Jul 08, 2015
Fitoplancton, la planta unicelular de la legión que recorre el océano del planeta, es la base oculta del mar y el cielo. Conforma la base de muchas cadenas alimentarias marinas y también es un importante productor de oxígeno y un verdadero medio de absorción de carbono.
El fitoplancton y las plantas marinas producen cerca del 50 por ciento del oxígeno del mundo a través del proceso de la fotosíntesis. El fitoplancton también juega un papel importante en la capacidad del océano para transferir un estimado de 5 a 15 megatoneladas de dióxido de carbono en la atmósfera desde la superficie hasta el interior cada año.
Sin embargo, el fitoplancton es frágil, fácilmente dañado por la sobreexposición a la luz ultravioleta. A medida que temperaturas globales más altas traen tormentas más fuertes y frecuentes, el fitoplancton se agita hacia la superficie con más frecuencia, aumentando su exposición a los rayos ultravioleta que dañan el ADN. El fitoplancton quemado por el sol no pasa por el proceso de la fotosíntesis adecuadamente, lo que resulta en una disminución de la capacidad para liberar oxígeno y absorber carbono. Esto tiene un impacto global negativo a la luz de la investigación que sugiere que el ciclo del carbono del océano puede eliminar tanto como la mitad de todas las emisiones de dióxido de carbono producidas por el hombre de la atmósfera.
El fotobiólogo del Smithsonian Pat Neale ha estudiado la fotosíntesis en el plancton por más de 30 años, en el Centro de Investigación Ambiental del Smithsonian (SERC) en la bahía de Chesapeake Bay en Maryland así como en las aguas alrededor del continente antártico. Su trabajo ayuda a establecer una línea base de cómo los diferentes niveles de exposición a rayos ultravioleta reducen o inhiben los sistemas fotosintéticos del fitoplancton, y por lo tanto, su eficacia como productores de oxígeno y absorbentes de carbono.
"La zona polar recibe mucho interés por parte de las personas que están interesadas en el cambio climático global, ya que son los primeros en responder, debido a que se encuentran al filo del cambio climático", dice Pat. “Los cambios climáticos afectará esa zona primero. Nuestros experimentos fueron dirigidos hacia la obtención de una mejor idea de cómo los rayos ultravioleta están afectando al fitoplancton polar y su productividad en la Antártida”.
El fitoplancton ocupa una capa relativamente estrecha por debajo de la superficie del océano, que varía en profundidad desde unos pocos metros en las aguas costeras turbias a cientos de metros en medio del océano claro. Gran parte de esta capa es lo suficientemente profunda para protegerlo de los rayos ultravioleta. La mezcla de océanos o la agitación vertical de aguas profundas cuando el viento sopla sobre la superficie de la tierra es un proceso marino normal y el plancton está adaptado para reparar niveles moderados del daño de los rayos ultravioleta ocasionado a través de la exposición regular. Pero a medida que los cambios del clima y la mezcla alterada de océanos elevan el plancton a la superficie más a menudo, sus mecanismos de reparación y fotosíntesis se ven alterados.
"Si la agitación sucede a menudo que no tiene tiempo para recuperarse antes de que ocurra otra exposición, se puede intensificar el efecto de inhibición", dice Pat. "Los modelos que obtenemos usando el superordenador nos permiten simular de forma realista el movimiento que se produce en la capa superficial mezclada en la que habita el plancton de una manera que no podemos hacer en la vida real, ya que no podemos etiquetar el fitoplancton para ver lo que ocurre con las células individuales".
