How Do You Explore An Underwater Forest?

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Theme song by Destin Heilman

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ERIC: From the Museum of Science in Boston, this is Pulsar, a podcast where experts answer questions from you, our audience. I'm your host, Eric. Thanks to Facebook Boston for supporting this episode of Pulsar.

We received a question from David about an amazing discovery that was recently in the news, off of the Gulf Coast of Alabama: an ancient forest that has been submerged beneath the waves for thousands of years.

This find has brought together scientists and engineers from many different fields interested in studying its unique ecosystem, including our guest today, Dan Distel from Northeastern University. Dr. Distel, thanks so much for joining us.

DAN: My pleasure. Glad to be here.

ERIC: So we want to talk about some of the animals involved in this discovery. So why don't we start with your background, and how you started to study these animals.

DAN: I am a marine biologist, but my specialty Is understanding how marine animals and bacteria interact in positive ways.

So, in most cases, for animals we're familiar with, vertebrates that live on land, if you have bacteria inside yourselves, you're in trouble. It turns out that with many marine invertebrates, things like bivalves, clams, a variety of marine worms, they tend to form symbiotic associations with bacteria. In the case of the invertebrates, the bacteria actually go inside their cells, but they don't kill the animal, they actually help them.

So my background, I began studying deep sea hydrothermal vents, which are these volcanic hot springs on the sea floor. And they have a whole group of marine animals that live around them, that use, very toxic chemicals from the effluent of those vents, those volcanic hot springs, they have bacteria that help them convert those toxic compounds into food.

And that's what these animals live on. So I started studying that, but through my career I learned about these shipworms and realized, hey, they live in shallow water, they're much easier to get to. You don't need submarines and you don't need to go down two thousand meters. And it's turned out to be very, very exciting.

These shipworms have kept me busy for over 20 years, and we're still only getting started.

ERIC: And this underwater forest is the super unique habitat. Why don't we go back to the beginning, can you tell us the story of its discovery?

DAN: Yeah, it's an interesting story and it goes way back.

It turns out that this forest probably existed along the coast of Alabama, that's 60,000 years ago. But at that time sea level was about 60 feet lower than it is today. So over time that forest got swallowed up as sea level rose and it got covered with sediments.

And it stayed that way for tens of thousands of years. Then about 14 years ago, there was a major hurricane in the Gulf of Mexico, and it produced waves up to about nearly 100 feet. When you get waves that big, it turns up the bottom. And when that happened, it exposed some of the parts of this ancient forest.

But it didn't get noticed for a while. It wasn't until some fishermen began noticing that they were getting really good catches in a particular location and they started to wonder why. So they hired a local diver, and he went down and looked around. And the first thing he saw, he described it as it looked like a coral reef.

They were these large structures and they were all covered with anemones, and there's fish swimming around them, and crabs, and all kinds of sea life. But when he got up closer, he realised that these weren't coral heads, which would have been a surprise in that location. But they're actually big tree stumps.

ERIC: And your team was part of an expedition in December of 2019. To have divers recover samples of woods so that you could study them in the lab. So can you tell us how that went.

DAN: Yeah, that was a great expedition, but it almost went very badly.

When you do this kind of work, you're subject to all kinds of things, like weather. And we planned months and months in advance, and we shipped all our stuff out to, we went to the Dauphin Island sea lab, which is a marine lab, there on the coast. And it just turned out that as we arrived, a major storm was moving in.

So, we were able to push our first dive a day ahead of what we previously planned to do. And it was really lucky that we did, because that was the only day the weather was good enough, that we were able to get out to the site. The conditions were awful.

It was dark, and rainy, and big waves, and the bottom was really turned up so the divers could barely see the site. They couldn't even see each other. In fact, one of our divers said, the way that he found the bottom, so he is following the line down that had a weigh at the end, and when his facemask hit the bottom, that's when he found it.

They were able to collect literally doing it by feel, and they were able to bring up enough wood that we could bring it back to the Dauphin Island sea lab. And that kept us busy all week.

ERIC: Now a forest that's been underwater for tens of thousands of years: why does that make a unique habitat that you really want to study?

DAN: There's not been much research on this kind of site. Usually, when wood enters the ocean, it's relatively small pieces, a single log or a tree branch, sometimes a ship, all right? Sometimes a wooden boat sinks, and that's a major source of wood on the sea floor.

