Cámaras 3D para conocer los frágiles secretos de las profundidades marinas

Aquí, los ctenóforos nadan moviendo sus relucientes hileras de peine, las colonias de clones de sifonóforos se extienden hasta treinta metros de largo y los larváceos gigantes secretan elaboradas estructuras mucosas.

Estos extraños habitantes de las aguas intermedias, que también se conocen como la zona crepuscular, son notoriamente difíciles de estudiar. Sus cuerpos son tan insustanciales que capturarlos se ha comparado con intentar atrapar la niebla en una red y luego introducirla en un frasco. Incluso si se consigue capturar algún espécimen intacto, se suele disolver en los conservantes.

Pero los dos nuevos sistemas de imágenes desarrollados por el equipo del Instituto de Investigación del Acuario de la Bahía de Monterey (MBARI) en Califo ia (EE UU) prometen por fin volver tangibles a estas criaturas intangibles. Los sistemas, denominados DeepPIV y EyeRIS, crean representaciones en 3D de estos seres gelatinosos y pueden captar cada característica de un animal en una escala milimétrica: la estructura de los órganos inte os, incluso los alimentos que se mueven a través de su tracto digestivo. El equipo de MBARI cree que esas imágenes ayudarán a los investigadores a describir estas especies frágiles y también a reducir tiempo entre el descubrimiento de una nueva criatura y su introducción oficial a la ciencia, que, según un estudio de 2012, tarda una media de 21 años.

En una expedición que se llevó a cabo en agosto de 2021 con el Schmidt Ocean Institute frente a la costa de San Diego (EE UU), MBARI envió estas dos herramientas, junto con un aparato especializado de muestreo de ADN, a cientos de metros de profundidad para explorar las aguas intermedias. Los investigadores usaron las cámaras para escanear al menos dos criaturas sin nombre, un nuevo ctenóforo y un sifonóforo.

Las imágenes exitosas fortalecen la idea de que los holotipos virtuales -especímenes digitales, y no físicos- pueden servir como base para la definición de una especie cuando no sea posible su captura. Históricamente, el holotipo de una especie ha sido un espécimen físico, meticulosamente capturado, preservado y catalogado: un rape flotando en un frasco de formaldehído, un helecho prensado en un libro victoriano o un escarabajo clavado en la pared de un museo de historia natural. Los futuros investigadores pueden aprender de ellos y compararlos con otros especímenes.

Pero algunos científicos creen que los holotipos virtuales -modelos 3D de los ejemplares- son la mejor oportunidad para documentar la diversidad de la vida marina, parte de la cual está al borde de perderse para siempre. Sin una descripción de la especie, los científicos no pueden monitorear las poblaciones, identificar los posibles peligros o impulsar las medidas de conservación.

“El océano está cambiando rápidamente: la subida de las temperaturas, la disminución del oxígeno, la acidificación…”, explica  Allen Collins, experto en medusas de la Oficina Nacional de Administración Oceánica y Atmosférica (NOAA) del Museo Nacional de Historia Natural del Instituto Smithsonian. “Todavía existen cientos de miles de especies por nombrar, quizás incluso millones, y no podemos permiti os esperar”, añade.

Medusas en cuatro dimensiones

Los científicos marinos que investigan las criaturas gelatinosas de las aguas intermedias han experimentado ante sus ojos la desaparición de ejemplares de especies potencialmente nuevas. Collins recuerda haber intentado fotografiar ctenóforos en el laboratorio húmedo de un barco de investigación de la NOAA frente a la costa de Florida: “En unos pocos minutos, debido a la temperatura, la luz o la presión, comenzaron a desmoronarse. Sus partes empezaron a caerse a pedazos. Fue una experiencia horrible”, explica.

En principio, Kakani Katija, bioingeniera de MBARI e ideóloga de DeepPIV y EyeRIS, no buscaba resolver este problema. “DeepPIV fue desarrollado para observar la física de fluidos”, explica. A principios de la década de 2010, Katija y su equipo estudiaban cómo se alimentaban por filtración las esponjas marinas y querían encontrar una forma de seguir el movimiento del agua captando las posiciones tridimensionales de las partículas diminutas suspendidas en ella.

Más tarde se dieron cuenta de que ese sistema también se podría usar para escanear de manera no invasiva los animales gelatinosos. Mediante un potente láser colocado en un vehículo operado a distancia, DeepPIV ilumina cada vez una sección transversal del cuerpo de la criatura. “Lo que obtenemos es un vídeo, y cada secuencia se recopila en forma de múltiples imágenes estáticas”, resalta Joost Daniels, uno de los ingenieros que trabaja en el laboratorio de Katija para perfeccionar DeepPIV. “Al tener tantas imágenes, nuestro trabajo no es muy diferente de cómo la gente analizaría las tomografías computarizadas o las resonancias magnéticas”, añade.

