¿Qué es el microscopio submarino bentónico?

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Por: Andia Chaves Fonnegra

El Microscopio Submarino Bentónico o MSB (En Inglés “Benthic Underwater Microscope o BUM”) es un instrumento que permite tomar imágenes y videos microscópicos de diversos organismos del bentos (aquellos que habitan el fondo de los ecosistemas acuáticos) a una resolución cercana al micrómetro (que equivale a una milésima parte de un milímetro). Es el primer instrumento capaz de obtener imágenes microscópicas bajo el agua sin necesidad de colectar muestras, por esto se le considera un método no invasivo (1). Imagen del MSB por Mullen y colaboradores (2016).

 

Este microscopio fue desarrollado por Mullen y colaboradores en el 2016, y este artículo de divulgación se basa en el artículo publicado por estos autores en Nature Communications (1). Imágenes y videos son presentados con permiso de los autores.

Con este artículo comenzamos la temporada de BIOGENIC sobre nuevas tecnologías y descubrimientos.

 

¿CÓMO PERMITE EL MSB HACER NUEVOS DESCUBRIMIENTOS?

• El MSB permite a los investigadores hacer observaciones sub-acuáticas in situ (= en el lugar donde los organismos se encuentran)

• EL MSB permite estudiar procesos a micro-escala (nivel celular) de actividades biológicas, cómo por ejemplo la muerte de los pólipos de corales. Igualmente se puede estudiar la competencia entre organismos bentónicos como lo son corales, esponjas, ascidias y algas, y así entender cómo la competencia puede estructurar patrones a escalas mayores, como, por ejemplo, la diversidad en arrecifes de coral

• EL MSB obtiene imágenes en series de tiempo que permiten revelar actividades y procesos que ocurren en lapsos muy largos y a una velocidad muy lenta. Lo que significa que por primera vez se puede estudiar el comportamiento animal de organismos que no se desplazan, pero que tienen movimiento, como los pólipos de un coral. Permitiendo así visualizar y estudiar procesos nunca antes vistos

 

¿CUÁLES SON LAS PARTES DEL MSB?

EL MSB está formado por tres componentes ópticos (Figura 1):

1. Lentes objetivos de trabajo de larga distancia.
2. Lentes enfocables eléctricos (ETL).
3. Luz enfocable que emite diodos (LEDs) y que provee iluminación por reflexión.

Éstos tres elementos están integrados dentro un sistema compacto que es usado por buzos y que incluye una cámara, un sistema eléctrico y una interface. El instrumento está dividido en dos “housings (= carcasas)”: la unidad de imagen que contiene todos los componentes ópticos, y la unidad de control que contiene un computador y una interface de buceo en vivo (Figura 1a, b).

Figura 1. Diseño y funcionamiento del MSB. a) componentes internos del MSB b) componentes internos de la unidad de control, c) Un buzo demostrando como opera el MSB bajo el agua usando una distancia mínima de 465 mm de cercanía al organismo, d) Imagen cercana del MSB frente a una colonia de coral. Barra de escala = 50 mm (a,b,d). Imagen tomada y traducida de Mullen y colaboradores (1). Dale click sobre Figura 1 para verla en mayor resolución.

Los lentes objetivos de trabajo de larga distancia proveen la magnificación y la apertura numérica necesaria para resolver los detalles finos, así como la distancia de trabajo necesaria para obtener imágenes por medio de un puerto óptico mientras el objeto a observar no es tocado.

El microscopio está equipado con objetivos de magnificación de 3X o 5X. El objetivo de 5X puede obtener una resolución bajo el agua de 2.2 μm con un 1.62×1.36 mm de campo de vista, mientras que el objetivo de 3X obtiene una resolución de 3.1 μm con 2.65×2.22 mm de campo de vista. Cada objetivo provee una distancia de trabajo mayor a 65 mm desde el puerto óptico, lo que permite posicionar el instrumento y tomar imágenes sin tocar al objeto a fotografiar y el ambiente que lo rodea.

Para obtener un enfoque rápido, un ETL (= echo train lenght) deformable ha sido incorporado dentro del sistema óptico. Este lente consiste en una membrana de polímero flexible que contiene un fluido óptico. Un accionador integrado produce presión en el fluido óptico para rápidamente cambiar la curvatura de los lentes y la longitud focal con ajustes de tiempo de menos de 2.5 mili-segundos (1).

Estos componentes permiten obtener imágenes a micro-escala bajo el agua y superar varios retos como son:

• La obtención de imágenes con enfoque preciso bajo el agua
• La obtención de imágenes de manera no invasiva, es decir sin cortar el tejido ni lastimar los organismos 
• Permite obtener imágenes de organismos vivos con una estructura tridimensional

 

¿QUÉ TIPO DE INFORMACIÓN SE OBTIENE CON EL MICROSCOPIO?

