El Fitoplancton: un moderador del cambio climático

El fitoplancton es un conjunto de organismos microscópicos similares a las plantas, formado por Cianobacterias y Algas Marinas Unicelulares. Flota en la parte superior del océano, donde la luz penetra en el agua.

Los investigadores han estudiado el intercambio de carbono entre el océano y la atmósfera, con modelos que representaron diversos entornos en condiciones similares a las del Pacífico, el Atlántico Norte y el Océano Austral. 

De las exploraciones realizadas, se observó que, a distintas velocidades de circulación del agua, ciertos actores del ecosistema interactuaban en un ciclo que se perpetuaba a sí mismo.

Los investigadores aislaron el impacto de una retroalimentación en la que, la diferencia de las concentraciones de dióxido de carbono de la superficie oceánica y la correspondiente a la de la atmósfera, determinaban la velocidad de crecimiento del Fitoplancton, en los distintos ecosistemas.

El comportamiento del Fitoplancton

Estos organismos son mayormente Autótrofos ya que fabrican sus propios alimentos; y específicamente, pertenecen al tipo de los Foto autótrofos porque utilizan la energía solar, y la fuente de Carbono la obtienen del CO2 atmosférico.

Los factores que actúan en el fenómeno de la realimentación son:

A- La concentración del dióxido de Carbono (CO2), en la superficie oceánica.

El océano es el mayor sumidero de Carbono (C); contiene 150 veces más CO2 que la atmósfera, tal que la captura directa del océano es la más eficaz y barata que una captura directa de este gas contenido en el aire.

Las fuentes naturales de CO2 son la respiración aeróbica animal y vegetal.

Los incendios forestales anulan la capacidad de absorción del gas, por la ausencia de la vegetación y los microorganismos que conviven con ella.  Esto conlleva a un aumento del CO2 en el aire, y dificulta una pronta recuperación de la fertilidad del suelo.

También, las emisiones de las erupciones volcánicas como las provenientes de las fumarolas, aportan este gas.

El fitoplancton puede mitigar el fenómeno que se produce por las diferencias entre las concentraciones del gas en la atmósfera y las del interior de la superficie oceánica, pudiendo llegar al equilibrio.

Siempre que exista una adecuada concentración oceánica de CO2, mayor será el crecimiento del fitoplancton y el producto de su fotosíntesis: el Oxígeno (O2).

El fitoplancton presente en los océanos libera a la Atmósfera entre el 50 % y el 85 % del Oxígeno (O2) cada año; en cambio, el Amazona produce el 20 %, potencial que puede ser afectado en gran medida por la deforestación.

B- La circulación del agua oceánica.

El viento modela las olas y produce turbulencias; a mayor circulación del océano, mayor es la actividad del mar para capturar dióxido de carbono.

Luego de hundirse, el flujo de agua es impulsado de regreso a la superficie escurriéndose sobre el suelo con más capacidad para absorber tanto CO2 del aire como el de las profundidades del mar.

Esto es debido a que, en el fondo de los océanos, también, existen moléculas de CO2, en virtud a la existencia de organismos heterotróficos (aeróbicos).

Este es el último recurso para la subsistencia del fitoplancton, en condiciones anaeróbicas de un ecosistema.

C- La temperatura del mar.

En las zonas frías el mar puede retener más moléculas de CO2.

Si esquematizamos la molécula de agua de la siguiente manera:

Cada par de electrones compartidos **, conserva una ubicación equidistante entre los átomos.

Se dibujan los electrones (*) de cada átomo de Hidrógeno, pertenecientes al nivel energético “1”.

En verde se indican los seis electrones (*) del átomo de Oxígeno ubicados en su último nivel energético:   el “2”.  

Realmente las moléculas, en cada uno de los estados del agua, adquieren una fuerza de atracción muy fuerte, por efecto de las respectivas polaridades.                             

Cada uno de los electrones (*) se ubican, con más frecuencia en el Nivel Energético “2” del Oxígeno, cargándolo negativamente (-2).

