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Mirar el fitoplancton desde el espacio

Imagen de portada: costa de Namibia por el instrumento MERIS del satélite Europeo ENVISAT el 6 de noviembre del 2007. Fuente: ESA.

La entrada de hoy surge de una nueva colaboración: Cristina Rodríguez-Benito, con más de dos décadas de experiencia en la detección de fitoplancton mediante satélite. Ya verán qué interesante todo lo que nos cuenta.

Sin más, les invito a Mirar el fitoplancton desde el espacio

Por Cristina Rodríguez-Benito, PhD.

¡Que título absurdo!, podríamos pensar. Sí, efectivamente, cómo es posible “ver” algo microscópico desde 700 km de altura. Pues a primer golpe de lógica sería imposible.

Sin embargo, aunque no podemos ver, a nivel celular, las microalgas marinas como con un microscopio, sí podemos detectar sus pigmentos fotosintéticos, en particular la clorofila-a, principal indicador de la biomasa fitoplanctónica (Anderson et al., 1995; Parsons et al., 1985) y con eso calcular la concentración de los organismos que forman el primer nivel de la cadena trófica marina.

Teniendo en cuenta que el fitoplancton es responsable de la mayor producción de oxígeno del planeta y de una enorme parte de la fijación del CO2 atmosférico, las mediciones de su concentración son fundamentales para el estudio del clima.

Sus variaciones tienen gran repercusión para la vida en el planeta. Los mapas globales de la cantidad de fitoplancton en el océano nos permiten detectar las zonas más ricas y las menos productivas de los océanos (Fig. 1).

Figura 1: composición mensual de la concentración de clorofila del fitoplancton durante diciembre 2019. Datos del sensor MODIS Aqua de la agencia espacial NASA.

La concentración y composición de fitoplancton en el mar, junto con otros componentes del agua y factores ambientales, que mencionaremos más adelante, es lo que determina el color del océano.

Este campo de la oceanografía constituye un mundo apasionante, relacionado con las áreas de la biología, la física, la química y la geología oceánica y tiene aplicaciones en múltiples sectores.

La mejor percepción del color del océano es la que podemos realizar desde el espacio mediante el uso de los satélites de observación de la Tierra (Fig. 2). Estas naves orbitan nuestro planeta equipadas con sensores que detectan la radiación electromagnética, emitida desde los distintos componentes de la superficie terrestre.

Estos sensores se denominan radiómetros y en el caso de los que nos importan en este artículo, son sensores pasivos que funcionan en el rango del visible (detectan la longitud de onda entre 400 y 700nm).

Por simplificar la descripción, podemos decir que ven de forma semejante a lo que verían nuestros ojos desde el espacio, es decir entre 400km (desde la estación espacial internacional ISS), hasta los 700km aproximadamente en que se sitúan los satélites polares que orbitan nuestro planeta.

Figura 2: Visión esquemática del Satélite Sentinel-2 del Programa europeo Copernicus. (créditos imagen: EADS Astrium).

El primer radiómetro capaz de estudiar el color del océano fue el instrumento Costal Zone Color Scanner (CZCS), a bordo del NIMBUS 7, que envió datos desde 1978 hasta 1986.

Hubo un gran lapso de 10 años de esta información hasta la llegada del SeaWiFS (Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor) en 1997 y desde entonces se han ido estableciendo en órbita nuevos instrumentos que han ido mejorando en sus capacidades de resolución espacial y espectral.

Evitaremos la tentación de hacer un repaso detallado de esta tecnología para mencionar directamente, que en la actualidad hay alrededor de 12 instrumentos espaciales con sensores de color del océano (IOCCG, 2020).

Sin entrar en las capacidades técnicas de cada uno de ellos sólo mencionaremos que estos datos están gestionados por distintas agencias espaciales de los países propietarios de los satélites como son Estados Unidos (NASA), Agencia Espacial Europea (ESA), Japón (JAXA), China (CNSA/NSOAS), Corea del Sur (KARI/KIOST) e India (ISRO).

La política de gestión de los datos es distinta en cada caso, así como la disponibilidad de la información. En el caso de la NASA y la ESA los datos son de libre disposición para la comunidad científica.

En particular, podemos mencionar los datos del programa europeo Copernicus, que inicia en el 2014 con Sentinel 1, con datos de apertura sintética, del rango radar, y que actualmente ya tiene en órbita cinco satélites, entre ellos los S-2 y S-3, en el rango óptico, de la serie que planifica para garantizar la continuidad de las observaciones y aplicaciones en la observación de la Tierra (https://Copernicus.eu).

