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El blanqueamiento del nori

Imagen de portada: «Tostando una lámina de nori» (1864). Autor: 歌川国貞

Cultivar macroalgas para consumo humano es un concepto poco común en la cultura occidental. Relacionamos las algas con productos cosméticos, industria farmacéutica o aditivos alimentarios pero (con permiso del sushi) rara vez incluimos un plato con algas «visibles» en nuestro menú.

Puesto de venta en Puerto Natales (Chile) con algas secas (Cochayuyo: Durvillaea antarctica y Luche: Pyropia spp.). Autor: F. Rodríguez

Y sin embargo, 6 de los 7 billones de US$ que supone el mercado mundial de algas corresponden a la alimentación.

El sureste asiático concentra la práctica totalidad de su producción (99,6%), liderada por China, Indonesia, Filipinas, las dos Coreas y Japón.

Otro asunto es la captura de ejemplares salvajes, con Chile a la cabeza (42%), seguido de China (28%) y otros países en menor proporción como Canadá, Francia, etc.

Las algas forman parte habitual de la dieta en países asiáticos como Japón, donde el consumo de nori está documentado desde el s.VIII, aunque su cultivo data del siglo XVI y la elaboración de nori en láminas procede del s.XVIII, durante el período Edo (1603-1868). Sí, el de las estampas japonesas ukiyo-e como la gran ola de Kanagawa.

Ilustraciones originales de Pyropia californica (Fig. 5a-d). Autor: Agardh (1899). Fuente: Biodiversity Heritage Library.

El producto que conocemos como nori –y que sirve para elaborar los rollitos de sushi– consiste en láminas secas de algas rojas antes incluidas en el género Porphyra, como P. yezoensis y P. tenera. Esta clase de nori supone ∼30% de la producción acuícola de algas en Japón.

Sutherland y col. (2011) rebautizaron la mayoría de especies de Porphyra en base a datos genéticos transfiriéndolas a Pyropia, un antiguo género creado por J. Agardh (1899) para Pyropia californica.

A menudo leemos o escuchamos sobre el blanqueamiento y la muerte del coral debido al aumento de temperatura en el mar. Pero en países asiáticos como Japón también preocupan las consecuencias de otro tipo de blanqueamiento: el del nori.

Se trata de un fenómeno completamente distinto, del que son responsables las diatomeas, y que se ha ido agravando en algunas zonas de producción con la mejora de las condiciones ambientales.

Sorprendente, ¿verdad? Pues aquí tienen la explicación.

El mar interior de Seto, en el sur de Japón, es una de las zonas más industrializadas y pobladas del país con 30 millones de habitantes, que además concentra una intensa actividad acuícola ligada al pescado, marisco y las algas.

Cultivos de ostras en el mar interior de Seto. Fuente: Alamy

La presión antropogénica provocó la eutrofización del mar de Seto y ese exceso de nutrientes –positivo para el cultivo de macroalgas– conllevó también desde los 60′ un aumento exponencial de las proliferaciones tóxicas e ictiotóxicas de fitoplancton («fish killer algae«), así como otras no tóxicas pero nocivas porque la descomposición masiva de sus mareas rojas consume y puede agotar el oxígeno del agua.

Dichos blooms alcanzaron su «máximo esplendor» en 1976, con 299 proliferaciones !!

Las autoridades promulgaron en 1973 una ley especial para el mar de Seto con la intención de atajar el desastre socioeconómico y medioambiental.

Fuente: Abo y col. (ICES CM2012/Q:16). Fuente: ICES.

Y fue bastante efectiva: las descargas de compuestos orgánicos con alta Demanda Química de Oxígeno (DQO, indicador de contaminantes) se redujeron a menos de la mitad en 1997 y continúan bajando hasta el presente. También las proliferaciones nocivas de fitoplancton: unas 100 al año.

Aunque la caída de nitrógeno inorgánico disuelto ha conllevado un descenso paralelo en la producción de nori.