 

                     

Las moléculas polarizadas se atraen entre ellas, mediante   fuerzas de cohesión, generando enlaces llamados “puentes de hidrógeno”.  

                                                  

Para desestabilizarlas, a partir del estado sólido del agua se necesita cada vez más energía para vencer las fuerzas de cohesión.

En estado sólido las moléculas mantienen una posición fija; no se trasladan ni rotan; solo vibran manteniendo una estructura cristalina, debido a que, a bajas temperaturas el agua se contrae.

Ya a 4º C, deja de contraerse y comienza a dilatarse.

A mayor temperatura, la energía calórica absorbida por las moléculas de agua, en la superficie oceánica, rompe los puentes de hidrógeno generándose la energía cinética que provoca fuerzas de choque entre las ellas.

Debido al movimiento, cada molécula ocupa más espacio.

De esta forma, para un mismo volumen, la cantidad de moléculas de agua contenidas es cada vez menor, no existiendo lugar disponible para las moléculas del gas.

Así es que el aumento de la temperatura del mar impide el ingreso de CO2 a la superficie oceánica, aumentando su presencia en la atmósfera.

Finalmente, debido a su   capacidad de absorción de gran parte de la radiación solar, su mayor presencia en la atmósfera contribuye al calentamiento de la tierra, provocando el cambio climático del planeta.

D-La concentración de oxígeno (O2) en la superficie oceánica.

La situación se agrava cuando el oxígeno disuelto pierde su solubilidad ante una mayor temperatura, provocando su escape hacia la atmósfera.

Se sabe que las Cianobacterias son productoras de sus propios alimentos; hidratos de carbono, proteínas, grasas y ácidos nucleicos.

Las primeras proteínas fabricadas son las Enzimas. Sin ellas no se podrían realizar las reacciones químicas en cada etapa del ciclo vital, como por ejemplo la alimentación. El ADN direccionará al ARN y los Ribosomas fabricarán las Enzimas.

La RUBISCO controlará y catalizará la reacción química para la conversión de la energía solar, en la primera etapa de la fotosíntesis; la energía química de los ATP, se utilizará para la producción de O2.

Las CARBOXISOMAS intervendrán en la fijación de moléculas de Dióxido de Carbono (CO2), para comenzar con la síntesis de las moléculas orgánicas, en la segunda etapa de la fotosíntesis.

Frente a un exceso de CO2 el metabolismo de las cianobacterias lo aprovecharán en forma de moléculas de almidón, dentro del citoplasma, para ser utilizado como reserva de carbono.

En la figura, en el nivel superior del océano, se muestran los microorganismos del fitoplancton conviviendo con diversas especies marinas aeróbicas.

La ausencia de oxígeno (O2) en la superficie oceánica, debido a un aumento de temperatura, impedirá la alimentación del fitoplancton y su crecimiento; además, los organismos acuáticos del ecosistema no subsistirán ante una insuficiente oxigenación.

E-La presencia de LIGANDOS.

Las bacterias aeróbicas, presentes en suelos porosos, adecuadamente húmedos, por ejemplo, se alimentan de células muertas, de seres unicelulares como las propias bacterias.

También, las células muertas de las Cianobacterias aportan la materia contenida en sus núcleos y citoplasmas: moléculas de Hidratos de Carbono (almidón, glucosa), Proteínas (Enzimas, etc.), Grasas, Ácidos Nucleicos (ADN y ARN) y Minerales.

Estas sustancias, orgánicas e inorgánicas, pueden ser metabolizadas por algunas cianobacterias consumidoras, como las Heterótrofas o MIXÓTROFAS.

Además, estas moléculas, junto a otros nutrientes provenientes de las profundidades del mar, serán las dietas de especies marinas presentes en la superficie oceánica, conformando una biomasa, en donde queda capturado el Carbono.  

Se cree que estas sustancias son el subproducto del fitoplancton y conforman los denominados LIGANDOS.  Estos existirán en el ecosistema siempre que el plancton se alimente y crezca.

F-Los Oligoelementos en los LIGANDOS.