Para acercarnos de forma somera a la técnica de la medición del fitoplancton desde el espacio, hay que mencionar que cuando la luz del sol incide sobre la superficie marina ocurren algunos fenómenos ópticos que pueden resumirse en absorción, dispersión y retrodispersión de la radiación.  

El color del océano depende de la combinación de varios elementos que son básicamente las propiedades ópticas del agua, la cantidad de fitoplancton, la cantidad de sedimentos inorgánicos y la concentración de materia orgánica disuelta.

En este punto podríamos preguntarnos por qué vemos el mar azul y con ello por qué nuestro planeta tiene ese color en el 70% de su superficie.

Para ello, lo entenderemos mejor si miramos una imagen del fragmento de luz blanca del espectro electromagnético (Fig. 3).

Figura 3. El espectro electromagnético (ampliación en el rango del rango visible).

En palabras sencillas, de forma global, vemos el mar de color azul porque el agua absorbe toda la radiación que llega en otras longitudes de onda más altas, como la roja.

La absorción del agua en la zona de color azul del espectro visible es muy débil, mientras que por encima de 550 nm y hasta aproximadamente 750 nm la absorción es cada vez más significativa.

Pero el mar a veces presenta tonalidades verdes, marrones y en ocasiones rojizas, entre otras. Esto depende de los organismos que se encuentran en ciertos lugares del océano, así como de la batimetría de la zona de estudio ya que en zonas someras el fondo marino puede reflejar la luz y variar la intensidad del azul.

La composición del fitoplancton puede otorgar distintos tonos dependiendo de los grupos de microalgas dominantes (Fig. 4).

Figura 4: Floración de cocolitofóridos en el Mar de Barents (30-06-2016). Imagen capturada por Sentinel-2. Créditos Copernicus (2016), ESA.

El color del mar que observemos varía por tanto entre zonas oceánicas y costeras, así como según la época del año.

Esta observación es limitada cuando la realizamos desde la costa o desde barcos, pero podemos salvar estas dificultades mediante los satélites, que permiten medir sobre grandes áreas de forma sinóptica.

Esto significa que podemos abarcar grandes áreas en la observación al mismo tiempo, algo imposible con las tecnologías tradicionales para cuantificar la biomasa fitoplanctónica, en especial en zonas muy extensas y alejadas como las de ambas costas de la Patagonia (Fig. 5).

En este punto es muy relevante mencionar que la tecnología espacial es una herramienta más para el estudio de los océanos y como todo instrumental tiene sus ventajas y desventajas. La observación sinóptica de grandes áreas y con una frecuencia diaria o de pocos días de revisita (dependiendo del satélite) es la gran ventaja.

Figura 5: Color del océano en los océanos que rodean la Patagonia. Imagen adquirida por el sensor MODIS-Aqua (NASA).

La limitación de datos ante nubosidad es la gran desventaja. Por otro lado, hay que considerar que para realizar determinaciones taxonómicas es necesario la toma de datos in situ. Sin embargo, el poder apoyarnos en el dato satelital puede ser una información estratégica a la hora de muestrear una zona de interés, por ejemplo, ante eventos de floraciones de fitoplancton o también llamados blooms por su terminología en inglés.

Cuando las especies que están presentes contienen toxinas se denominan floraciones algales nocivas (FAN). Estos eventos de crecimientos explosivos de fitoplancton pueden ser dañinos para la salud humana, para las actividades productivas como la acuicultura, o para las recreativas como el turismo.

En muchos casos estos eventos se denominan mareas rojas, pero ya sabemos que no siempre las mareas rojas son toxicas tóxicas y por otro lado las floraciones toxicas tóxicas no siempre tienen el mismo color.

Estacionalmente ocurren floraciones de microalgas en todo el planeta, pero todavía no se conoce la causa de todas las floraciones microalgalesellas y es son un tema de estudio para investigadores de todo el mundo, habiéndose creado programas internacionales como Global Harmful Algal Blooms, un programa internacional apoyado por SCOR (Scientific Committee on Oceanic Research) y por la IOC (Intergovernmental Oceanographic Commission) de UNESCO.

Dado que no es posible tener un afinado conocimiento de las causas de estos eventos, la mejor forma de mitigar los impactos es el uso de todas las tecnologías disponibles para anticiparse a ellos.

La percepción remota nos puede permitir ahorrar muchos recursos económicos al poder detectar estos focos de actividad cuando se trata de grandes áreas que no pueden monitorearse de forma tradicional operativamente, por los costos que supone la logística para movilizar embarcaciones, personal y equipamiento.

