LAS ESTRECHAS RELACIONES ENTRE LA VIDA OCEÁNICA, EL AZUFRE ATMOSFÉRICO Y EL CLIMA

Dr. Rafel Simó y Dr. Carles Pedrós-Alió
Instituto de Ciencias del Mar-CSIC

La amenaza del calentamiento global nos ha concienciado del enorme poder que tenemos los humanos para alterar nuestro planeta. Esta preocupación no debe esconder, sin embargo, que el conjunto de los seres vivos, y especialmente los más pequeños e invisibles (los microorganismos), provocaron en el pasado cambios globales de extraordinaria trascendencia y que, durante la mayoría de los miles de millones de años que la vida lleva sobre la Tierra, han mantenido nuestro planeta en un equilibrio agradable para todos.

A finales de los 70, esta idea inspiró la controvertida teoría de Gaia, que presenta al conjunto del planeta, gracias a la presencia de la vida, como un macroorganismo que regula su temperatura por medio de mecanismos de retroalimentación. Hoy en día ha habido que reformular y matizar dicha teoría, que sin embargo sigue siendo de lo más estimulante.

En un artículo que publica la revista Nature el 25 de noviembre de 1999, Rafel Simó y Carles Pedrós-Alió, investigadores del Institut de Ciències del Mar de Barcelona (perteneciente al Consejo Superior de Investigaciones Científicas), describen el eslabón que faltaba para cerrar un mecanismo de retroalimentación entre vida marina y clima a través de la producción de azufre atmosférico. Los datos en los que se basa su descubrimiento fueron obtenidos en Junio de 1998 en el Atlántico Norte, 400 km al sur de Islandia, a bordo del buque oceanográfico británico Discovery.

 

La Atmósfera Terrestre y La Vida

Es evidente que la atmósfera terrestre, a diferencia de la de los planetas vecinos, tiene una composición termodinámicamente inestable, que si mantiene una mezcla de especies químicas reducidas y oxidadas en profundo desequilibrio es gracias al intercambio constante de gases entre la biosfera (los organismos vivos) y la atmósfera. No se trata simplemente de que muchos organismos vivan gracias a su capacidad de obtener de la atmósfera sustancias esenciales para las funciones de supervivencia y desarrollo, sino que la vida ha determinado activamente y desde siempre la composición química de la atmósfera, y los fenómenos que derivan de ésta.

La composición de la atmósfera tiene una influencia fundamental sobre la cantidad y calidad de la radiación que llega a, y escapa de, la superficie terrestre (ultravioleta, onda larga) y sobre el clima (régimen hidrológico, de temperatura, de movimientos de masas de aire). Bastante lo hemos oído últimamente, desde que los humanos nos hemos dado cuenta de que nuestra transformación de la composición atmosférica, por lo rápida e intensa, está causando efectos todavía poco conocidos de calentamiento global (debido al llamado efecto invernadero) y de aumento de la radiación ultravioleta (debido al agujero de capa de ozono), por mencionar los dos fenómenos más tristemente famosos.

La actividad humana aparece como un factor de cambio ambiental ‘añadido’ que se superpone a la evolución, digamos natural, de los intercambios entre biosfera y atmósfera. Para determinar el alcance de dicho cambio ‘añadido’ es necesario un conocimiento profundo de los mecanismos que rigen el complejo control climático de la Tierra, y de qué manera dichos mecanismos responden a variaciones sin precedentes por su intensidad y rapidez.

 

El Plancton Oceánico, El Azufre Atmosférico y El Clima

De entre dichos mecanismos, uno de los principales es el que vincula estrechamente el plancton oceánico, el azufre atmosférico y el clima. La emisión de azufre reducido de origen biológico de los océanos a la atmósfera, principalmente en la forma del sulfuro de dimetilo (DMS), es parte fundamental del ciclo global del azufre (véase la figura). En la atmósfera, la oxidación rápida del DMS da lugar a pequeñas partículas acídicas que dispersan radiación, y que actúan como la principal fuente de núcleos de condensación en la troposfera del océano remoto.

El tamaño y la abundancia de los núcleos de condensación determinan la densidad óptica de las nubes y, por consiguiente, la cantidad de radiación solar que éstas reflejan hacia el espacio exterior (lo que se denomina albedo). El 1987, James Lovelock y colaboradores lanzaron la hipótesis de que el efecto del azufre biogénico marino sobre el albedo podía constituir la base de un mecanismo retroalimentado entre vida marina y clima (como muestra el diagrama): un incremento de la producción de DMS por el plancton daría lugar a un incremento del albedo sobre los océanos, con la consiguiente disminución de la radiación incidente y la temperatura; ello probablemente haría disminuir la actividad fotosintética algal; si dicha disminución ocasionara un freno a la producción de DMS, el ciclo se cerraría como un mecanismo de retroalimentación negativa o auto-regulado.

 

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La hipótesis despertó un gran interés (y controversia) en la comunidad científica internacional, y en años posteriores varios países invirtieron dinero y esfuerzo investigador en el estudio de la distribución del DMS en los océanos del mundo, la identificación de sus procesos de producción, y la estima de sus flujos de emisión a la atmósfera.

Fruto de aquellos esfuerzos, se han publicado más de 700 trabajos en la última década. Se ha detectado DMS en aguas superficiales de todos los océanos y en la atmósfera marina. Recientemente se ha demostrado que existe una buena correlación en el espacio y en el tiempo –y también una relación causa-efecto- entre el DMS liberado a la atmósfera y la concentración de núcleos de condensación en la troposfera oceánica remota.

