Los límites de la vida



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LOS LÍMITES DE LA VIDA
a) Texto divulgativo
La mayor parte de la vida en el océano tiene su origen en la fotosíntesis que realiza el fitoplancton marino, compuesto por microalgas y cianobacterias fotosintéticas. Durante la fotosíntesis el fitoplancton capta la energía de la radiación solar y consume CO2 para fabricar biomoléculas orgánicas esenciales para la vida. El término producción primaria está íntimamente relacionado con la fotosíntesis y se refiere a la cantidad de carbono procedente del CO2 que es empleado por el fitoplancton, en un determinado periodo de tiempo, para fabricar biomoléculas, es decir la generación de biomasa a partir de CO2. La productividad de las aguas en los mares y océanos, y por tanto la capacidad de éstos para albergar vida, se mide en términos de producción primaria. Las aguas de una determinada región del océano se consideran muy productivas cuando la producción primaria es elevada, albergando estas aguas gran cantidad de fitoplancton (productores primarios) y de zooplancton (productores secundarios). Atendiendo a su productividad las aguas de los mares y océanos se clasifican habitualmente en mesotróficas, oligotróficas y ultraoligotróficas, siendo las aguas últraoligrotróficas las que menos cantidad de vida albergan, en términos de biomasa. Las regiones oligotróficas y ultraoligotróficas se encuentra en las regiones tropicales y subtropicales de los grandes océanos, mientras que las regiones mesotróficas se encuentran a latitudes septentrionales.

Además de la radiación solar y CO2, el fitoplancton al igual que las plantas terrestres necesita nutrientes para su crecimiento. Los principales nutrientes esenciales para el crecimiento del fitoplancton son el nitrógeno (N) y fósforo (P). El N y el P son indispensables para la biosíntesis de aminoácidos, proteínas, fosfolípidos, ácidos nucleicos, y nucleótidos, entre otras biomoléculas. Asumiendo que la composición media de la materia orgánica del fitoplancton se ajusta a la formula C106H175O42N16P, la reacción estequiométrica que describe de forma resumida la fotosíntesis en el océano es:


106 CO2 + 16 HNO3 + H3PO4 + 78 H2O → C106H175O42N16P + 150 O2
Por tanto, la luz junto con la disponibilidad los nutrientes (N, P y Si) determinan crecimiento del fitoplancton y la producción primaria en las diferentes regiones del océano. En la capa superficial del océano la intensidad de la radiación solar disminuye muy rápidamente cuando ésta penetra en el agua de mar. La zona del océano iluminada por la radiación solar se conoce como zona o capa fótica y los límites de la misma se extienden hasta la profundidad donde sólo se detecta el 1% de la radiación solar. Es sólo en esta zona iluminada donde puede crecer el fitoplancton. La profundidad de la capa fótica puede oscilar considerablemente dependiendo de la turbidez de las aguas. Así esta capa puede llegar a alcanzar alcanzar hasta 200 m en zonas ultraoligotróficas y oligotróficas, mientras que en zonas mesotróficas su profundidad es mucho menor.

En la capa fótica del océano los nutrientes disponibles son consumidos rápidamente por el fitoplancton hasta que estos se agotan, debido a este hecho las concentraciones de nutrientes en la capa superficial de océano son generalmente muy bajas. Por debajo de la capa fótica y la termoclina las concentraciones de nutrientes aumentan muy rápidamente debido a los procesos de remineralización de la materia orgánica, mediante los cuales las bacterias oxidan la materia orgánica, liberado al medio los constituyentes de la misma en forma disuelta. Pero a esas profundidades el fitoplancton no puede hacer uso de ellos debido la ausencia de luz. Por ello una vez que los nutrientes se agotan en la capa fótica el fitoplancton deja de crecer y la producción primaria está limitada por la entrada de nuevos nutrientes en la capa fótica. Esto es lo que ocurre en los sistemas oligotróficos y ultraoligotróficos de las regiones oceánicas tropicales y subtropicales. Estas limitaciones hacen que la producción primaria en esas zonas sea baja. Sin embargo, su enorme extensión espacial conlleva que, en términos globales, su contribución a la fijación de CO2 y su exportación hacia aguas profundas sea superior al 25% del total oceánico. Debido al calentamiento global, la extensión espacial de estas regiones está aumentando, por lo que el estudio de su ecología y funcionamiento biogeoquímico adquiere una importancia aún mayor.

