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Las nubes, el DMS y los tiburones ballena

Osos polares (Ursus maritimus) en Manitoba (Canadá).
Fuente: Wikimedia commons. Autor: Broken Inaglory.

La teoría CLAW sugiere que el dimetilsulfuro (DMS) liberado por el fitoplancton es la fuente más importante de núcleos de condensación de nubes sobre el océano.

Esto implica una conexión entre las microalgas y el clima. Las nubes reflejan la luz del sol y reducen el calentamiento del planeta, así que los aumentos de temperatura y luz serían contrarrestados por las algas y su DMS…

La teoría CLAW se llama así por las iniciales de los autores del artículo científico que la propuso (Charlson y col. 1987). La «L» es de Lovelock. Era una teoría «visionaria» que ha estimulado numerosos trabajos para profundizar en esa relación entre el clima, el DMS y las algas.

Pero las teorías no son valiosas únicamente por las respuestas que ofrecen sino por las preguntas que plantean y las nuevas hipótesis (y descubrimientos) que generan. La teoría CLAW es un buen ejemplo…

Nubes sobre la isla de Tristan da Cunha (Océano Atlántico)
Fuente: NASA. Disponible en Wikimedia commons.

La principal crítica hacia ella está en el comportamiento altruista de las algas: ¿en qué les beneficiaría producir DMS si luego tienen menos luz para la fotosíntesis? difícil de justificar en términos evolutivos…

Los autores de esta teoría aclaran que la nubosidad es beneficiosa porque reduce la radiación UV (letal para los microorganismos), y que el agua de lluvia es una fuente de nutrientes esenciales (nitrógeno…).
Pero esto no resulta convincente dada la complejidad del ecosistema marino. 

Hoy en día sabemos que las algas no producen DMS sino DMSP. Las algas liberan poco DMSP cuando están sanas, la mayor parte se produce cuando se rompen las células, por ataques virales ó depredación. Luego este DMSP se transforma en DMS que puede terminar en la atmósfera por la acción de bacterias u otras algas, pero éstas los consumen también como fuente de nutrientes (azufre).

Así que el DMS que llega a la atmósfera lo hace a través de distintos caminos y transformaciones biológicas. Esto explica por qué han fallado los intentos de relacionar directamente la abundancia del fitoplancton y el DMS. Sin embargo…

 

Un tiburón ballena (Rhyncodon typus), en aguas de Mozambique.
Autora: Catalina Perales Raya (IEO Tenerife).

El rastro que deja el DMSP en el mar atrae a depredadores tanto del fitoplancton como otros organismos superiores que «husmean» así su alimento.

Empleando técnicas que combinan análisis de imagen y microfluidos, se ha demostrado que varias especies de algas, bacterias y zooplancton son atraídas por el DMSP (Seymour y col. 2010).

Para estos microorganismos el DMSP/DMS sería como el rastro de la sangre para un depredador carnívoro…

Diversa fauna marina como los albatros, pingüinos, peces y tortugas también son atraídos por el DMS. Los tiburones ballena, que se alimentan de plancton, tienen un sentido del olfato muy desarrollado y son capaces de localizar proliferaciones esporádicas de fitoplancton y agregarse en ellas. Es muy probable que usen señales químicas como el DMS para detectar esos «blooms» de microalgas a distancias de hasta 2 km. 

En el caso de aves como albatros y petreles poseen también un «fino» olfato para el DMS que les permite orientar su vuelo y seguir un rastro que asocian con su alimento.

El ciclo de vida simplificado de un parásito como Parvilucifera
sinerae (adaptado de Garcés y col. 2013)

La «atracción» por el DMS llega incluso a los parásitos del fitoplancton. Éstos necesitan de células sanas que infectar para luego multiplicarse, igual que los virus.

El parásito rompe la célula «huésped» y libera una forma redonda (esporangio) llena de parásitos «durmientes» en su interior…Hasta que algún estímulo los «despierta» y salen hacia sus nuevas víctimas. Y sí, el DMS es una señal química que activa a un parásito de dinoflagelados, Parvilucifera sinerae (Garcés y col. 2013).