Entre las especies de fitoplancton nocivas en el Mar de Seto destacaban -y destacan- dinoflagelados como Karenia mikimotoi, Heterocapsa circularisquama, Margalefidium polykrikoides y rafidofíceas de los géneros Chattonella y Heterosigma.

Coscinodiscus sp. Imagen de microscopía electrónica de barrido (CACTI, UVIGO). Autor: F. Rodríguez.

Pero dichos organismos no son los culpables del deterioro y blanqueamiento del nori, sino las proliferaciones entre otoño y primavera de diatomeas como Chaetoceros, Eucampia, Coscinodiscus, Thalasiossira, Skeletonema y Rhizosolenia.

El mismo problema sucede en otro mar cercano, el de Ariake, esta vez por culpa de proliferaciones invernales de la diatomea Asteroplanus karianus.

Si bien el descenso de nutrientes ha disminuido las proliferaciones y mareas rojas de rafidofíceas y dinoflagelados, en contrapartida las diatomeas han progresado gradualmente en algunas regiones del mar de Seto como Harima-Nada. 

En los 80′ eran los blooms de Coscinodiscus wailesii pero a mediados de los 90′ se unió una nueva invitada a la fiesta: Eucampia zodiacus. Las diatomeas «florecen» en Harima-Nada entre enero y abril, cuando las condiciones de nutrientes y turbulencia en la columna de agua son adecuadas para el crecimiento de sus poblaciones.

Gracias a la ley de 1973 se redujo el aporte de nutrientes antropogénicos, y al mismo tiempo la temperatura media ha aumentado en el mar de Seto 0.042 °C al año entre 1974-2008. Puede parecer poco pero si multiplican por 35 años el resultado es 1,5 °C. Y el aumento de temperaturas e inviernos más suaves también benefician a las diatomeas.

Eucampia zodiacus. Fuente: Phytopedia.

Sus proliferaciones son como el caballo de Atila: por donde pasan no crece la hierba, bueno en este caso el nori, porque compiten eficazmente por los nutrientes. Llegan a agotarlos durante la época de cultivo y cosecha del nori, afectando a su crecimiento y provocando su deterioro y blanqueamiento, con serios perjuicios económicos.

Los blooms de E. zodiacus en Harima-Nada han agravado el problema convirtiéndose en la causa principal de blanqueamiento del nori.

Sin embargo, existe una característica del ciclo de vida en las diatomeas que podría servir para predecir su proliferación, gestionar mejor el cosechado del nori y reducir el impacto del blanqueamiento.

La reproducción asexual en las diatomeas reduce a lo largo del año el tamaño promedio de las células. Cuando alcanzan un umbral mínimo de talla se induce la reproducción sexual y en el caso de Eucampia zodiacus y Harima-Nada se ha observado que la población recupera su talla máxima en otoño.

Pues bien, Nishikawa & Imai (2011) descubrieron una correlación negativa entre la abundancia de E. zodiacus en otoño (en promedio desde la fecha donde aparecen las primeras células grandes hasta la recuperación de la talla máxima de la población) y el período en días hasta el bloom de invierno/primavera, responsable del blanqueamiento del nori.

Evolución del tamaño celular de Eucampia entre 2002-2008 en una estación en Harima-Nada (mar de Seto). Fuente: Nishikawa & Imai (2011).

Suena lógico: a menor población inicial, menor inóculo y más tardarán en proliferar las diatomeas (entre 50-150 días en función del año).

Y el dato de interés para comenzar la cuenta atrás del bloom lo señala como un reloj el regreso a la talla máxima de Eucampia, en concreto la fecha en la que la proporción de células pequeñas vs. grandes es 1:1.