El transporte de nutrientes desde las aguas profundas, ricas en nutrientes, hasta la superficie, por difusión turbulenta podría aportar los nutrientes necesarios para el crecimiento del fitoplancton. Sin embargo este transporte vertical de nutrientes está frecuentemente impedido por un pronunciado gradiente de densidad. Así, en las regiones tropicales y subtropicales de los océanos la persistente insolación provoca que las aguas superficiales sean mucho más cálidas y menos densas que las aguas más profundas. Por debajo de la capa de agua cálida superficial la temperatura disminuye muy rápidamente, este gradiente de temperatura conlleva un rápido aumento de la densidad del agua del mar. Esta zona, donde tiene lugar el rápido descenso de temperatura, se denomina termoclina y el gradiente de densidad (picnoclina) generado actúa a modo de barrera, impidiendo que las aguas cálidas superficiales se mezclen con las aguas frías profundas. La presencia de la termoclina y la intensidad de la misma dependen de la latitud, de la estación del año y de la mezcla turbulenta causada en la columna de agua por los vientos intensos.

En general, en el océano el nutriente que predominantemente limita la producción primaria es el N. El N se encuentra presente en el agua de mar en forma disuelta y particulada. Entre las formas disueltas la más abundante es el nitrógeno gas N2 Esto no es de extrañar, ya que el N2 es el gas más abundante en la atmósfera terrestre (78%) y debido a los procesos de intercambio de gases entre la atmósfera y el océano. Además del N2 disuelto, el agua de mar contiene cantidades menores, pero de extraordinaria importancia, de compuestos disueltos que contienen nitrógeno. Las especies de nitrógeno inorgánico disuelto más abundantes en agua de mar son nitrato, nitrito y amonio (NO3-, NO2- NH4+). De ellas el nitrato es la se encuentran en mayor concentración en el océano, sobre todo en las aguas profundas, debido a los procesos de remineralización. En cambio sus concentraciones en la capa superficial del océano son próximas a cero, por el consumo del fitoplancton. Al contrario que el NO3-, el NH4+sólo se detectan en las capas superficiales del océano, donde puede a veces llegar a ser más abundante que el NO3-. Finalmente, el N también se encuentra en forma disuelta en el agua de mar formando parte de compuestos orgánicos como la urea, el acido úrico, aminoácidos, péptidos y proteínas. Para crecer el fitoplancton puede tomar del medio cualquiera de las diferentes formas disueltas de nitrógeno inorgánico (NO3-, NO2- NH4+), así como compuestos orgánicos disueltos de pequeño tamaño, como urea y aminoácidos. Además, algunas cianobacterias que forman parte del fitoplancton (p. ej. las cianobacterias del género Trychodesmium spp. que forman colonias) pueden obtener el N que necesitan para su crecimiento a partir del N2 gas disuelto en el agua de mar, de esta forma el N fijado se convierte en N disponible para otros organismos. Este proceso se conoce como fijación biológica de N2 y a los organismos que lo realizan se les denomina de diazótrofos.