Pero volviendo a la teoría CLAW ¿qué hay de cierto en ella?

En el año 2011 la revista Nature la «finiquitaba» con un artículo titulado
«The case against climate regulation via oceanic phytoplankton sulphur emissions».

Cirros cerca de Aguilar de Campoo
(octubre 2012).
En él se concluye que dos décadas de estudios descartan que exista un control del DMS sobre la formación de nubes en el mar. Existen muchas otras fuentes de condensación de nubes en las que destaca la propia sal marina y materia orgánica. El DMS contribuye a la formación de nubes, sí, pero en la parte alta de la troposfera, que se extiende hasta 18 km de altitud, y en forma de sulfatos. Este sulfato desciende en la atmósfera después de ser transportado a largas distancias y favorece la condensación y formación de nubes…
Si la teoría CLAW no ha resistido el paso del tiempo es gracias a un mejor conocimiento del clima y la biogeoquímica del planeta motivados en gran medida por ella misma…!!

Referencias:

-Charlson RJ y col. Oceanic phytoplankton, atmospheric sulphur, cloud albedo and climate. Nature 326: 655–661 (1987).
-Garcés E y col. Host-released dimethylsulphide acitvates the dinoflagellate parasitoid Parvilucifera sinerae. ISME Journal 1-4 (2013).
-Martin RA. A review of behavioural ecology of whale sharks (Rhincodon typus). Fish. Res. 84:10-16 (2007).
-Quinn PK & Bates TS. The case against climate regulation via oceanic phytoplankton sulphur emissions. Nature 480:51-56 (2011).
-Seymour JR. Chemoattraction to dimethylsulfoniopropionate throughout the marine microbial food web. Science 329:342-345 (2010).
-Simó R. Production of atmospheric sulfur by oceanic phytoplankton: biogeochemical, ecological and evolutionary links. Trends Ecol. Evol. 16:287-294 (2001).

 

El mundo de las margaritas

Dos margaritas (O Castro, Vigo).
Daisyworld (el mundo de las margaritas) es un modelo matemático. Se trata de un planeta imaginario donde solo hay flores, sin nubes y con un sol parecido al nuestro. Lo idearon A. Watson y J.E. Lovelock en 1983 para demostrar que los seres vivos regulan el clima del planeta. Dentro de unos márgenes (al fin y al cabo son margaritas).
Todo esto en el contexto de la teoría de Gaia, de la que hablaremos más tarde.
En Daisyworld las flores pueden ser blancas ó negras. Las negras absorben mucho calor del sol, mientras que las blancas reflejan la luz y el planeta se calienta menos. Un último detalle: en el mundo de las margaritas el sol aumenta paulatinamente su energía.
Esto es lo único real en el modelo: las estrellas a medida que envejecen aumentan su radiación y hace unos 3.000 millones de años «Lorenzo» brillaba un 25% menos. Pues bien, ¿qué pasa en daisyworld?

 

La simulación se puede ver en la web

Primero crecen las flores negras y luego, a medida que aumenta la energía del sol, las margaritas negras que viven en los trópicos empiezan a ser sustituidas por las blancas, que terminan por extenderse hacia las latitudes más altas.

Esta sucesión en las flores permite controlar la temperatura, pero finalmente, cuando el sol brilla con demasiada fuerza (1.5 veces su valor real) las margaritas blancas también mueren. Desprovisto de vida la temperatura del planeta se dispara…tal como muestra la gráfica.