Determinar el lugar y momento de una floración desde el espacio permite ir a muestrear de forma dirigida, sin dejar a un lado la operatividad de los programas de monitoreo costero.

La incorporación de la observación satelital de forma operacional no solo tiene aplicaciones científicas, sino que es relevante en la toma de decisiones de las administraciones y entidades privadas porque con estos datos es posible generar una alerta temprana ante eventos dañinos para la vida o con repercusiones socio-económicas.

Este fue el caso de las floraciónes floraciones algales dañinas ocurridas en las costas del sur de Chile en el 2016 (ver Fitopasión, 29-V-2019) (Fig. 6), detectadas en mar abierto, más allá de los fiordos y canales donde opera la acuicultura.

Figura 6: Monitoreo de floraciones algales en Patagonia, durante el verano del 2016. Productos elaborados a partir de datos de color del océano.

En este evento se sucedieron varias especies dañinas, la primera de ellas para la salmonicultura (Villanueva et al, 2016). Pero dado que la tecnología satelital no estaba considerada en los programas de monitoreo de la actividad acuícola, las primeras observaciones no fueron acogidas por la industria.

Sin embargo la colaboración interdisciplinaria con los servicios de salud del Gobierno regional evitó el fallecimiento de personas, por el cierre oportuno de las áreas de manejo de mariscos, en un evento donde los niveles de toxicidad, por toxina paralitica paralítica superaron con creces las concentraciones permitidas para el consumo humano (Rodríguez & Haag, 2016).

La detección de floraciones algales desde el espacio requiere un trabajo minucioso desde el punto de vista técnico y oceanográfico y a través de esta área de la ciencia marina es posible enriquecer los conocimientos oceanográficos de las zonas de estudio.

Las imágenes de color del océano no solo permiten la cuantificación de la biomasa fitoplanctónica y la producción primaria de los océanos, sino que por los patrones de colores, formas y dimensiones es posible detectar fenómenos oceanográficos como corrientes marinas, grandes giros en los océanos (Fig. 7), áreas ricas en productividad marina y otros aspectos de la oceanografía costera a nivel de mesoescala.

Figura 7. Color del océano en el Mar Mediterráneo. 17 de Enero 2018- Imagen capturada por el sensor MODIS-Aqua (NASA).

Algunos de estos aspectos proporcionan herramientas de gestión y clasificación de actividad productivas, recreacionales y de protección y conservación de áreas marinas (Fig. 8).

Figura 8. Floración algal revelando un gran giro en el Atlántico Norte durante julio del 2018. Imagen adquirida por el sensor OLI de LANDSAT-8 (NASA).

Con una inversión inicial no menor por parte de los gobiernos es posible tener información ambiental durante muchos años, de forma operacional sobre grandes áreas del planeta.

Todo ello permite mejorar la mejor administración de los recursos marinos y la toma de decisiones en la gestión y cuidado de los océanos.

Sobre la autora:

Cristina V. Rodríguez-Benito

La doctora Cristina V. Rodríguez-Benito (cristina.rodriguez@mariscope.cl), española, estudió en la Universidad de Alcalá de Henares.

Inició su carrera relacionada con la tecnología satelital en un curso de la Agencia Espacial Europea (ESA) y posteriormente en un proyecto de la ESA realizado entre el ICCM, en Gran Canaria y la empresa de ingeniería GMV.

Vive en la Patagonia hace 17 años con su familia y trabaja como investigadora y empresaria desde la compañía Mariscope, dedicada a tecnología marina y a ciencia aplicada.

Desde su llegada a Latinoamérica ha promovido el uso de la tecnología satelital para las aplicaciones en salud humana, en la acuicultura, y en la observación de patrones oceanográficos a mesoescala de áreas marinas del sur de Chile.

Sus pasiones el océano y el espacio.

Referencias:
• Anderson, D.M. (ed.). 1995. ECOHAB, The ecology and oceanography of harmful algal blooms: A national research agenda. Woods Hole Oceanographic Institution, Woods Hole, MA. 66 pp.
• IOCCG (2020). International Ocean Color Coordinating Group. https://ioccg.org
• Parsons, T. R.; ., Y. Maita, C. M. Lalli (1985) A manual of chemical and biological methods for seawater analysis. Pergamon Press. Oxford. 173 pp.
• Rodríguez-Benito, Cristina V. and C. Haag (2016). Remote Sensing of recent huge algal blooms with High Socio-Economic Impact in the Southern Pacific Coast. Color and Light in the Ocean from EO (CLEO), Frascaty (Italy), 6-8 Sept. 2016.
• Villanueva F. et al, 2016. Harmful algal bloom of Pseudochatonella verruculosa (Dictiochophyceae, Florenciellales) associated with salmon farm mortalities in the south of Chile. Conference ICHA, Nov. 2016.