But this was a really big source of wood on the seafloor, so we didn't know exactly what we would find.

ERIC: So actually getting your hands on this wood material in the lab, what did you find?

DAN: What we found was interesting. We found three different species of what are known as shipworms.

And not actually worms, although they look just like worms, they're clams. And they burrow into wood and they eat wood. And they're one of the very few animals in the world, really, that are known to be able to live with wood as its main source of nutrients. On land we all are familiar with termites, but not much else eats wood.

Sometimes people call shipworms the termites of the sea.

ERIC: So finding these new species of shipworms, besides the discovery of a new animal, why else is it really exciting?

DAN: Our goal in this project was to isolate bacteria from these ship worms. The reason is, most animals that are able to eat wood or anything made of cellulose, which is wood, and pretty much all plant matter is mostly made of cellulose.

Most animals can't digest cellulose, but with the help of bacteria that make proteins called enzymes, these proteins help break down the wood, and help the animal digest it. We were very interested in isolating these bacteria and learning. (A) How they help the animal breakdown the wood. And (B) We actually found out in some previous studies, that these bacteria can make certain useful compounds like antibiotics.

So we're very interested to see what antibiotics they can make.

ERIC: Now, it sounds very unusual to be looking for new antibiotics at the bottom of the Gulf of Mexico, inside a bacteria, inside a shipworm. But most of our existing antibiotics come from places just like that in nature, right?

DAN: That's exactly right. Actually, almost all antibiotics come from bacteria. And they're found in a lot of places, mostly on land and soil, for example. But more and more we're finding new drug lead compounds in marine organisms. And there's more and more interest in looking in the oceans for these kind of compounds.

ERIC: Well, that's really exciting. Are there any other things we could learn by studying this ecosystem?

DAN: Another application that's kind of cool is, these animals are able to break down the cellulose in wood and turn it into sugar. But it turns out that wood is really abundant in the world.

It's the most common type of biological material on the planet. And so there's a lot of wood waste, and paper waste, and cardboard, all these things are made of cellulose. It makes up a large amount of material that goes into landfills and waste dumps. So if you could break that stuff down into sugar, it's very easy to turn sugar into alcohol.

Fermentation is the oldest technology known to man. And once you have alcohol that can be used as a renewable fuel. And so that's another potentially really valuable use of the information that we get from these animals.

ERIC: Well, it sounds like there's a lot more to be learned from this underwater forest.

Does your team have plans to go back and continue exploring?

DAN: Yes, we do. We are still trying to figure that out, because we're in the middle of a pandemic, and we're hoping to go back in the fall. But if we can't do that in person, we're looking at various creative ways to work.

We may send a remotely operated vehicle that's operated from the surface. And see if we can map the site that way. And we also are trying another approach, which is to put down what we call baits. These are pieces of wood that we tie to an anchor, and we put down at the site and then we have divers, collect those and mail them back to us.

ERIC: So not exactly a traditional fishing expedition. Have you tried this before? Does it work?

DAN: That's a different kind of fishing. That's right. We tried it on our first expedition to see what would happen and it was too successful. By the time we have the divers collect the wood again, about six months.

There was almost nothing left. They were almost completely eaten. Next time we're gonna try two months.

ERIC: Let's finish by talking about the team. What's it like to bring so many different types of scientists, and engineers, and diving experts together to help each other study this ecosystem?

DAN: We have a great group of people.

Many of us have been working together for over 10 years on similar projects like this. But it's really helpful to have scientists with different backgrounds, because when you get out to the site, there's so much to see. And different people see it in a completely different way. We have a group from the University of Utah that's working with us.

Their expertise is in microbiology, and also in biological chemistry. So they do the drug discovery research. And then we also have our collaborators from Northeastern University. They include Mark Patterson, who does a lot of work with robotics and remote observation of the sea floor. And so he's the one with these remotely operated vehicles.

And then we have Brian Helmuth. Brian studies how organisms interact with the environment. He's particularly interested in questions relating to climate change. This is kind of an interesting scenario in the climate change perspective, because as the world warms, we're gonna see more rising sea levels. And we're gonna see more wood from the land, and more forest getting submerged in the ocean.

So wood is gonna play a larger and larger role in coastal ecosystems as the climate changes. So that's really exciting to have Brian on board. And then of course, the people in my group. We study these shipworms and their bacteria, and we're very interested in how the animals and bacteria can work together in positive ways.

