Los cocolitóforos y la acidificación de los océanos

Alrededor de un tercio del dióxido de carbono (CO2) liberado a la atmósfera como resultado de la actividad humana ha sido absorbido por los océanos, donde reacciona dando lugar a los iones constituyentes del ácido carbónico. Esto conduce a la acidificación de los océanos, una de las principales amenazas para los ecosistemas marinos y en particular para los organismos que se calcifican, como corales, foraminíferos y cocolitofóridos. Los cocolitóforos son el fitoplancton más abundante y son responsables de gran parte de la producción moderna del carbonato oceánico.

Un amplio estudio revela como los procesos de calcificación de estos organismos su distribución de sus especies cambian como respuesta a los niveles de dióxido de carbono.

Los cocolitóforos son unos humildes fitoplánctones marinos que son el objeto de una acalorada controversia entre los especialistas de la ciencia marina a causa de su respuesta a la acidificación del océano. En un artículo aparecido en Nature, titulado Sensitivity of coccolithophores to carbonate chemistry and ocean acidification, se relata un descubrimiento que bien pudiera solucionar el asunto: los cocolitóforos producen unas conchas de carbonato de calcio más delgadas cuando los océanos se vuelven más ácidos. Pero el mecanismo es complejo y hay una inesperada excepción a la regla general, lo que puede sorprender a los que estudian el cambio global.

Durante unos 220 millones de años, los cocolitóforos han desempeñado una función dual única en el ciclo del carbono en el océano. Como todo fitoplancton, los cocolitóforos se “ganan la vida” convirtiendo el carbono inorgánico disuelto en el agua del mar en carbono orgánico mediante la fotosíntesis. Pero también tienen una singular habilidad para usar el carbono inorgánico disuelto para producir una concha mineral que consiste en cocolitos, unas placas de carbonato de calcio (CaCO3) solapadas. Aunque la larga historia de la evolución del alga abarca algunas fluctuaciones muy importantes del contenido de dióxido de carbono en la atmósfera, el estudio de las respuestas de la calcificación del cocolitóforo a la acidificación de los océanos no ha sido nada sencillo.

La cuestión es como la calcificación del cocolitóforo responderá a las futuras condiciones de un alto contenido en CO2, lo que tiene importantes implicaciones en el ciclo del carbono del océano, y quizá también para el clima global. El ratio de CaCO3 y de carbono orgánico de la “lluvia” continua de partículas biogénicas desde la superficie del océano hacia el fondo (el llamado ratio de la lluvia) es un factor clave en los modelos geoquímicos del carbono, por varias razones. Una de las más importantes es que, en contraste con la producción fotosintética de carbono orgánico, que consume CO2, la reacción de calcificación consume CO2, al convertir dos iones bicarbonato (HCO3-) en una molécula de CaCO3 y una molécula de CO2. De esta manera, la concentración de CO2 en el agua del mar es sensible a los cambios del ratio de la lluvia, lo que es una indicación para conocer la cantidad de calcificación comparada con la de fotosíntesis que ocurre en el océano.

Química del carbono del cocolitósforo

a,b – cuando el CO2 atmosférico entra en la superficie del agua (a) experimenta una serie de reacciones reversibles conocidas como el sistema tampón del carbonato (b), que libera protones (H+) que acidifican el agua del mar.
c – los cocolitóforos y otras algas asimilan CO2 para producir carbono orgánico a través de la fotosíntesis.
d – Los cocolitóforos también llevan a cabo reacciones de calcificación, en las que dos iones bicarbonato (HCO3-) se convierten en una molécula de carbonato de calcio (CaCO3) y otra de CO2. El CaCO3 se incorpora en los cocolitos de la concha del alga. El CO2 proveniente de la calcificación es liberado y puede, bien aumentar la acidificación del océano, bien desgasificarse a la atmósfera (e) contribuyendo al calentamiento global.
f – las partículas biogénicas de los cocolitóforos y otros tipos de fitoplancton se hunden desde la superficie del agua. El ratio entre CaCO3 y el carbono orgánico de esta “lluvia” biogénica es un parámetro crítico del ciclo del carbono marino. Beaufort et al. muestran que los cocolitóforos producen menos carbonato de calcio cuando las concentraciones de CO2 en el agua del mar son mayores.

La relación entre la calcificación y los flujos de CO2 indujo a hacer experimentos que encontraron que la producción de CaCO3 se reducía en los cocolitóforos que crecían en niveles elevados de CO2. Dado que se espera que en el futuro las concentraciones de CO2 en el océano aumenten, se producirá una reducción que disminuirá el ratio de la “lluvia”, lo que puede ayudar a contrarrestar el aumento de las concentraciones de CO2 atmosférico. Pero justo cuando los científicos marinos se empezaban a sentir cómodos con este modelo de la acidificación del océano, otros trabajos cuestionaban estas ideas informando que un nivel alto de CO2 aumenta la cantidad de CaCO3 producida por las células de los cocolitóforos.