El microscopio MSB ha permitido recientemente observar detalles anatómicos de organismos vivos. Inicialmente se ha usado para tomar imágenes de pólipos de coral y de sus algas simbióticas unicelulares o dinoflagelados, comúnmente llamadas zooxantelas, permitiendo visualizar el blanqueamiento coralino en vivo (Figura 2).

 

Figura 2. Imágenes obtenidas con el MSB por Mullen et al 1. a-b) imágenes de dos áreas en una colonia de coral de Porites compressa en proceso de blanqueamiento, Maui, Hawaii. En a) se muestra un blanqueamiento parcial, en b) un blanqueamiento casi completo, y en c) colonia de coral completamente blanqueada (sin zooxantelas), como resultado el coral tiene una apariencia translúcida, aunque los pólipos están aún vivos. Barras de escala grandes =500 μm, escalas pequeñas= 50 μm. Dale click sobre Figura 2 para verla en mayor resolución.

 

Así mismo, el microscopio permite obtener videos en series de tiempo que permiten registrar procesos a micro-escala y revelar fenómenos nuevos. Por ejemplo, del comportamiento de los corales, que nunca antes se había visto a este nivel de detalle, como son los procesos de alimentación y competencia entre pólipos.

Ver video de competencia entre corales en este link: https://www.nature.com/articles/ncomms12093#s1. Los filaméntos mesentéricos son liberados y usados como mecanismo de defensa.

En este proceso los investigadores han capturado un comportamiento nunca antes visto, llamado “besos de coral” en el que los pólipos conectan sus aperturas gastrovasculares periódicamente y probablemente intercambian contenidos. Esta actividad tiende a ocurrir después de capturar plancton para alimentarse (Ver videos de los besos de coral y otros videos en: www.nature.com/articles/ncomms12093#s1. También los puedes ver en la página web de BIOGENIC: http://www.biogeniccolombia.org/nuestros-artiacuteculos-de-temporada

 

¿CÓMO PUEDE AYUDAR EL MSB A AVANZAR LA INVESTIGACIÓN?

El MSB ofrece una plataforma para el desarrollo tecnológico, ya que se pueden incorporar diseños a futuro que permitan obtener más información de fenómenos físicos y biológicos a micro-escala. Por ejemplo, se podría incorporar detectores de fluorescencia para medir niveles de clorofila y eficiencia de la fotosíntesis. Igualmente, se podrían incorporar un velocímetro en el MSB para medir dinámica de fluidos a pequeña escala; indicadores ópticos para medir variables químicas; y la posibilidad de usar las imágenes para modelamientos en tercera dimensión. De esta manera el microscopio permitirá llevar análisis de laboratorio directamente bajo el agua y así conectar estudios teóricos y de laboratorio directamente con procesos en el hábitat natural (1).

 

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GLOSARIO
 
Ascidia:  Clase de animales pertenecientes al subfilo Urochordata, en estadio larval presentan un tubo neural (notocorda), tubo nervioso dorsal y hendiduras faríngeas, caracteres que definen a los cordados (filo Chrodata).
Alga: Plantas acuáticas que viven en los fondos marinos.
Bentos: Comunidad formada por los organismos que habitan el fondo de los ecosistemas acuáticos.
Carcasa: conjunto de piezas duras y resistentes, que dan soporte (si son internas) o protegen (si son externas) a otras partes de un equipo.
Coral: son animales coloniales, salvo excepciones, pertenecientes al filo Cnidaria, que presentan dos capas de tejido.
Esponja: son animales invertebrados acuáticos pertenecientes al filo Porifera. Son mayoritariamente marinos y filtradores, sésiles y carecen de auténticos tejidos.
Cavidad Gastrovascular: cavidad digestiva con una sola abertura, característica de los cnidarios (medusas, hidras, corales) y ctenóforos (peines de mar, nueces de mar).
Plancton: conjunto de organismos, principalmente microscópicos, que flotan en aguas saladas o dulces.
Pólipo de Coral: tejido del coral formado por tentáculos, que tiene una cavidad gastrovascular y células especializadas para extraer carbonato de calcio disuelto en el mar y depositarlo bajo el pólipo.
Zooxantela: organismos simbióticos de varios animales marinos y de protistas. Por lo general son algas dinoflageladas.

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Referencia

(1)   Mullen, A. D.; Treibitz, T.; Roberts, P. L.; Kelly, E. L.; Horwitz, R.; Smith, J. E.; Jaffe, J. S. Underwater microscopy for in situ studies of benthic ecosystems. Nature communications 2016, 7.