Todos los seres vivos necesitan elementos químicos (bioelementos) para el funcionamiento de las células.

Oligoelementos y el Hombre

Entre los bioelementos, los oligoelementos ocupan menos del 0.1% de la composición química del cuerpo humano, siendo el Hierro (Fe) el más abundante.

Son esenciales en los metabolismos, formando parte de los sitios activos de al menos 160 Enzimas (proteínas) y Hormonas (proteínas). Un ejemplo es el hierro en la Hemoglobina (proteína de trasporte).

Los seres vivos no pueden sintetizar estos elementos tan imprescindibles, y deben obtenerlos de la dieta. Entre ellos están: Cobre (Cu), Cobalto (Co), Hierro (Fe), Flúor (F), Manganeso (Mn), Yodo (I) y Zinc (Zn).

Las fuentes nutricionales con oligoelementos, para el hombre son: hígado, vísceras, carnes procesadas, cereales integrales, nueces, mariscos, legumbres secas, frutas secas, guisantes, champiñones, etc.

Oligoelementos en las Cianobacterias y Algas Marinas Unicelulares

Estos microorganismos, además de descomponer el Agua (H2O) para producir moléculas de O2, también se alimentan de otras moléculas inorgánicas, provistas por el habitad.

Estas se encuentran disueltas en la superficie oceánica y se caracterizan por contener poco o ningún átomo de Carbono.

El Azufre (S), por ejemplo, puede estar disuelto como molécula de Dióxido de Azufre (SO2).

El Carbono (C), presente en la molécula de Dióxido de Carbono (CO2), puede, además, estar formando moléculas de Ácido Carbónico   (C O3 H2).

Como este ácido es capaz de disolver las rocas, el átomo de Carbono (C) puede estar formando parte de moléculas de sales, denominadas Carbonatos.

El Hierro (Fe)

Para estos microorganismos, el hierro es, también, uno de los micronutrientes de más alto requerimiento.                                                               

Este oligoelemento proviene del manto terrestre, a través de movimientos tectónicos y erupciones volcánicas.

El Núcleo de la Tierra es sólido en su interior y líquido por fuera. Este se compone de metales altamente radiactivos productores de calor.

El material derretido, provocado por la fusión de las rocas que componen el Manto, forma el Magma.

Las rocas que contienen átomos de hierro, por ejemplo, se calientan y se movilizan; luego, se enfrían y endurecen.

A la vez, siendo el oxígeno un elemento muy reactivo, las moléculas de H2O en contacto con el hierro producen moléculas inorgánicas denominadas Óxidos.

Los elementos que componen dichas moléculas se ordenan, hasta cristalizarse dentro de la roca ígnea, en forma de Minerales.

Los cristales de HEMATITA contienen moléculas de Óxido de Hierro (Fe2O3), y en la WUSTITA moléculas de Monóxido de Hierro (Fe O).

Esta figura es un ejemplo para mostrar la distribución de los átomos en un cristal.

El Hierro (Fe) y el Plancton

Las moléculas de los óxidos en solución también se mantienen unidas debido a la polarización de sus átomos.

El hierro está disponible para el fitoplancton cuando se une a los LIGANDOS; de esta forma, el átomo con su carga puede trasportarse a través de la membrana celular del microorganismo, para ser consumido.                                     

El Monóxido de Hierro (Fe O)

Podríamos imaginar el fenómeno de la solubilidad del Fe, con el óxido más sencillo: el Monóxido de Hierro (Fe O).

La representación de un elemento químico muestra al átomo con sus cargas en equilibrio; para el elemento hierro (Fe):

La figura indica dos (2) electrones en el nivel energético “1”; ocho (8) en el nivel “2”; catorce (14) en el nivel “3” y dos (2) en el último nivel energético. Los veinte y seis (26) electrones se neutralizan con los veinte y seis (26) protones del núcleo.

El Monóxido de Hierro neutro (Fe0 O0)

La molécula de Monóxido de Hierro (Fe O) neutra tendría dos (2) pares de electrones compartidos, en los que cada electrón es equidistante a su respectivo núcleo atómico.