Qué te llevarías a un planeta desierto?

«The planet Mars took me home, and I never came back».

(Ray Bradbury: «NEA Big Read», 2008)

La llegada del hombre a Marte es algo que si nada se tuerce contemplaremos en los 2030’s. Al menos ese es el objetivo fijado por la NASA. Las tecnologías que harán posible el transporte, comunicaciones y fuentes de energía están en diferentes fases de desarrollo. La duración estimada de la misión será de unos 1.100 días.

El rover «Sojourner», de la misión Pathfinder, aterrizó en Marte en 1996 y estuvo operativo unos 9 meses. Fuente: NASA

La topografía de Marte ya ha sido mapeada con precisión, así como el agua helada bajo la superficie e incluso posibles cursos estacionales de agua salada. Los vehículos motorizados (rovers) enviados por la NASA desde hace 20 años (SojournerSpirit) y los que aún trabajan en el planeta Rojo (Curiosity, Opportunity), han medido la radiación a la que estarán expuestos los astronautas durante el viaje y su estancia en Marte, tomando datos esenciales para que la nave tripulada descienda y aterrice con seguridad.

China y Canadá planean enviar rovers a Marte en los próximos años. Y en 2018 el «Insight» (NASA) y en 2020 el «Exomars» (ESA) continuarán los estudios geológicos y químicos. En concreto la misión de la ESA tendrá como objetivo rastrear la existencia de vida microbiana en la superficie o el subsuelo.

Sin embargo, para que la exploración espacial y nuestra supervivencia en un ambiente extremo no sean una quimera, necesitamos un hábitat sostenible ecológicamente controlado.

Y para ello serán imprescindibles las plantas superiores y las algas…

Matt Damon cultivando patatas en «The Martian» (2015). Si quieren saber más de la ciencia (real y ficción) de esta película visiten Hipertextual

Necesitamos recrear un ecosistema lo más autosuficiente posible, que absorba las fuentes de energía y nutrientes disponibles, reciclando al máximo los desechos, y produciendo alimentos, moléculas y compuestos útiles para los primeros residentes del cuarto planeta del Sistema Solar.

La película «The Martian» planteaba lo importantes que pueden llegar a ser unas patatas, y lo que es cierto para tubérculos y legumbres también lo es para las algas…

En la Estación Espacial Internacional (ISS) se llevan a cabo investigaciones relacionadas con la misión a Marte: sistemas de soporte vital, puesta a punto de tecnologías para reducir la dependencia de la Tierra y estudios sobre los efectos de la microgravedad en la salud y el comportamiento humano, así como en el crecimiento de plantas y algas.

Pero antes de hablarles de esto…¿qué es la microgravedad?

Podríamos pensar que en la ISS no hay gravedad y que por eso flotan los astronautas y los objetos que les rodean. Pero en realidad la fuerza de la gravedad mantiene en órbita a la ISS: a 400 km de altitud hay 0.88 g (88% respecto a la superficie del planeta, 1 g). Tanto la ISS como lo que hay en ella están en caída libre alrededor de la Tierra, «navegando» a 28.000 km/h. Así que los objetos y astronautas se encuentran en «gravedad cero» o microgravedad (0,000001 g).

Arabidopsis thaliana. Autor: D. Skalec. Fuente: Wikimedia commons

Plantas y algas pueden sobrevivir en microgravedad. Seedling Growth es un proyecto patrocinado por la ESA cuyo investigador principal es Francisco J. Medina del CIB-CSIC (Madrid), que investiga los efectos combinados de luz y microgravedad en el ciclo celular y el crecimiento de Arabidopsis thaliana, una planta «modelo» para estudios sobre vegetales.

El pasado 13 de junio arrancó en la ISS la plantación del tercer experimento (Seedling Growth-3), tal como explicaba el propio investigador en la emisión «Entre Paréntesis» (19-VI-2017) de Radio 5.

Gravedad y luz suelen ser estímulos opuestos pero en el espacio esta lógica desaparece así como los conceptos arriba o abajo.

Los resultados de experiencias anteriores (Vandenbrink y col. 2014) indican que la microgravedad es un factor de estrés que afecta al ciclo celular en los tejidos meristemáticos, con células totipotentes responsables del crecimiento y diferenciación en vegetales. Las consecuencias podrían ser letales pero por motivos aún desconocidos la luz, en concreto la longitud de onda roja, parece contrarrestar dicho estrés permitiendo que las plantas sobrevivan y se desarrollen de manera casi normal.