And of course the support from the staff, the divers at Dauphin Island Sea Lab. They're really great group of people. So, all in all, it's been really fun, and exciting, and a real learning experience for all of us.

ERIC: Well, Dr. Distel, thanks so much for telling us all about this project, and we look forward to hearing some updates from your team in the future.

DAN: My pleasure.

ERIC: If you'd like to have one of your questions answered by a visiting expert or a Museum of Science educator, you can email them to sciencequestions@mos.org. If you enjoyed this episode of Pulsar, don't forget to subscribe on the Apple Podcast app or on Spotify, as well as leaving a rating or review for us.

That's it for this episode of Pulsar. Join us again soon.

Español

ERIC: Desde el Museo de Ciencias de Boston, esto es Pulsar, un podcast donde expertos responden a las preguntas de nuestra audiencia. Soy su presentador, Eric. Gracias a Facebook Boston por patrocinar este episodio de Pulsar.

Recibimos una pregunta de David acerca de un increíble descubrimiento que salió recientemente en las noticias, en la costa del golfo de Alabama, un bosque que ha estado sumergido bajo las olas por miles de años.

Este descubrimiento ha reunido a científicos e ingenieros de diferentes campos interesados en estudiar este ecosistema único, incluyendo a nuestro invitado del día de hoy, Dan Distel, de la Universidad del Nordeste. Dr. Distel, gracias por acompañarnos el día de hoy.

DAN: Es un placer. Encantando de estar aquí.

ERIC: Queremos hablar de algunos de los animales implicados en este hallazgo.

Entonces, por qué no comenzamos con sus antecedentes y cómo comenzó a estudiar estos animales.

DAN: Soy biólogo marino, pero mi especialidad es investigar cómo la fauna marina y las bacterias interactúan de forma positiva. En la mayoría de los casos, para los animales con los que estamos familiarizados, vertebrados terrestres, si tienes bacterias dentro de ti, estás en problemas.

Resulta que con muchos invertebrados marinos, como los bivalvos, almejas, muchas especies de gusanos marinos, ellos tienden a desarrollar asociaciones simbióticas con las bacterias. En el caso de los invertebrados, las bacterias de hecho penetran sus células, pero no matan al animal, sino que lo ayudan. Mis antecedentes, comencé estudiando fuentes hidrotermales de aguas profundas, las cuales son estos manantiales termales en el lecho marino.

Y tienen todo un grupo de animales marinos que viven alrededor de ellas que usan químicos muy tóxicos de los efluentes de esas fuentes, de esos manantiales volcánicos, tienen bacterias que los ayudan a convertir esos compuestos químicos en alimento. Y de eso es lo que viven estos animales. Así que comencé estudiando eso, pero durante mi carrera, aprendí sobre estas bromas y pensé, viven en aguas poco profundas, son mucho más fáciles de encontrar.

No necesitas submarinos ni necesitas descender 2.000 metros. Y resultó ser muy interesante. Estas bromas me han mantenido ocupado por más de 20 años y apenas estamos comenzando.

ERIC: Y este bosque submarino es un hábitat excepcional. ¿Por qué no volvemos al comienzo? ¿Nos puede contar la historia de este descubrimiento?

DAN: Sí, es una historia interesante y se remonta a hace mucho. Resulta que este bosque probablemente existía a lo largo de la costa de Alabama, eso es hace 60.000 años. Pero en esa época, el nivel del mar era 18 metros más bajo de lo que es hoy en día.

Con el tiempo, ese bosque fue quedando sumergido por el nivel del mar y se cubrió de sedimentos. Y se quedó así por decenas de miles de años. Entonces, hace unos 14 años, hubo un gran huracán en el golfo de México y produjo olas de casi 30 metros. Cuando tienes olas tan grandes, se remueve el fondo, y cuando eso ocurrió, expuso algunas de las partes de este antiguo bosque.

Pero no se notó por un tiempo. No fue hasta que unos pescadores se comenzaron a dar cuenta de que estaban teniendo muy buenas capturas en una ubicación en particular y comenzaron a preguntarse por qué. Así que contrataron a un buzo local y se sumergió a ver. Y lo primero que vio, lo describió como si fuera un arrecife de coral.

Tenía estas grandes estructuras y todas estaban cubiertas con anémonas y había peces nadando y cangrejos y todo tipo de vida marina. Pero cuando se acercó más, se dio cuenta de que no eran corales, que hubiera sido una sorpresa en ese lugar, sino que en realidad eran tocones de árboles.