Para terminar les mencionaré una de las medidas de prevención del blanqueamiento del nori (adecuada según modelos matemáticos) en algunas zonas de producción: vertidos locales de aguas residuales desde plantas depuradoras. En fin…

Referencias:

-Imai I & col. Eutrophication and occurrences of harmful algal blooms in the Seto Inland Sea, Japan. Plankton Benthos Res. 1: 71-84 (2006).
-Nayar S & Bott K. Current Status of Global Cultivated Seaweed Production and Markets. World Aquaculture, pp. 32-37 (June 2014).
-Nishikawa T & col. Nutrient and Phytoplankton Dynamics in Harima-Nada, Eastern Seto Inland Sea, Japan During a 35-Year Period from 1973 to 2007. Estuaries and Coasts 33:417-427 (2010).

La gran ola de Kanagawa. Autor: Katsushika Hokusai (1826-1833). Fuente: Wikimedia Commons.

-Nishikawa T & col. Long time-series observations in population dynamics of the harmful diatom Eucampia zodiacus and environmental factors in Harima-Nada, eastern Seto Inland Sea, Japan during 1974–2008. Plankton Benthos Res. 6: 26-34 (2011).
-Nishikawa T & col. Prediction of the occurrence of bleaching in aquacultured «nori» by the harmful diatom Eucampia zodiacus. Nippon Suisan Gakkaishi 77:876-880 (2011).
-Shikata T & col. Effects of temperature, salinity, and photosynthetic photon flux density on the growth of the harmful diatom Asteroplanus karianus in the Ariake Sea, Japan. Fish. Sci. 81:1063-1069 (2015).
-Sutherland JE & col. A new look at an ancient order: generic revision of the Bangiales (Rhodophyta). J. Phycol. 47:1131-1151 (2011).

Feliz Navidad Mr. Lawrence

4171087582_2e375e7d42_o.jpgPsycho!!!!!!«Every so often someone manages to remove another stone from the wall through which we all want to see, and the crowds tend to flock around the new peep hole». [A veces alguien quita una piedra del muro por el cual todos ansiamos mirar y nos abalanzamos sobre el nuevo agujero].

Estas fueron las palabras de Bessel Kok hacia Lawrence Blinks y Robert Emerson por sus descubrimientos sobre la fotosíntesis. Las pronunció en Warrenton (VA, EEUU) durante un congreso, en 1963.

Me centraré en Blinks, quien dedicó una larga y brillante carrera al estudio fisiológico de las algas, en particular la fotosíntesis. Con él aprendimos que la fotosíntesis no es ciega a los colores y todo ello gracias al «Efecto Blinks». Pero si queremos entender qué es el «Efecto Blinks» (nada que ver con un desodorante) antes hay que explicar un par de cosillas sobre la fotosíntesis…

Blinks

Lawrence Blinks (1900-1989), fue miembro de la National Academy of Sciences y director de la Stanford’s Hopkins Marine Station durante 21 años. Fuente: Thorhaug & Berlyn (2009).

Gracias a ella los vegetales aprovechan la energía solar para fabricar sustancias orgánicas, base de la vida en nuestro planeta. Entender en qué consiste la fotosíntesis puede provocar un mes de jaqueca, pero lo intentaré resumir de forma sencilla y harto divertida.

La fotosíntesis permite sintetizar compuestos orgánicos (azúcares) a partir de moléculas simples: consume CO2 + agua y libera oxígeno.

La «fotosíntesis artificial» no está conseguida a escala industrial, aunque desarrollar la tecnología necesaria en este sentido supondrá (estoy seguro) acceder a una fuente de energía renovable en forma de hidrógeno o metanol.

Ian McEwan usó la fotosíntesis artificial como telón de fondo para los enredos del protagonista de su novela «Solar», el físico Michael Beard, un desastre con patas que dirige un instituto de energías renovables.

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Solar (2010)

 

A lo que íbamos. La fotosíntesis: piensen en una bici «mágica» que se mueve gracias a la luz. Los «pedales» serían las antenas fotosintéticas, las «ruedas» los fotosistemas I y II y la «cadena de transmisión» la cadena de transporte de electrones.