Una vez que el fitoplancton ha consumido los nutrientes, éstos pasan a niveles tróficos superiores a través de las redes tróficas (zooplancton, peces, etc). De esa forma los nutrientes pasan de estar en disolución en el agua de mar a formar parte de los organismos marinos. Una vez que son metabolizados, parte de los nutrientes que han sido ingeridos por los organismos de niveles tróficos superiores (como el zooplancton) son excretados, fundamentalmente en forma de amonio y urea. De esa forma se regenera una fracción importante de los nutrientes que originariamente fueron consumidos por el fitoplancton. Por ello al amonio y la urea se les considera formas regeneradas de nitrógeno. El fitoplancton a su vez puede hacer uso de esos nutrientes que han sido excretados por otros organismos. Por el contrario, el NO3- y el N2 se consideran formas nuevas de N, ya que ellas no proceden de la excreción de los organismos y su presencia en las capas superficiales se debe a procesos físicos, bien de transporte vertical de nutrientes o bien al intercambio de gases entre el océano y la atmósfera. Por tanto la producción primaria en el océano puede ser sostenida por nutrientes nuevos o por nutrientes regenerados. La producción primara debida al consumo de formas nuevas de N (NO3- y N2) se conoce como producción nueva, mientras que la producción primaria promovida por el consumo de formas de N regeneradas (fundamentalmente amonio y urea) se denomina producción regenerada. En los océanos la producción nueva tiene una enorme importancia, pues es la producción basada en el consumo de formas nuevas de nitrógeno la que determina en gran medida la capacidad de los océanos para captar CO2 atmosférico cuyo destino final es su secuestro en el fondo del océano. Consecuentemente, la producción nueva juega un papel fundamental en la regulación de los niveles de CO2 de la atmósfera. Para poder valorar cual es la capacidad global del océano para captar CO2 de la atmósfera es necesario estudiar en detalle los procesos de producción nueva y regenerada a escala global.
b) Highlights o destacados


  • En los océanos la producción nueva tiene una enorme importancia, pues es la producción basada en el consumo de formas nuevas de nitrógeno la que determina la capacidad de los océanos para captar CO2 atmosférico, el cual será finalmente secuestrado en el fondo del océano. Consecuentemente, la producción nueva juega un papel fundamental en la regulación de los niveles de CO2 de la atmósfera. Para poder valorar cual es la capacidad global del océano para captar CO2 de la atmósfera es necesario estudiar en detalle los procesos de producción nueva y regenerada a escala global.

  • No está claro cómo estos procesos están viéndose afectados por la acidificación de los océanos y por el propio calentamiento de las aguas debido el cambio climático. Se espera que como consecuencia del calentamiento global aumente de la intensidad de la termoclina, lo que dificultaría el transporte vertical de nutrientes y favorecería los procesos de producción regenerada frente a los de producción nueva, disminuyendo la capacidad del océano para captar CO2.

  • Hasta hace no mucho tiempo se consideraba que la producción nueva debido a la fijación de N2 era sólo una fracción pequeña en comparación con la producción nueva debida al consumo de nitrato. Sin embargo, estudios recientes apuntan a que la fijación de N2 se habría subestimado y que este proceso estaría mucho más extendido geográficamente en el océano de lo que se pensaba.


c) Què hacemos en Malaspina al respecto
Para determinar la contribución de la producción nueva y la producción regenerada a la producción primaria total, durante la expedición MALASPINA 2010 se llevarán a cabo medidas de producción nueva y producción regenerada. Además, para determinar la importancia relativa del consumo de N2 por el fitoplancton en los diferentes océanos y evaluar cómo este proceso contribuye a la producción nueva, también se van a hacer simultáneamente medidas de la fijación de N2. Asimismo, se realizarán medidas de nutrientes lo que permitirá evaluar la magnitud de los procesos de regeneración de nutrientes en las capas superficiales. También se efectuarán medidas para determinar con precisión cuál es el flujo de nutrientes que llegan a la capa superficial del océano a través de la termoclina, para ello se emplearán técnicas novedosas basadas en el uso instrumentos que permiten realizar medidas directas de turbulencia de pequeña escala. En la expedición MALASPINA 2010 utilizaremos uno de estos instrumentos para obtener medidas directas de los coeficientes de difusión turbulenta a lo largo de grandes escalas espaciales. Estas medidas, combinadas con la determinación de la concentración de nutrientes a niveles nanomolares, permitirán cuantificar el transporte de nutrientes a través de la termoclina mediante procesos difusivos.

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