Se ha descubierto que el precursor bioquímico del DMS es el propionato de dimetilsulfonio (DMSP), la forma más abundante de azufre reducido en muchas especies de algas unicelulares, en las que desempeña varias funciones fisiológicas esenciales. El DMSP algal se transmite y transforma mediante procesos de degradación a través de la red trófica, con intervención de los herbívoros planctónicos y las bacterias. El DMS es uno de los productos de degradación del DMSP, pero hay otros.

El trabajo realizado hasta la fecha ha confirmado el potencial del DMS oceánico, de origen biológico, para el control del albedo y del balance de radiación de extensas regiones del planeta. Es decir, la parte izquierda del diagrama parece bien establecida. Sin embargo, la parte derecha del diagrama, la que en la hipótesis de Lovelock y colaboradores debía determinar si realmente estamos ante un mecanismo auto-regulado, ha permanecido incierta hasta la fecha. Las respuestas a la pregunta de si incrementos de radiación conllevan un aumento de la producción y emisión de DMS en el océano, y viceversa, han sido escasas y contradictorias.

Buena parte de los estudios dirigidos a esta cuestión han tenido un enfoque fisiológico: efecto de la intensidad y duración de la luz, o de variaciones de temperatura, en la biosíntesis de DMSP en cultivos de algas en el laboratorio. Las respuestas no han sido nada convincentes. La producción de DMS es el resultado de un entramado de procesos de interacción en el conjunto de la red trófica, lo cual es muy difícil -si no imposible- de reproducir en el laboratorio. Se ha evidenciado la necesidad de utilizar aproximaciones a nivel de ecosistema, mediante trabajo in situ en el océano, y con la posibilidad de abordar el problema a la escala adecuada.

 

Nuestra Contribución

Rafel Simó y Carles Pedrós-Alió, investigadores del Institut de Ciències del Mar (ICM, el centro que el Consejo Superior de Investigaciones Científicas tiene en Barcelona dedicado a la investigación marina), el año pasado tomaron parte en una campaña oceanográfica en el Atlántico Norte, a bordo del buque británico Discovery.

Los investigadores del ICM pudieron estudiar, por primera vez, la variabilidad temporal a corto plazo de los procesos de producción y emisión de DMS en el océano abierto. Su estudio, que la revista norteamericana Global Biogeochemical Cycles publicará en el próximo mes de diciembre, muestra que las tasas de degradación del DMSP y de producción del DMS varían con la misma rapidez que parámetros meteorológicos tales como la radiación solar y el régimen de viento. Estos resultados abrían una puerta a la posibilidad de encontrar relaciones directas entre parámetros derivados del clima y la producción de DMS en el ecosistema oceánico.

Los datos obtenidos en el Atlántico Norte, y las nuevas perspectivas que arrojaban, impulsaron a los dos investigadores del ICM a analizar las distribuciones de DMS obtenidas por investigadores de todo el mundo. Dicho análisis, que publica la revista Nature (25/11/99), ha permitido gestar una nueva hipótesis que viene a refrendar la de 1987: la producción de DMS por el plancton marino está controlada por la mezcla vertical del agua, más concretamente por el grosor de la capa superficial del océano (o capa de mezcla); capas de mezcla poco profunda (causadas per un calentamiento diurno de la superficie del océano durante situaciones de elevada radiación) favorecen la producción de DMS.

La explicación cabe buscarla en el hecho de que el grosor de la capa de mezcla determina el grado de exposición de los microorganismos marinos a la radiación ultravioleta. Ya hemos dicho que el DMS es un producto gaseoso de degradación enzimática del DMSP, pero no el único. La cantidad de azufre que, originándose en el DMSP algal, se incorpora finalmente a la atmósfera y participa de la regulación del clima, depende de la eficiencia de la transformación del DMSP a DMS. Dicha eficiencia viene mediada básicamente por los enzimas de algas y bacterias, que se ven afectados directa o indirectamente por la radiación ultravioleta.

La observación de eficiencias mayores en aguas fuertemente estratificadas, junto al hecho de que dichas aguas son más favorables al desarrollo de las especies de algas unicelulares más productoras de DMSP, ha permitido a los investigadores del CSIC explicar la ‘paradoja estival del DMS’: en vastas regiones del océano se produce más DMS en verano (o en la estación caliente), a pesar de que las condiciones no son las idóneas para el crecimiento del plancton en general, y la biomasa del fitoplancton está en su mínimo anual.

Cuanto más intensa es la radiación incidente y más se calienta el agua, mejores son las condiciones para la producción de DMS. Se trata de la primera evidencia de una relación directa entre parámetros climáticos y producción de azufre volátil en el mar. Evidencia que va muy de acuerdo con la hipótesis de 1987 de retroalimentación negativa entre plancton y clima por medio del azufre.

Además, los resultados de los investigadores del ICM abren la puerta a otra hipótesis interesante, que también aparece en el trabajo de Nature: dado que los modelos de cambio climático global prevén una intensificación, expansión y prolongación de la estratificación superficial de los océanos, el progresivo aumento del efecto invernadero podría coincidir con un aumento de la emisión de DMS, que conlleva un efecto climático inverso.

Se trata tan sólo de una hipótesis de trabajo; la cuantificación de estos efectos acoplados y de signo opuesto constituye un reto formidable. De momento, los trabajos de Simó y Pedrós representan un paso adelante en la comprensión de una de las relaciones bidireccionales más emblemáticas y fascinantes entre la biosfera y el clima.

 

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