Las antenas fotosintéticas son pigmentos+proteínas que capturan fotones de luz visible para cada fotosistema. Los fotones que capta la antena del fotosistema II viajan a un centro de reacción (en última instancia una molécula de clorofila a) que posee 4 iones Manganeso a los que consiguen arrancar hasta 4 electrones. Éstos pasan a su vez a la cadena de transporte de electrones que transmite la excitación al fotosistema I.

 

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Las partes del cloroplasto. Autor: Ollin. Fuente: Wikimedia commons.

 

 

Los electrones perdidos por los iones Manganeso se recuperan mediante la oxidación del agua, que libera oxígeno e hidrógeno. Oxidarse es perder electrones, no lo olviden nunca queridos(as)…

Así que el fotosistema II es responsable del oxígeno que produce la fotosíntesis. Mientras, el hidrógeno del agua se acumula dentro de unas estructuras en forma de saco, los tilacoides, y acidifica su medio interno (lumen).

El gradiente de hidrógeno (diferencia de pH) respecto al medio externo de los tilacoides (estroma) es la fuerza motriz que genera energía para fabricar ATP, mientras que los electrones que llegan al fotosistema I permiten sintetizar NADPH. Ambas moléculas concentran la energía química que se emplea en la mal llamada «fase oscura» de la fotosíntesis (ésa que sólo ocurre durante el día!!) donde se producen moléculas simples como el gliceraldehído-3-fosfato durante el ciclo de Calvin, inicio de la síntesis de azúcares como la glucosa y demás moléculas orgánicas en los vegetales.

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Autor: Fuente: Wikimedia commons.

Todo esto les causará chispazos (de placer o dolor) en su memoria de estudiantes. Si prefieren ver un vídeo, aprovechando que estamos en internet, les recomiendo este enlace (en inglés, of course). Pero por favor vuelvan otra vez que aún queda lo mejor.

Nuestro hombre de hoy, Lawrence Blinks, es y será recordado principalmente por dos asuntos: el electrodo de oxígeno «Haxo-Blinks» y sí !! tachán-chaaaaán!!!!: el «Efecto Blinks».

 

Pero antes de continuar, unos minutos musicales dedicados a Mr. Lawrence Blinks, y qué mejor que esto…

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Porphyra nereocystis. El alga roja que estudiaron Haxo & Blinks en un famoso trabajo de 1950. Fuente: Introduction to Rhodophyta.

A Blinks le interesaban especialmente las algas rojas porque planteaban un desafío especial. Poseen ficoeritrina, un pigmento que refleja la luz roja y es responsable del color típico de esas algas.

Absorbe luz a longitudes de onda intermedias (color verde) donde otros pigmentos (clorofilas y carotenoides) son muy torpes.

Cuando comenzó su trabajo nadie sabía si la ficoeritrina era activa en la fotosíntesis, todo el protagonismo era para las clorofilas. Y Mr. Lawrence tenía muchas algas rojas cerca de su laboratorio en Pacific Grove (California).

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Clorofilas y carotenoides absorben en longitudes de onda bajas o altas, mientras que la ficoeritrina y ficocianina aprovechan las intermedias. Fuente: Wageningenur.

 

En los años 30′ todo era casero y éste fue otro mérito añadido de científicos como Blinks: ellos mismos desarrollaban los instrumentos que necesitaban (o perfeccionaban diseños anteriores) para realizar las ideas y experimentos que bullían en su cabeza.

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Diagrama del electrodo de platino para medir producción de oxígeno de Haxo & Blinks. Fuente: Fig. 1, Haxo & Blinks (1950).

El electrodo de oxígeno de «Haxo-Blinks» (Blinks & Skow, 1938; Haxo & Blinks 1950) era una técnica sensible y precisa para determinar la tasa de fotosíntesis tanto en algas como suspensiones de cloroplastos, a partir de la producción de oxígeno.

 

Con él, Blinks y sus colaboradores se lanzaron a estudiar algas verdes, pardas y rojas, a las que iluminaban con luces de todos los colores para comprobar cómo absorbían la luz (espectros de absorción) y cuantificar la fotosíntesis (espectros de acción).

