de las criaturas marinas, que él la animó a explorar. "Él es un gran apoyo", dice ella. "Me siento visto... por él y amplificado".

Quizás parte de lo que hace que el laboratorio se sienta acogedor es la afición de Girguis por los gestos exagerados. El laboratorio es conocido por sus épicas tarjetas navideñas, que muestran una deliciosa falta de vanidad. El año pasado, los científicos se disfrazaron de los Muppets. Ian Hughes, ahora un estudiante de posgrado, deambulaba por los pasillos, aún indeciso sobre a qué laboratorio unirse, cuando se encontró con esa tarjeta navideña, impresa y pegada en la pared. "Cualquier laboratorio con un cajón de disfraces, probablemente será divertido", recuerda haber pensado. De hecho, dos grandes contenedores de plástico con disfraces y una pantalla verde improvisada adornan el comedor del laboratorio. En 2022, los científicos interpretaron personajes de El Señor de los Anillos. Unzueta Martínez era Arwen, Hughes era Boromir y Girguis, por supuesto, era Gandalf.

En High Bay, Girguis se entretiene, describiendo cómo se verá el laboratorio de presión terminado cuando una grúa puente lo levante en un camión que lo llevará al mar. Eventualmente, el contenedor llegará a Costa Rica en el buque de investigación Falkor (también), y el equipo volará para recibirlo en el puerto de Puntarenas. Mira hacia el techo, donde una calcomanía de una orca se extiende a lo largo del contenedor. "Decidieron darle una orca, creo que porque una vez mencioné que me gustan las orcas", dice tímidamente. "Está un poco fuera de lugar, ¡pero estaremos bien!"

Este verano, en el haz de luz que arroja un sumergible, verá una vez más los tubos blancos sobrenaturales donde viven los gusanos tubícolas, sus frondas rojas se balancean suavemente. Los caracoles pasarán rodando y la luz jugará sobre los mejillones agrupados en rocas que humean y burbujean. Quizás la lava enfriada de una erupción profunda haya cubierto el fondo del océano, cambiando el paisaje por completo. Tal vez él y su equipo detecten nuevas fuentes de metano y encuentren nuevas comunidades reunidas para consumirlo. Allí abajo, visitará el otro mundo en el que piensa durante sus horas en la superficie: el planeta alienígena que es una parte poco explorada del nuestro.

Veronique Greenwood es una periodista científica que ha escrito anteriormente para esta revista sobre la mancha roja de Marte y la raza en el lugar de trabajo.