En la Tierra también disfrutamos de una temperatura media muy inferior a la que le correspondería si no existiese la vida. Y la capacidad del planeta para regular el clima también es limitada. Lovelock discute en uno de sus últimos libros «La venganza de la Tierra» sobre cómo hemos declarado la guerra al planeta, reduciendo su capacidad para regular el clima. Una visión apocalíptica y un libro muy recomendable.
Porque su mensaje básico es que hemos cruzado ya un punto de no retorno. Por muchos esfuerzos que hagamos por ser «verdes y ecologistas» la Tierra seguirá aumentando su temperatura hasta alcanzar un nuevo punto de equilibrio.
Luces nocturnas en Asia y Australia.
Disponible en la web Earth Observatory (NASA)
Gaia era la diosa griega de la Tierra. En los años 70′ surgió la hipótesis Gaia en la que J.E. Lovelock y Lynn Margulis propusieron que nuestro planeta es un «super-organismo» que autoregula el clima y la química para que éstos sean adecuados para la vida. No dijeron que la Tierra esté efectivamente viva. Pero sí que se comporta como si lo estuviera.
Gaia son las formas de vida y la geoquímica del planeta que interaccionan y se ajustan a los cambios en el medio ambiente de cada época, manteniendo un equilibrio dinámico…
Puesta de sol en Marte.
Disponible en la web de la NASA
http://www.nasa.gov/multimedia/imagegallery/image_feature_347.html
En contraste tenemos el equilibrio químico «inmutable» de planetas «muertos» como Marte.
Lovelock trabajó para la NASA a mediados del s.XX. Su trabajo era idear algún instrumento que permitiese detectar si había vida en Marte. Y él pensó en analizar la composición de la atmósfera.
Sugirió que si existiese vida «marciana» tendría que haber allí algo de oxígeno y metano.
En aquella época no se detectaron, pero hoy sabemos que existen trazas de ambos y no se puede descartar totalmente una fuente biológica !!
¿A qué viene todo esto en un blog de algas? Ahora vamos con ellas…
Hace ya unos cuantos años (parece que fue ayer) pude oler un cultivo masivo de la haptofita Emiliania huxleyi que mantenía mi colega J.L. Garrido en el Instituto de Investigaciones Marinas de Vigo (CSIC).
Todos los días sale el sol compEmiliania huxleyi.
Autor: Sergio Seoane.
Su “perfume” por así decirlo, recordaba a los huevos podridos y provenía del azufre, en concreto del DMS (dimetil sulfuro). Casi todas las algas lo producen, aunque para ser correctos habría que decir que lo que fabrican es en realidad un precursor del DMS, el DMSP (dimetilsulfoniopropionato). Los mayores productores de DMSP del fitoplancton son cocolitofóridos como Emiliania, pequeños flagelados como Phaeocystis y diversos dinoflagelados.

El DMS es la fuente natural de azufre a la atmósfera más abundante en el océano. La “presentación en sociedad” del DMS se la debemos principalmente ¿adivinan a quién? Sí, otra vez a James E. Lovelock.Él propuso en 1972 su importancia en el ciclo del azufre. De la atmósfera vuelve a los continentes mediante la lluvia y vuelve a ser utilizado por plantas y animales para fabricar las proteínas, por ejemplo.

Pues bien. En 1987 se publicó en Nature un trabajo titulado «Oceanic phytoplankton, atmospheric sulphur, cloud albedo and climate». Lo firmaban Charlson y col. (Lovelock entre ellos). En él relataban que el DMS estaba relacionado con la formación de nubes y con el clima. Las nubes aumentan el albedo (la luz que refleja la Tierra, como las margaritas blancas) así que el aumento de fitoplancton controlaría el calentamiento del clima a través del DMS.
¿Qué sabemos hoy de esto, sigue siendo verdad ó no…?
lo sabremos en la próxima entrada.
Mientras, aquí les dejo una sentencia de Lovelock «…un ascenso del nivel del dióxido de carbono a 500 ppm, ascenso que ya es inevitable, irá acompañado de un profundo cambio climático«. El último dato que ofrece en su web el Observatorio del Mauna Loa (enero 2013), es de 395 ppm, que aumentan a un ritmo lento pero constante de 2 unidades cada año…
Referencias
-Lovelock J.E. La venganza de la Tierra. Ed. Planeta, 249 pp (2006).
-Simó, R. Production of atmospheric sulfur by oceanic plankton: biogeochemical, ecological and evolutionary links. Trends. Ecol. Evol. 16: 287-294 (2001).
-Watson A & Lovelock J.E. Biological homeostasis of the global environment: the parable of Daisyworld. Tellus 35B: 284-289 (1983).