ERIC: Y su equipo fue parte de una expedición en diciembre de 2019, con buzos que recolectaron muestras de madera para estudiarlas en el laboratorio. ¿Nos podría contar cómo fue eso?

DAN: Sí, esa fue una gran expedición, pero casi sale muy mal. Cuando haces este tipo de trabajo, eres susceptible a todo tipo de cosas, como el clima.

Y planeamos con muchos meses de anticipación y enviamos todas nuestras cosas, fuimos al laboratorio de Dauphin Island, que es un laboratorio marino en la costa. Y resultó que cuando llegamos, se estaba acercando una gran tormenta. Pudimos adelantar nuestra primera inmersión un día antes de lo que habíamos planificado.

Y fue realmente afortunado que lo hiciéramos, porque ese fue el único día que el clima estuvo lo suficientemente bueno para poder llegar al sitio. Las condiciones eran terribles. Estaba oscuro, lluvioso y había grandes olas, y el fondo estaba muy revuelto, así que los buzos apenas podían ver el sitio.

Ni siquiera se podían ver el uno al otro. De hecho, uno de nuestros buzos contó que la manera cómo encontró el fondo fue que estaba siguiendo una línea que tenía un peso al final y cuando su máscara tocó el fondo, ahí fue cuando lo encontró. Pudieron recolectar literalmente con el tacto, y pudieron traer suficiente manera como para llevarla al laboratorio de Dauphin Island.

Y eso nos mantuvo ocupados toda la semana.

ERIC: El bosque ha estado bajo el agua por decenas de miles de años. ¿Por qué eso lo convierte en un hábitat único que quiere estudiar?

DAN: No ha habido mucha investigación en este tipo de sitio. Normalmente, cuando la madera ingresa al océano, son pedazos relativamente pequeños, un solo tronco o una rama, a veces un barco, ¿cierto?

A veces un barco de madera se hunde y esa es una fuente importante de madera en el lecho marino. Pero esta era una fuente de madera realmente grande en el lecho marino, así que no sabíamos exactamente lo que encontraríamos.

ERIC: Una vez que estaba analizando esta madera en el laboratorio, ¿qué encontró?

DAN: Lo que encontramos fue interesante. Encontramos tres especies distintas de lo que conocemos como bromas. Y realmente no son gusanos, aunque parecen gusanos, son almejas. Y cavan en la madera y se la comen. Y son uno de los pocos animales conocidos en el mundo que son capaces de vivir de la madera como su principal fuente de nutrientes.

En tierra, todos conocemos a las termitas, pero no hay muchos más que coman madera. A veces la gente llama a las bromas las termitas del mar.

ERIC: Así que encontrar estas nuevas especies de bromas, además del descubrimiento de un nuevo animal, ¿por qué más es emocionante?

DAN: Nuestro objetivo en este proyecto era aislar las bacterias de estas bromas.

La razón es que la mayoría de los animales que pueden comer madera o cualquier cosa hecha de celulosa, que es madera y casi toda la materia vegetal está compuesta por celulosa. La mayoría de los animales no pueden digerir celulosa, pero con la ayuda de bacterias que generan proteínas llamadas enzimas, estas proteínas ayudan a descomponer la madera y ayudan al animal a digerirla.

Estamos muy interesados en aislar estas bacterias y aprender, A, cómo ayudan al animal a descomponer la madera; y B, en estudios previos encontramos que estas bacterias pueden producir ciertos compuestos útiles como antibióticos. Así que estábamos muy interesados en ver qué antibióticos pueden producir.

ERIC: Parece muy inusual buscar nuevos antibióticos en el fondo del golfo de México, dentro de una bacteria, dentro de una broma.

Pero la mayoría de los antibióticos existentes vienen de lugares como esos en la naturaleza, ¿cierto?

DAN: Eso es totalmente correcto. De hecho, casi todos los antibióticos provienen de bacterias y se se consiguen en muchos lugares, principalmente en la tierra y el suelo, por ejemplo. Pero cada vez más estamos encontrando nuevos compuestos farmacológicos en organismos marinos.

Y cada vez hay más interés en buscar este tipo de compuestos en los océanos.

ERIC: Eso es realmente fascinante. ¿Hay alguna otra cosa que podamos aprender estudiando este ecosistema?