En asociación con John Cullen y Michael Lesser en el laboratorio Bigelow de Ciencias Oceánicas en Boothbay Harbor, Maine, Pat desarrolló un aparato experimental conocido como Photoinhibitron. Conocido en todo el laboratorio como "La bestia", expone de forma simultánea 120 muestras diferentes de fitoplancton en distintos niveles de radiación ultravioleta; los métodos anteriores sólo permitían que un puñado de muestras fueran irradiadas a la vez. Después de mucha iteración, Neale ha creado una amplia base de datos de los efectos de exposición conocidos que él y otros investigadores pueden comparar con las mediciones de campo. Y uno de los mejores lugares para buscar fitoplancton se encuentra en uno de los entornos más extremos del planeta: La Antártida.
Este continente helado y sus océanos han sido durante mucho tiempo un destino para la investigación internacional sobre el fitoplancton. Designado por un tratado internacional como un recurso de investigación científica, las aguas allí contienen algunas de las concentraciones más altas de fitoplancton en el mundo debido al nitrógeno, fósforo y acumulación de hierro de las corrientes oceánicas globales. Las proliferaciones estacionales de plancton producen grandes cantidades de oxígeno y consumen igualmente grandes cantidades de carbono.
Desde los centros de investigación en Nueva Zelanda, Chile y Argentina, así como a bordo del rompehielos de la Fundación Nacional para la Ciencia, Nathaniel B. Palmer, Pat ha estado recogiendo muestras y realizando pruebas en el mar de Ross de la Antártida desde la década de 1990. Su más reciente expedición en 2006 añade otra serie de resultados de campo que, junto con el trabajo de laboratorio en curso, han permitido el desarrollo de modelos matemáticos que predicen diferentes niveles de actividad del fitoplancton sólo mediante el uso de medidas de niveles de rayos ultravioleta en la atmósfera.
A bordo de Palmer, los científicos de diferentes nacionalidades pudieron usar tres dispositivos de fotoinhibición de Pat para llevar a cabo la investigación para sus propios estudios. La cooperación continua entre científicos de todas las nacionalidades es esencial para llevar a cabo investigaciones como la de Pat, que realmente tiene implicaciones globales.
"Nuestro trabajo [en la Antártida] ayuda a crear modelos que proyectan las clases de producción del fitoplancton que podemos esperar para diferentes escenarios del cambio climático", dice Pat. "La investigación sobre el cambio climático global es una iniciativa inherentemente internacional y la cooperación internacional es necesaria para cualquiera que trabaje en la Antártida".
La capacidad del fitoplancton y otras formas de vida vegetal marina para ayudar a eliminar el carbono de la atmósfera se conoce como la bomba biológica de carbono, uno de los diversos procesos químicos y biológicos que interactúan para impulsar el ciclo del carbono oceánico. Para retirar y retener el carbono, el fitoplancton extrae dióxido de carbono disuelto fuera del mar y, a través de la fotosíntesis, divide las moléculas de carbono y oxígeno. Las plantas liberan oxígeno, pero usan las moléculas de carbono para mantener y reponer las estructuras celulares. Parte del carbono sube en la cadena alimenticia ya que los animales consumen plancton, pero la mayor parte cae en el fondo del mar como desperdicio.
"El océano absorbe el dióxido de carbono, pero sólo es disuelto en el agua. Incluso si se pudiera mágicamente disminuir el dióxido de carbono en la atmósfera, el océano producirá más", dice Pat. "La única manera de extraer el dióxido de carbono del océano es ponerlo en algo que va a hundirse y ser enterrado en el sedimento”.
Pero a medida que los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera aumentan, la acidez del océano también lo hace, lo que puede limitar aún más la capacidad del fitoplancton para eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera. El trabajo de Pat ayuda a sacar a la luz factores que pueden contribuir a la reducción del ciclo de carbono en los océanos.
"La respuesta del fitoplancton en el océano es muy importante ya que está involucrado en el ciclo del carbono, que ayuda a regular la atmósfera", explica Pat. "Cualquier cambio en la producción del fitoplancton tendrá algunas consecuencias. No sabemos exactamente cuáles son, pero nuestra contribución es mejorar la comprensión de cómo el fitoplancton responde a diferentes factores".