En cuanto a las microalgas, su mayor eficiencia fotosintética respecto a las plantas superiores las hace más adecuadas para absorber CO2 y producir oxígeno. En estudios realizados sobre algas verdes del género Chlorella (C. pyrenoidosa y C. vulgaris) se han observado que las tasas de fotosíntesis y consumo de CO2 no se ven afectadas por la microgravedad. Pero su crecimiento es menor y uno de dichos trabajos (Gross, 2013) calculaba que harían falta 2314 litros de Chlorella vulgaris para producir el oxígeno necesario para mantener a un astronauta!!

En los estudios sobre cianobacterias hay resultados para todos los gustos: en la especie tóxica Microcystis aeruginosa se ha observado que la microgravedad reduce el crecimiento y aumenta la producción de microcistinas, mientras que en otro trabajo la microgravedad favorecía el crecimiento de una cepa de Nostoc sp. (Wang y col. 2004).

Placas para experimentos biológicos, incluyendo las cepas CCCryo, en el exterior de la ISS. Autor: ESA/ROSCOSMOS. Fuente: Sciencedaily

Los rayos cósmicos y la radiación UV pueden también aniquilar cualquier atisbo de vida en el espacio. No obstante, si eres un alga adaptada a ambientes extremos puede que consigas sobrevivir en el espacio.

Un experimento de 2014-2015 del proyecto BIOMEX (Biology and Mars Experiment), demostró la supervivencia durante 16 meses de dos cepas en el exterior de la ISS, en condiciones de vacío, sequedad y con temperaturas desde -20ºC a 50ºC.

Ambas cepas pertenecían a CCCryo (la colección de cultivos de algas criófilas del grupo de investigación en extremófilos del IZI-BB, Alemania), en concreto el alga verde Sphaerocystis sp. (CCCryo 101-99, aislada en Svalbard, Noruega) y la cianobacteria Nostoc sp. (CCCryo 213-06, de la Antártida).

El ecosistema lagunar de MELISSA. Fuente: ESA

Queda mucho por investigar para conseguir soportes de vida controlados en el espacio y en ello trabajan, entre otros, los investigadores del consorcio MELISSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative), que agrupa a más de 40 instituciones de 13 países, gestionado por la ESA.

Todo comenzó en 1987 tras comprobar que dos cepas microbianas (imagino que cianobacterias), sobrevivieron 5 días en el espacio a bordo de una cápsula china.

30 años después el concepto sobre el que trabaja MELISSA está basado en el ecosistema de un lago, donde los productos de desecho son aprovechados por el metabolismo de plantas y algas, que a su vez proporcionan alimento, oxigenan el aire y purifican el agua. En el compartimento fotosintético existen dos componentes…

El primero son cianobacterias: Arthrospira platensis, muy útil y conocida porque de ella se obtiene la Spirulina, un suplemento dietético de alto valor nutricional que no tiene nada que ver con las cianobacterias del género Spirulina.

La coincidencia de nombres podría venir de que Arthrospira platensis se describió originalmente en el género Spirulina (Spirulina jenneri var. platensis), pero nada más.

Y el segundo componente son las plantas superiores.

En el consorcio MELISSA se ha experimentado con 32 cultivos diferentes, incluyendo trigo, tomate, patatas, soja, cebolla, lechuga, espinacas, arroz, etc…

Planta piloto de MELISSA, en la Universidad Autónoma de Barcelona. Fuente: ESA

Pero no se confundan: el terreno de Marte no es apto para crecer plantas terrestres y los cultivos que se plantean son hidropónicos, nada que ver con las patatas en «The Martian» !!

Referencias:

-Gross M. Development and optimization of algal cultivation systems. Graduate Theses and Dissertations. Paper 13138 (2013)
-Mills WR & Pierson DL. Growth and Metabolism of the Green Alga, Chlorella Pyrenoidosa, in Simulated Microgravity.  NASA/ASEE Summer Faculty Fellowship Program, Johnson Space Center. 14 pp (2000)
-NASA’s journey to Mars. 36 pp (2015). https://www.nasa.gov/topics/journeytomars/index.html
-Vandenbrink JP y col. Light and gravity signals synergize in modulating plant development. Frontiers in Plant Sci. 5:563 (2014)
-Wang GH y col. Real-time studies on microalgae under microgravity. Acta Astronaut. 55:131-137 (2004)
-Xiao Y. y col. Simulated microgravity alters growth and microcystin production in Microcystis aeruginosa (cyanophyta). Toxicon 56:1-7 (2010)