Traducción al español disponible a continuación
Written by Dr. Colleen Hansel
Life relies on chemistry. For instance, chemical reactions allow animals (including humans) to extract energy from food, for plants to convert carbon dioxide to organic matter, and for fungi to degrade wood. Organisms also produce chemicals to increase the availability of nutrients, repair wounds, and fight off pathogens. One such group of chemicals is reactive oxygen species (ROS), such as hydrogen peroxide and superoxide. These reactive chemicals are produced rapidly and decay just as quickly, making their fleeting existence – on the order of seconds to minutes – extremely difficult to measure – and difficult to understand. Interestingly, these ROS are both beneficial and detrimental to life. All organisms that live in the presence of oxygen produce ROS both inside and outside their cells.
Benthic organisms, like corals, cannot move to find resources or avoid danger and are particularly prone to changes in their surrounding environment. Production of reactive compounds like ROS is therefore essential for their function, health, and growth. The inability to produce or regulate the production of ROS has critical consequences for the survival and resilience of benthic marine life. Yet, due to the elusive nature of these chemicals, and the previous lack of in situ sensors, we know very little about ROS’s role in the health of marine life.
The journey that led our team to this Schmidt Ocean Institute expedition began in shallow coral reef environments nearly ten years ago. Using a handheld ROS sensor, lovingly called DISCO, that we designed with the support of Schmidt Marine Technology Partners, we discovered that shallow scleractinian (stony) corals produced high levels of superoxide outside their cells. A further exciting discovery was that species of shallow corals that are particularly resistant to stress produced much more ROS outside their cells than corals more sensitive to thermal stress and disease.
Like their shallow-water counterparts, deep-sea corals sit on the seafloor, negotiating with the surrounding waters for food and nutrients. It is dark and cold, and food is scarce. These factors led us to wonder whether deep-sea corals also produce ROS. And if so, what role does ROS play in the physiology of deep-sea corals, and is their health intricately linked to their ability to produce ROS in their surrounding environment?
We recently developed SOLARIS, a deep-sea ROS sensor to answer these questions. SOLARIS made its debut deployment on the HOV Alvin in the beautiful Monterey Bay National Marine Sanctuary in 2019. Bad weather thwarted our plans to measure a wide diversity of deep-sea corals and sponges on Davidson Seamount. Yet, we managed to obtain a handful of measurements that revealed surprisingly high levels of superoxide in the deep-sea and species-specific levels of superoxide associated with these organisms as previously seen in shallow corals.
These exciting preliminary data led us to where we are right now – in the mesophotic and deep-sea waters surrounding Puerto Rico. Using SOLARIS mounted on the ROV SuBastian on the R/V Falkor (too), we are measuring ROS associated with a wide diversity of corals and sponges spanning the upper mesophotic to the depths of the sea. This multidisciplinary team will work together to unravel the ecological, evolutionary, and environmental controls on ROS production by corals and sponges, and how these vital chemicals can provide a window into the health of deep-sea habitats.
Introducción a la Expedición: diagnóstico de la salud de los corales de aguas profundas
La vida depende de la química. Por ejemplo, las reacciones químicas permiten a los animales (incluidos los humanos) extraer energía de los alimentos, a las plantas convertir el dióxido de carbono en materia orgánica y a los hongos degradar la madera. Los organismos también producen sustancias químicas para aumentar la disponibilidad de nutrientes, reparar heridas y combatir agentes patógenos. Uno de estos grupos de sustancias químicas son las especies reactivas del oxígeno (ROS), como el peróxido de hidrógeno y el superóxido. Estas sustancias químicas reactivas se producen rápidamente y se descomponen con la misma rapidez, lo que hace que su fugaz existencia -del orden de segundos a minutos- sea extremadamente difícil de medir y de comprender. Curiosamente, estas ROS son beneficiosas y perjudiciales para la vida. Todos los organismos que viven en presencia de oxígeno producen ROS tanto dentro como fuera de sus células.
Los organismos bentónicos, como los corales, no pueden desplazarse para encontrar recursos o evitar peligros y son especialmente propensos a los cambios en el medio que les rodea. Por ello, la producción de compuestos reactivos como las ERO es esencial para su funcionamiento, salud y crecimiento. La incapacidad de producir o regular la producción de ROS tiene consecuencias críticas para la supervivencia y la resistencia de la vida marina bentónica. Sin embargo, debido a la naturaleza escurridiza de estas sustancias químicas y a la falta de sensores in situ, sabemos muy poco sobre el papel de las ROS en la salud de la vida marina.
El viaje que llevó a nuestro equipo a esta expedición del Schmidt Ocean Institute comenzó en entornos de arrecifes de coral poco profundos hace casi 10 años. Utilizando un sensor portátil de ROS, cariñosamente llamado DISCO, que diseñamos con el apoyo de Schmidt Marine Technology Partners, descubrimos que los corales escleractinios (pétreos) poco profundos producían altos niveles de superóxido fuera de sus células. Otro descubrimiento emocionante fue que las especies de corales poco profundos que son particularmente resistentes al estrés producían mucho más ROS fuera de sus células que los corales más sensibles al estrés térmico y a las enfermedades.
Al igual que sus homólogos de aguas someras, los corales de aguas profundas se asientan en el fondo marino, negociando con las aguas circundantes para obtener alimentos y nutrientes. Es oscuro y frío, y la comida escasea. Estos factores nos llevaron a preguntarnos si los corales de aguas profundas también producen ROS. En caso afirmativo, ¿qué papel desempeñan las ERO en la fisiología de los corales de aguas profundas, y está su salud estrechamente vinculada a su capacidad de producir ERO en el medio que los rodea?
Para responder a estas preguntas, hemos desarrollado recientemente SOLARIS, un sensor de ROS para aguas profundas. SOLARIS fue inaugurado en el HOV Alvin en el hermoso Santuario Marino Nacional de la Bahía de Monterey en 2019. El mal tiempo frustró nuestros planes de medir una amplia diversidad de corales y esponjas de aguas profundas en Davidson Seamount. Sin embargo, nos las arreglamos para obtener un puñado de mediciones que revelaron niveles sorprendentemente altos de superóxido en las profundidades marinas y niveles de superóxido específicos para cada especie asociados con estos organismos, como se había visto anteriormente en corales poco profundos.
Estos interesantes datos preliminares nos condujeron a donde estamos ahora: en las aguas mesofóticas y profundas que rodean Puerto Rico. Utilizando SOLARIS montado en el ROV SuBastian en el R/V Falkor (también), estamos midiendo ROS asociados con una amplia diversidad de corales y esponjas que abarcan desde el mesofótico superior hasta las profundidades del mar. Este equipo multidisciplinar trabajará conjuntamente para desentrañar los controles ecológicos, evolutivos y ambientales de la producción de ROS por corales y esponjas, y cómo estas sustancias químicas vitales pueden proporcionar una ventana a la salud de los hábitats de aguas profundas.
