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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
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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.