Los autores del artículo citado se han atrevido a arremeter contra esta confusión. De manera distinta a estudios previos, su trabajo no manipuló los niveles de CO2 en cultivos o en comunidades naturales de cocolitóforos. En su lugar, usaron técnicas de análisis de imágenes para determinar las masas de más de medio millón de cocolitos individuales de centenares de muestras modernas de agua de superficie y de antiguos testigos de sedimentos marinos, recogidas alrededor de todo el mundo. Midieron también las correspondientes concentraciones de carbono inorgánico disuelto en las muestras de agua modernas o calcularon estas concentraciones en los testigos de los sedimentos, utilizando medidas paleoceanográficas indirectas comúnmente aceptadas.

Sus hallazgos son inequívocos: al aumentar la concentración de CO2, la masa de cocolitos decrece de manera más o menos lineal. Esta relación se mantiene en todos los casos, sin importar las grandes variaciones de concentración del agua que hay en los océanos actuales, y también se mantiene durante las fluctuaciones del CO2 atmosférico que ocurrieron durante largos períodos de tiempo, como las de los ciclos glaciales e interglaciales. Los resultados parecen ofrecer un soporte sólido a la hipótesis de que las células de cocolitóforo serán menos calcificadas en el océano más calcificado del futuro. Pero hay otro giro a esta historia.

Los autores del artículo señalan que la variación de la masa de cocolito medida en su estudio es mucho mayor que las disminuciones del CaCO3 celular que se observan cuando los cocolitóforos crecen en cultivo en altas concentraciones de CO2. De hecho, una gran parte de la variabilidad de la masa de cocolito que registraron era aparentemente debida al resultado de cambios taxonómicos en la comunidad de cocolitóforos, más que el resultado de una calcificación reducida entre especies individuales. Al aumentar los niveles de CO2 en el agua de mar, los ensamblajes de algas cambian progresivamente desde unas especies grandes y muy calcificadas hacia otras más pequeñas y menos calcificadas. Esta tendencia ocurre también entre especies, de manera que cepas o morfotipos muy calcificados son reemplazados por otros calcificados más delicadamente cuando aumentan los niveles de CO2. Los resultados de los autores parecen, por tanto, insinuar que la química del agua del mar es una fuerza selectiva muy importante que determina la composición de las comunidades de los cocolitóforos.

¿Significa esto entonces que las observaciones señaladas por estudios previos sobre el aumento de calcificación celular en cultivos de cocolitóforos a elevadas concentraciones de CO2 eran erróneas? No necesariamente. Los autores también descubrieron un morfotipo particular de cocolitóforo que actúa al revés que la tendencia general. Esta cepa se calcificó mucho más cuando los niveles de CO2 aumentaron y cuando el pH decreció a lo largo de un muestreo transversal que fue desde el océano abierto hasta las surgencias (upwellings) en aguas costeras. Esta cepa parece ser genéticamente similar al morfotipo de cocolitóforo ampliamente utilizado en los estudios sobre cultivos.

Esta sorprendente excepción a la regla da lugar a nuevas preguntas. Por ejemplo, si hay cepas comunes de cocolitóforos que aumentan su calcificación al aumentar la concentración de CO2, ¿por qué no son siempre dominantes cuando la concentración de CO2 en el agua del mar es elevada? Obviamente, no lo son, ya que si lo fueran hubieran contrarrestado la correlación altamente negativa entre CO2 y calcificación observada por los autores del artículo. La respuesta más probable es que muchos factores desconocidos también influencian la abundancia y la calcificación de los cocolitóforos. De hecho, después de decenios de un esfuerzo intensivo de investigación, los factores medioambientales que controlan el crecimiento de los cocolitóforos se conocen probablemente menos que los de cualquier otro grupo importante de fitoplancton. Lo que está claro, sin embargo, es que los controles medioambientales involucrados incluyen la mayor parte de los mismos factores que cambian a la vez que los niveles de CO2 y de pH, tales como la temperatura, la intensidad de la luz visible y de la luz ultravioleta, así como la disponibilidad de nutrientes y oligoelementos.

El próximo desafío para los científicos marinos es tratar de entender como la calcificación de los cocolitóforos y la ecología responderán a la selección natural inducida por esta compleja red de variables que cambian simultáneamente. Solamente lo lograrán cuando sean capaces de predecir cual será el resultado neto del futuro ratio de la “lluvia” del océano, y del enigmático grupo de fitoplancton que lo pilota.

En resumen, todavía queda mucho trabajo por hacer antes de que podamos tener una idea relativamente precisa de cómo influirá el aumento del CO2 atmosférico en la acidificación de los océanos.