Para ello emplearon otro ingenioso diseño: un monocromador que emitía haces de luz de sólo 10 nm de ancho de banda, que iban moviendo desde 400 a 700 nm para cubrir el espectro de luz visible. Realizar un espectro completo les llevaba de 3 a 6 horas, pero los resultados finales fueron sorprendentes y revolucionarios.

GRAFICA ESPECTROS

Espectros de absorción y acción de Ulva y Porphyra. Fuente: Haxo & Blinks (1950).

 

 

Así que en 1946 Blinks se encerró a trabajar junto a un joven estudiante (Francis Haxo), en un laboratorio oscuro de Pacific Grove del que [«apenas salían para escuchar a las focas en la costa y oler las sardinas de las fábricas de conservas de Cannery Row»; (Haxo, 2008)].

Cuando Blinks publicó los resultados de aquel trabajo en un congreso en Chicago (1949), la prensa publicó titulares como «California Scientists Challenge Role Of Chlorophyll» [Científicos de California desafían el papel de la clorofila].

No sólo habían descubierto que la ficoeritrina sí era activa en la fotosíntesis, sino que aparentemente la mitad de la clorofila no lo era. En la gráfica superior está el alga verde Ulva. El espectro de absorción (puntos blancos) y de acción (negros) son parecidos. Significa que todo lo que absorbe activa a su vez la producción de oxígeno en fotosíntesis. Debajo está el alga roja Porphyra: los puntos negros sólo se acercan al espectro de acción en la parte media del espectro, donde absorbe la ficoeritrina. En los extremos, donde absorben las clorofilas, la producción de oxígeno es muy baja.

La explicación es que la antena fotosintética principal de las algas rojas son los ficobilisomas, con pigmentos como la ficoeritrina. Los ficobilisomas solo se encuentran en las cianobacterias y en algunos eucariotas: algas rojas y glaucofíceas. Y a diferencia de éstas, las algas pardas y verdes no poseen ficobilisomas por lo que sus espectros de absorción y acción no tienen nada que ver. Volviendo al símil de la bici: los «pedales» de las algas rojas captan luz mediante la ficoeritrina mientras que en las demás son las clorofilas y carotenoides.

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Fuente: lookfordiagnosis.com

El «efecto Blinks». Mr. Lawrence siguió tirando del hilo y descubrió otro curioso fenómeno en Porphyra: si iluminaba con luz roja (675 nm) y luego verde (560 nm) se producía un incremento en la fotosíntesis mientras que si lo hacía al revés (del verde al rojo) la producción de oxígeno disminuía. Lo explicó por cambios en la respiración. Las algas también respiran, son eucariotas y tienen mitocondrias como nosotros, pero ésa no era la razón…

En realidad, el «efecto Blinks» fue la primera evidencia de que existían dos reacciones (fotosistemas I y II) en la fotosíntesis.

Él no lo podía saber, pero los ficobilisomas son la antena del fotosistema II. La ficoeritrina absorbe luz verde pero no roja: activa el fotosistema II, que produce oxígeno y transfiere electrones al fotosistema I. Sin embargo, el efecto de la luz roja es otro porque sólo la absorben las clorofilas: la luz roja activa las reacciones del fotosistema I que no producen oxígeno, sólo poder reductor.

El «efecto Blinks» sirvió de inspiración para que Robert Emerson demostrase en 1957 la existencia de 2 reacciones fotosintéticas en el alga verde Chlorella con el «efecto Emerson», lo cual llevó a caracterizar finalmente los fotosistemas I y II. Pero ésa es otra historia y por hoy ya es suficiente…

Desde aquí les deseo a todas y todos Feliz Navidad !!

Referencias:

-Haxo FT & Blinks LR. Photosynthetic action spectra of marine algae. J. Gen. Physiol. 33:389-422 (1950).
-Thorhaug A & Berlyn G. A tribute to Lawrence Rogers Blinks (1900-1989): light and algae. Photosynth. Res. 100:129-141 (2009).