Como el gato de Cheshire

 
Título de la imagen: «Todos los días sale el sol»
Emiliania huxleyi. Autor: Sergio Seoane.
1er premio Concurso Microfotografía Biomedicina 2011
http://www.ehu.es/SGIker/fotos/picture.php?/812/category/18

Al final sale el gato, pero primero lo primero.

Los únicos seres vivos que vemos desde el espacio son las algas, ¿cómo puede ser esto si necesitamos un microscopio para observarlas?

Las algas absorben y reflejan parte de la luz que reciben y esto cambia el aspecto del mar. Dependiendo de la abundancia y el tipo de células, el efecto que producen puede verse incluso desde el espacio, como en esta imagen del satélite MODIS, a 705 km. de altura en el golfo de Vizcaya.

Se trata de una proliferación de Emiliania huxleyi, un cocolitofórido del grupo de las algas primnesiofíceas. Sus células están recubiertas de placas de carbonato cálcico llamadas «cocolitos». Emiliania forma densas proliferaciones en la superficie del océano, que llegan a alcanzar hasta 100.000 km2, aproximadamente el tamaño de Portugal…!

Los «cocolitos» de Emiliania reflejan la luz como si fuesen miles de diminutos espejos sumergidos en el mar…además, para fabricarlos Emiliania consume dióxido de carbono, aumentando la absorción en el océano de este gas con efecto invernadero.

En la imagen inferior podemos ver muchas células de Emiliania (las formas redondeadas de color dorado), donde algunas de ellas han perdido los cocolitos.

Emiliania huxleyi (vista a 400x)

Es como una sopa de letras en la que siempre se repite la «O». Emiliania también tiene otra peculiaridad. Junto con los dinoflagelados, las primnesiofíceas son los grupos de algas que producen mayor cantidad de DMS (dimetilsulfuro).

Esta sustancia se oxida en la atmósfera y da lugar a partículas de aerosol que favorecen la condensación y formación de nubes. Esto también reduce el efecto invernadero ya que las nubes devuelven mayor radiación solar al espacio.

El gato de Cheshire (Alice in Wonderland, Disney, 1951)

Y llegamos por fin al gato de Cheshire, el famoso personaje de «Alicia en el País de las Maravillas», que aparece y desaparece, dejando su sonrisa en el aire antes de perderse de vista…

En ecología, existe la teoría de la «Reina Roja», personaje del mismo libro, que sirve para explicar lo que sucede entre un parásito/virus y su huésped, por ejemplo. Ambos disputan una carrera evolutiva en la que intentan superarse el uno al otro, sólo para seguir vivos…igual que la Reina Roja corre y corre para permanecer en el mismo sitio.

La teoría del gato de Cheshire (Frada et al. 2008) para Emiliania describe lo siguiente:
las células que forman cocolitos son inmóviles y sufren el ataque de un virus específico,
que las destruye y puede ocasionar el final de las proliferaciones.
Cuando el ataque del virus es intenso, Emiliania se transforma en células más pequeñas que pueden nadar y no forman cocolitos…éstas células son inmunes al efecto del virus…!!

El gato de Cheshire desesperaba a Alicia con sus juegos…y cuando le condena a muerte la Reina Roja cortándole la cabeza, también la burla haciendo desaparecer antes su propia cabeza…

Emiliania, como él, también cambia de forma para ser invisible a su verdugo……Quién sabe! quizás en ese momento también podamos ver una sonrisa
bajo el mar…!!

Referencias:

-Frada M, Probert I, Allen MJ, Wilson WH, de Vargas C. The Cheshire cat escape strategy of the coccolitophore Emiliania huxleyi in response to viral infection. PNAS 105:15944-15949 (2008).