El plancton cabalga sobre la turbulencia

El plancton es una parte esencial de la cadena alimentaria del océano. Se compone de muchos microorganismos unicelulares. Dado que sus medios de propulsión no son muy efectivos contra las turbulencias, los especialistas hasta ahora se han considerado satisfechos con nadar lo más verticalmente posible, balanceándose según los movimientos del agua. Pero, ¿puede el plancton hacer un mejor trabajo para llegar a la superficie más rápidamente? Gracias a simulaciones numéricas, Rémi Monthiller, en el laboratorio del IRPHE (Instituto para la Investigación de los Fenómenos de No Equilibrio), en Marsella, y sus colegas sugieren que efectivamente aprovecha la turbulencia para alcanzar una velocidad el doble que con un enfoque más ingenuo. . un sendero.

Muchos organismos planctónicos realizan migraciones verticales en la columna de agua. Por ejemplo, los copépodos, crustáceos de tamaño milimétrico, migran a la superficie por la noche para acceder a un ambiente más rico en alimentos, luego regresan a las profundidades cuando llega el día para esconderse de sus depredadores. Otro ejemplo, durante las diferentes etapas de su desarrollo, particularmente las larvas, el plancton vive a profundidades específicas.

Por lo tanto, el movimiento ascendente es importante en la dinámica del plancton. Sin embargo, muchas de estas especies tienen cilios o flagelos que les proporcionan capacidades de propulsión. Estas estructuras también actúan como mecanosensores que indican la velocidad de la corriente en diferentes puntos del cuerpo. Por lo tanto, es probable que estas especies tengan acceso a información sobre el gradiente de velocidad local. Otros también son sensibles a la gravedad oa las fuentes de luz, lo que les da la capacidad de determinar qué dirección es vertical y, por lo tanto, en qué dirección moverse para llegar a la superficie. Por lo tanto, la pregunta es si el plancton utiliza esta información local (y por lo tanto muy limitada) del gradiente de velocidad para optimizar su dinámica con el fin de alcanzar la superficie más rápidamente.

En los últimos años, el problema se ha abordado utilizando algoritmos de aprendizaje. Se ha demostrado que los nadadores jóvenes pueden desarrollar estrategias de natación a partir de la información del gradiente de velocidad local, pero solo en flujos simples. En entornos turbulentos, las estrategias que adquieren los jóvenes nadadores no siempre son óptimas o fáciles de interpretar.

Rémi Monthiller y sus colegas eligieron un enfoque diferente que consistía en partir de principios físicos para obtener una descripción analítica del problema. La estrategia del nadador es simple: en cada momento, conociendo la dirección vertical y el gradiente de velocidad local, se reorienta para maximizar su velocidad vertical efectiva. El nadador «atrapa» así la corriente más rápida para empujarla hacia arriba. Los investigadores hablan de «montar las olas» cuando ocurre una perturbación.

Al comparar esta estrategia en una simulación numérica con la de un nadador ingenuo que siempre se orienta en la dirección vertical, un surfista puede alcanzar una velocidad efectiva promedio de hasta el doble de esa altura, incluso si su ruta es más larga y sinuosa. Además, la estrategia de navegación se adapta a diferentes condiciones de turbulencia y también es resistente a turbulencias de diferentes orígenes. Este comportamiento puede servir como referencia para mejorar métodos basados ​​en algoritmos de aprendizaje.

¿Algunos organismos planctónicos adoptaron una estrategia que les permitiera manejar la turbulencia y así moverse más rápido? Michele DiBenedetto, de la Universidad de Washington en Seattle, EE. UU., cree que ella y su equipo han observado ese comportamiento en las larvas de caracol marino, y los dos equipos planean unir su experiencia para validar experimentalmente este trabajo.

Comprender el plancton y su dinámica es esencial porque es la base de la dieta de muchos animales marinos. También juega un papel crucial en la modelización del clima. De hecho, secuestra grandes cantidades de dióxido de carbono a través de la fotosíntesis.

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