Esto se grafica imaginando una unión interatómica estable, entre los últimos niveles energéticos de cada átomo; representaría una estructura elemental.

Este modelo no existe, porque cada átomo de un elemento determinado está presente, en la naturaleza, con típicas cargas eléctricas, vibrando en un estado inestable.

El Monóxido de Hierro Polarizado (Fe++ O=)                      

Los dos (2) electrones del nivel energético “4” del elemento Fe0  mayormente están atraídos por el nivel energético “2” del elemento O0.

                  

Entonces, el átomo de hierro, que cede sus dos últimos electrones, se polariza por el desequilibrio entre sus cargas: en el núcleo estarán sus veintiséis (+26) protones y en sus orbitas veinticuatro (-24) electrones; la carga neta del hierro es (+2).

Como el átomo de oxígeno capta dos electrones extras, en el núcleo tendrá sus ocho (+8) protones y en sus orbitas diez (-10) electrones, y su carga neta es (-2).

De esta forma los átomos de hierro pueden unirse al LIGANDO para luego incorporarse al citoplasma de las Cianobacterias a través de la membrana en forma de Fe (2+).

Cuanto mayor es la disponibilidad de LIGANDOS en la superficie oceánica, más hierro sería utilizable para la alimentación de las Cianobacterias y Algas Marinas Unicelulares.

Entonces, aumentaría la población del Fitoplancton disponible para absorber dióxido de carbono de la atmósfera.

G -La Acidez del mar.

El dióxido de carbono CO2 presente en la atmósfera es un gas cuyas moléculas ocupan un cierto volumen.

Pero en la superficie oceánica, para ese mismo volumen, la concentración de moléculas es mayor.

Este gas se va concentrando a mayor profundidad y menor temperatura y, siempre que exista luminosidad, el fitoplancton podrá realizar la fotosíntesis.

Para describir la molécula, hay que analizar la estructura de sus átomos:

Átomo de Carbono:

Átomo de Oxígeno:

                                   

  Una parte de las moléculas de CO2 pueden disolverse en el agua generando moléculas de ácido carbónico.

Molécula de CO3 H2: neutra

Este ácido es otro nutriente para las Cianobacterias y Algas Marinas Unicelulares; es una fuente más de carbono, para producir compuestos orgánicos como la glucosa.

Molécula de (CO3)-2 (H2)+2  polarizada:  

                                                              

                        

El Hidrógeno (H)

Como todo elemento, el átomo de hidrógeno existe en la naturaleza como IÓN. La polarización molecular de los ácidos genera iones positivos.

                                            

Cuando aumenta la concentración de CO2 en la atmósfera, mayor es la presencia de este gas en la superficie oceánica.

En este ejemplo, un aumento de iones positivos, producidos por la disolución de las moléculas de CO3 H2, provoca una mayor acidificación del mar.

Jonathan Lauderdale

Los estudios realizados, desde el 2020, por el Investigador Científico Jonathan Lauderdale, del Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias del MIT, señala:

“Mi trabajo demuestra que debemos observar con más atención cómo la biología oceánica puede afectar el clima”.

“Algunos modelos climáticos predicen una desaceleración del 30 % en la circulación oceánica, debido al derretimiento de las capas de hielo, particularmente alrededor de la Antártida”.  

“Esta enorme desaceleración en la circulación oceánica podría ser en realidad un gran problema: además de una serie de otros problemas climáticos, no solo el océano absorbería menos CO2 ANTROPOGÉNICO de la atmósfera, sino que esto podría verse amplificado por una desgasificación neta del océano profundo, lo que llevaría a un aumento imprevisto del CO2 atmosférico y a un calentamiento climático aún mayor”.   

Lauderdale concluye: “no podemos contar con que el océano almacene carbono en las profundidades oceánicas en respuesta a futuros cambios en la circulación”.

“Debemos ser proactivos en la reducción de emisiones ahora, en lugar de depender de estos procesos naturales para ganar tiempo para mitigar el cambio climático”.

Por Diana Vella

PP. Guillermo Monachesi