Traducción al español a continuación.
This expedition is in collaboration with the Galápagos National Park, Charles Darwin Foundation, and the local navy, INOCAR.
Why study hydrothermal vents? One reason is that vents show us how the Earth’s activities influence ecosystems, and how ecosystems in turn affect the Earth. We often find ourselves asking “chicken and egg”-type questions about biogeochemical systems, that is, which component is the cause, and which is the effect. For example, Earth-derived elements and chemicals provide direct energy sources for a diverse array of microorganisms and consequently, the metabolisms of these microbes transform the Earth’s largely inorganic emissions into organic compounds which can fuel other forms of life. Thus, hydrothermal vents create transformations that cascade into a range of other marine ecosystems. Though the causal relationship is clear in this scenario, the ripple effects of a shift in one component, such as the metabolism of microbes, upon others, and vice versa, remain a mystery worth exploring.
Toxicity is one of the deceptively simple concepts behind cause-and-effect relationships around hydrothermal vents. In the context of a whole ecosystem, especially one so diverse as a vent field, it is nearly impossible to come up with an element or compound that can broadly be called “toxic.” It is often said that “the dose makes the poison,” which is true, in a sense, but equally important are the organism receiving the dose and the specific chemical form of the agent in question.
Hydrogen sulfide is a classic paradoxical “poison” that comes from vents. It permeates membranes and disrupts the same process within the cell that cyanide does. In near-coastal systems, hydrogen sulfide is known for causing fish kills. At vents, on the other hand, it is an essential energy source – food, essentially for tube worms, clams, and mussels. These animals have evolved ways to contain the toxin in specialized parts of their bodies. Consider for comparison how our own digestive tracts have evolved to contain corrosive stomach acid.
Transition metals, such as manganese, iron, cobalt, copper, and zinc, are substances that tend to be toxic as free ions, yet are largely inert when sequestered as minerals – their chemical context has a strong effect on biology. In fact, when they are complexed with the right organic molecules, transition metals can actually serve as essential micronutrients for certain organisms.
If, for example, the organisms that utilize these potential toxins to their benefit were to change in abundance, the downstream cascading effects would certainly be evident. The reverse would be true if the elements changed in abundance. When evaluating these relationships, it is important to consider not only dose, but environment as hydrothermal vents are dynamic environments even at microscopic timescales. A challenge faced by researchers is measuring the right components at the relevant spatial scales to discern the association between ecosystem elements.
Many of us on the Western Galapagos expedition conduct both fieldwork and lab work. For us, intriguing correlation in the field will usually result in the design of experiments to consider whether a claim of causation is warranted. In field-based research, even perfect site selection will still usually result in multiple variables that could cause a result- in the lab, variables can be removed until a specific relationship is tested.
On this cruise, we’ll be conducting co-located geologic, geochemical, biogeochemical, microbiological and macrofaunal analyses in an attempt to further untangle some of these relationships. We’ll also be conducting some initial ship-based experiments. Understanding how abiotic and biotic components affect each other can be a difficult bismuth, however advances in science and technology which allow for more extensive ocean exploration and carefully designed experiments can bring us closer to unraveling these mysteries of cause and effect in hydrothermal ecosystems.
Causa y efecto: cómo los elementos del ecosistema se afectan entre sí
¿Por qué estudiar las fuentes hidrotermales? Una de las razones es que los respiraderos nos muestran cómo las actividades de la Tierra influyen en los ecosistemas y cómo éstos, a su vez, afectan a la Tierra. A menudo nos planteamos preguntas del tipo “el huevo y la gallina” sobre los sistemas biogeoquímicos, es decir, qué componente es la causa y cuál el efecto. Por ejemplo, los elementos y productos químicos derivados de la Tierra proporcionan fuentes directas de energía a una gran variedad de microorganismos y, en consecuencia, los metabolismos de estos microbios transforman las emisiones de la Tierra, en gran parte inorgánicas, en compuestos orgánicos que pueden alimentar otras formas de vida. Así pues, las fuentes hidrotermales generan transformaciones que afectan en cascada a otros ecosistemas marinos. Aunque la relación causal está clara en este escenario, los efectos dominó de un cambio en un componente, como el metabolismo de los microbios, sobre otros, y viceversa, sigue siendo un misterio que merece la pena explorar.
La toxicidad es uno de los conceptos engañosamente sencillos que subyacen a las relaciones causa-efecto en torno a los respiraderos hidrotermales. En el contexto de todo un ecosistema, especialmente uno tan diverso como un campo de respiraderos, es casi imposible dar con un elemento o compuesto que pueda calificarse a grandes rasgos de “tóxico”. A menudo se dice que “la dosis hace el veneno”, lo cual es cierto, en cierto sentido, pero igualmente importantes son el organismo que recibe la dosis y la forma química específica del agente en cuestión.
El sulfuro de hidrógeno es un clásico “veneno” paradójico que procede de los respiraderos. Permea las membranas e interrumpe el mismo proceso dentro de la célula que el cianuro. En los sistemas cercanos a la costa, el sulfuro de hidrógeno es conocido por causar la muerte de peces. En los respiraderos, por el contrario, es una fuente de energía esencial – alimento, esencialmente para los gusanos tubícolas, las almejas y los mejillones. Estos animales han desarrollado formas de contener la toxina en partes especializadas de sus cuerpos. A modo de comparación, pensemos en cómo ha evolucionado nuestro tracto digestivo para contener el ácido estomacal corrosivo.
Los metales de transición, como el manganeso, el hierro, el cobalto, el cobre y el zinc, son sustancias que tienden a ser tóxicas como iones libres, pero son en gran medida inertes cuando se secuestran como minerales: su contexto químico tiene un fuerte efecto sobre la biología. De hecho, cuando forman complejos con las moléculas orgánicas adecuadas, los metales de transición pueden servir de micronutrientes esenciales para determinados organismos.
Si, por ejemplo, los organismos que utilizan estas toxinas potenciales en su beneficio cambiaran en abundancia, los efectos en cascada aguas abajo serían ciertamente evidentes. Lo contrario ocurriría si los elementos cambiaran en abundancia. Al evaluar estas relaciones, es importante tener en cuenta no sólo la dosis, sino también el entorno, ya que las fuentes hidrotermales son entornos dinámicos incluso a escalas de tiempo microscópicas. Un reto al que se enfrentan los investigadores es medir los componentes adecuados en las escalas espaciales pertinentes para discernir la asociación entre los elementos del ecosistema.
Muchos de los que formamos parte de la expedición a las Galápagos Occidentales realizamos tanto trabajo de campo como de laboratorio. Para nosotros, una correlación intrigante sobre el terreno suele desembocar en el diseño de experimentos para determinar si está justificada una afirmación de causalidad. En la investigación sobre el terreno, incluso una selección perfecta del emplazamiento suele dar lugar a múltiples variables que podrían causar un resultado; en el laboratorio, las variables pueden eliminarse hasta que se comprueba una relación específica.
En este crucero, llevaremos a cabo análisis geológicos, geoquímicos, biogeoquímicos, microbiológicos y de macrofauna en un intento de desentrañar algunas de estas relaciones. También realizaremos algunos experimentos iniciales a bordo. Comprender cómo los componentes abióticos y bióticos se afectan mutuamente puede ser una tarea difícil, pero los avances de la ciencia y la tecnología, que permiten una exploración oceánica más amplia y experimentos cuidadosamente diseñados, pueden acercarnos a desentrañar estos misterios de causa y efecto en los ecosistemas hidrotermales.