DeepPIV produce un modelo 3D fijo, pero los biólogos marinos querían observar las criaturas de las aguas intermedias en movimiento. Por eso Katija, el ingeniero de MBARI Paul Roberts y otros miembros del equipo crearon un sistema de cámara panóptica denominado EyeRIS que detecta no solo la intensidad sino también la direccionalidad precisa de la luz en una escena. Un conjunto de microlentes entre la lente de la cámara y el sensor de imagen divide el campo en múltiples ópticas, como si se tratara de la visión fragmentada de una mosca doméstica.

Las imágenes sin procesar de EyeRIS se parecen a lo que vemos cuando nos quitamos las gafas 3D durante una película: múltiples versiones desplazadas del mismo objeto. Pero, si se ordenan por profundidad, las imágenes se integran en vídeos tridimensionales delicadamente representados, lo que permite a los investigadores observar cómo se comportan las medusas y los movimientos de propulsión a chorro que realizan.

¿Qué vale una imagen?

A lo largo de las décadas, los investigadores han intentado en ocasiones describir nuevas especies sin un holotipo tradicional: una mosca-abeja sudafricana con solo fotos de alta definición, un búho críptico con fotos y grabaciones. Eso solía provocar el enfado de algunos. En 2016, por ejemplo, cientos de investigadores firmaron una carta defendiendo el valor sagrado del holotipo tradicional.

Pero en 2017, la Comisión Inte acional de Nomenclatura Zoológica, el organismo que regula cómo se deben describir las especies, emitió una aclaración sobre sus reglas en la que establecía que las especies se sí pueden clasificarse sin un holotipo físico en aquellos casos en los que la recogida no sea factible.

En 2020, Collins, junto con su equipo, describió un nuevo género y especie de ctenóforos, basándose en un vídeo de alta definición. (Duobrachium sparksae, como fue bautizado, se parece a una especie de pavo asado con serpentinas colgando de sus muslos). Lo sorprendente fue que no hubo quejas de los taxónomos. Fue una victoria para los defensores de los holotipos digitales.

Collins señala que las técnicas de visualización del equipo MBARI fortalecen los holotipos digitales, porque se aproximan más a los estudios anatómicos detallados que los científicos pueden llevar a cabo en los especímenes físicos.

En paralelo, también está cogiendo impulso un movimiento para digitalizar los existentes holotipos físicos. La investigadora de invertebrados de aguas intermedias y conservadora de anélidos y peracáridos (animales mucho más sustanciales y fáciles de recoger que las medusas de aguas intermedias) en el Museo Nacional de Historia Natural de Smithsonian, K8182011">Karen Osbo  afirma que la pandemia ha puesto de manifiesto la utilidad de los holotipos digitales de alta fidelidad. Innumerables expediciones de campo se han tenido que paralizar por las restricciones a los viajes, y los investigadores de anélidos y peracáridos “no han podido entrar [al laboratorio] y observar ningún espécimen”, explica Osbo , por lo que actualmente no pueden describir nada de los tipos físicos. Sin embargo, el estudio a través de la colección digital está en auge.

Con un escáner micro-CT, los científicos del Smithsonian han dado a los investigadores de todo el mundo acceso a especímenes de holotipos en forma de “reconstrucciones 3D detalladas”. Cuando recibe una solicitud de muestra, que generalmente supone enviar por correo el holotipo de un valor incalculable, con riesgo de daño o pérdida, Osbo primero ofrece el envío de una versión virtual. Aunque la mayoría de los investigadores se muestran escépticos al principio, “casi siempre nos responden: sí, no necesitamos la muestra. Tenemos toda la información necesaria”.

“EyeRIS y DeepPIV nos brindan una manera de documentar cosas in situ, que es aún mejor”, añade Osbo . Durante las expediciones de investigación, esta experta ha visto el sistema en acción en larváceos gigantes, pequeños invertebrados cuyos intrincados “palacios de mocos” de mucosidad secretada, nunca habían podido ser estudiados íntegramente antes de contar con DeepPIV.

Katija resalta que el equipo de MBARI está considerando las formas de mode izar la descripción de especies en la línea de Foldit, el popular proyecto de ciencia ciudadana en el que los “jugadores” usan una plataforma similar a un videojuego para determinar la estructura de las proteínas.

Con el mismo espíritu, los científicos ciudadanos podrían ayudar a analizar las imágenes y los escaneos tomados por los ROV. “Con Pokémon Go la gente deambulaba por sus barrios en busca de cosas inexistentes”, recuerda Katija, quien se pregunta si no podría aprovecharse toda esa energía para hacer que la gente buscara cosas desconocidas para la ciencia.