DAN: Otra aplicación que también es genial es que estos animales pueden descomponer la celulosa en la madera y convertirla en azúcar.

Pero resulta que la madera es bastante abundante en el mundo. Es el tipo de material biológico más común en el planeta. Y tenemos mucho desperdicio de madera, y de papel y de cartón, todas estas cosas están hechas de celulosa, lo que constituye una gran cantidad de material que termina en vertederos y basureros.

Si pudieras descomponer todo eso en azúcar, es mu fácil convertir el azúcar en alcohol. La fermentación es la tecnología más antigua conocida por el hombre. Y una vez que tienes alcohol, este puede utilizarse como combustible renovable. Ese es otro uso potencialmente valioso de la información que tenemos de estos animales.

ERIC: Parece que hay mucho más que aprender de este bosque submarino. ¿Su equipo tiene planes para volver y seguir explorando?

DAN: Sí, así es. Estamos tratando de solucionarlo, porque estamos en medio de una pandemia y esperamos volver en otoño. Pero si no podemos hacerlo en persona, estamos pensando en varias formas creativas de trabajar.

Puede que enviemos un vehículo teledirigido operado desde la superficie y ver si podemos mapear el sitio de esa manera. Y también estamos considerando otro enfoque, que es colocar lo que llamamos carnadas. Son pedazos de madera que atamos a un ancla y los colocamos en el sitio, y luego los buzos los recolectan y nos los envían.

ERIC: No es precisamente una expedición de pesca tradicional. ¿Han intentado esto antes? ¿Funciona?

DAN: Es un tipo de pesca diferente. Así es. Lo intentamos en nuestra primera expedición para ver qué ocurriría y fue demasiado exitoso. Para el momento que los buzos recolectaron la madera de nuevo, como seis meses, ya no quedaba casi nada.

Se los comieron casi por completo. La próxima vez lo intentaremos por dos meses.

ERIC: Concluyamos hablando del equipo. ¿Cómo se siente reunir tantos tipos de científicos, ingenieros y buzos expertos para ayudarse mutuamente a estudiar este ecosistema?

DAN: Tenemos un grupo de personas maravilloso. Muchos de nosotros hemos estado trabajando por más de 10 años en proyectos similares a este.

Pero es muy útil tener científicos con distintos antecedentes, porque cuando llegas al sitio, hay tanto que ver, y distintas personas lo ven de manera completamente diferente. Tenemos un grupo de la Universidad de Utah que está trabajando con nosotros. Su experticia es en microbiología y también en química biológica, así que ellos hacen la investigación del descubrimiento de fármacos.

Y también tenemos nuestros colaboradores de la Universidad del Nordeste. En el equipo está Mark Patterson, que tiene mucha experiencia en robótica y monitoreo remoto del lecho marino. Él es el de los vehículos teledirigidos. Y también tenemos a Brian Helmuth. Brian estudia cómo los organismos interactúan con el entorno.

Él está particularmente interesado en preguntas relacionadas con el cambio climático. Este es un escenario interesante desde la perspectiva del cambio climático, porque a medida que el planeta se calienta, veremos un mayor aumento de los niveles del mar y veremos más madera de la tierra, y más bosques sumergiéndose en el océano.

Así que la madera jugará un papel más importante en los ecosistemas costeros a media que cambie el clima. Por eso es fascinante tener a Brian en el equipo. Y luego, por supuesto, la gente de mi grupo. Estudiamos las bromas y sus bacterias, y estamos muy interesados en cómo los animales y las bacterias pueden trabajar juntos de forma positiva.

Y por supuesto, el apoyo del personal, los buzos del laboratorio de Dauphin Island, son un grupo de personas increíble. En definitiva, ha sido muy divertido y emocionante y una verdadera experiencia de aprendizaje para todos.

ERIC: Dr. Distel, muchas gracias por contarnos todo sobre este proyecto y esperamos escuchar algunas noticias de su equipo en el futuro.

DAN: Es un placer.

ERIC: Si desean que uno de nuestros expertos o educadores del museo responda sus preguntas, pueden enviarlas a sciencequestions@mos.org. Si les gustó este episodio de Pulsar, no olviden suscribirse en Apple Podcast o en Spotify, así como dejarnos una calificación o comentario.

Eso es todo por este episodio de Pulsar. Nos vemos pronto.