Somos lo que comemos. En el océano, buena parte de la vida obtiene su alimento del fitoplancton, un conjunto de algas microscópicas parecidas a plantas que flota en las capas superiores iluminadas por el Sol. Estas microalgas son la principal fuente de alimento del kril, los caracoles marinos, algunos peces pequeños y las medusas, que a su vez alimentan a animales marinos mayores y a los principales depredadores del océano, incluidos los seres humanos.
Un estudio del MIT, publicado en Nature Climate Change, indica que el calentamiento del océano puede cambiar de manera importante la composición nutricional de esa base alimentaria. A medida que aumente la temperatura de la superficie del mar durante el próximo siglo, el fitoplancton de las regiones polares podría volverse menos rico en proteínas, más rico en carbohidratos y, en términos generales, contener menos nutrientes.
La autora principal, la investigadora posdoctoral del MIT Shlomit Sharoni, resume el escenario con una imagen llamativa: "Estamos avanzando en los polos hacia una especie de océano de comida rápida". Según Sharoni, la composición nutricional de la superficie del océano será muy diferente a finales de siglo.
Un cambio de aproximadamente 20%
El equipo simuló un escenario en el que los seres humanos continúan emitiendo gases de efecto invernadero hasta 2100. En esas condiciones, los cambios oceánicos, sobre todo en las regiones polares, alterarían aproximadamente un 20% el equilibrio entre proteínas, carbohidratos y lípidos del fitoplancton.
El modelo combina experimentos de laboratorio con un modelo establecido de circulación y dinámica oceánica desarrollado anteriormente en el MIT. Las simulaciones consideran la temperatura, la circulación, la disponibilidad de luz, los nutrientes y la cobertura de hielo marino en distintas zonas del planeta y bajo diferentes escenarios climáticos.
En la representación de las condiciones actuales, el modelo calcula que algo más de la mitad de una célula promedio de fitoplancton está formada por proteínas. El resto es una mezcla de carbohidratos y lípidos. En los polos, el fitoplancton es ligeramente más rico en proteínas, posiblemente porque el hielo marino reduce la luz disponible y favorece una mayor producción de proteínas destinadas a captarla.
Las figuras del estudio presentan valores medios preindustriales modelados e integrados en profundidad para la asignación celular, expresados en mol C por mol C, de proteínas y de carbohidratos más lípidos combinados. También muestran el contenido energético, expresado en kcal por gramo de carbono, y las razones molares C:N org, C:P org y N:P org de la materia orgánica que incluye fitoplancton, herbívoros y POM. Las zonas blancas representan regiones donde la cobertura de hielo marino supera el 50%.
Menos hielo, más carbohidratos y lípidos
En el escenario futuro, la temperatura de la superficie oceánica aumentaría 3 grados Celsius y la cobertura de hielo marino se reduciría de forma sustancial. El calentamiento también limitaría la circulación oceánica y la cantidad de nutrientes que pueden subir desde las profundidades.
Con menos hielo, el fitoplancton polar recibiría más luz y ya no necesitaría producir tanta proteína para captar la radiación solar. El modelo prevé que su población aumentará significativamente, en línea con estudios anteriores, pero que pasará de una composición rica en proteínas a otra dominada por carbohidratos y lípidos.
Los niveles totales de proteína del fitoplancton polar podrían caer hasta un 30%, con un aumento correspondiente de carbohidratos y lípidos. Las tendencias simuladas se calcularon para el periodo 2070-2100 en relación con 1870-1900 e incluyen la asignación celular integrada en profundidad de proteínas totales y de carbohidratos más lípidos.
El equipo también separó las proteínas fotosintéticas de las biosintéticas y calculó los cambios en la biomasa superficial, entre 0 y 115 metros, expresada en mmol C por metro cúbico. Otra proyección considera el contenido energético celular integrado en profundidad, en kcal por gramo de carbono, además de las razones C:N org, C:P org y N:P org de la materia orgánica que reúne fitoplancton, herbívoros y POM.
El contraste de las regiones subtropicales
El patrón no sería igual en todas las zonas. En regiones subtropicales de latitudes más altas, se espera que las poblaciones de fitoplancton disminuyan un 50%. El calentamiento reduciría la circulación y limitaría el ascenso de nutrientes desde las profundidades, obligando posiblemente a estos organismos a vivir a mayores profundidades para equilibrar la disponibilidad de luz y nutrientes.
En esas condiciones, el fitoplancton subtropical podría volverse ligeramente más rico en proteínas. Utilizaría proteínas fotosintéticas que los organismos polares necesitarían en menor cantidad debido a la reducción del hielo marino. Considerado a escala mundial, el promedio del fitoplancton se desplazaría hacia una composición con más carbohidratos y menos nutrientes.
El fitoplancton realiza fotosíntesis y depende de la luz solar, del dióxido de carbono atmosférico y de nutrientes como el nitrógeno y el hierro, que afloran desde el océano profundo. Además de producir la mitad del oxígeno de nuestra atmósfera, cumple un papel fundamental en la exportación y el almacenamiento de carbono en las profundidades oceánicas. El estudio también ayuda a prever cambios en la razón de Redfield.
Macromoléculas en la base de la cadena
Las macromoléculas son moléculas grandes esenciales para la vida. Entre sus principales tipos están las proteínas, los lípidos, los carbohidratos y los ácidos nucleicos, que son los componentes básicos del ADN y el ARN. Toda forma de vida, incluido el fitoplancton, mantiene un equilibrio de macromoléculas que le permite sobrevivir en condiciones ambientales específicas.
"Casi todo el material de un organismo vivo está en estas formas moleculares amplias, cada una con una función fisiológica específica, dependiendo de las circunstancias en las que se encuentra el organismo", explica Michael J. Follows, profesor del Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias del MIT. Sharoni añade que existe conciencia de que el valor nutricional del fitoplancton puede cambiar con el clima, pero que se había trabajado poco para abordar directamente esa cuestión.
Para construir el modelo, el equipo analizó primero cómo las condiciones oceánicas actuales influyen en la composición macromolecular. Utilizó datos de experimentos de laboratorio realizados por colaboradores de la Universidad Dalhousie, que mostraron cómo cambian las proporciones de proteínas y carbohidratos cuando varían la temperatura del agua, la luz y los nutrientes.
Sharoni y Keisuke Inomura combinaron después ese modelo cuantitativo con el modelo de circulación y dinámica oceánica del MIT. Los coautores del estudio son Mick Follows, Stephanie Dutkiewicz y Oliver Jahn, del MIT; Keisuke Inomura, de la Universidad de Rhode Island; Zoe Finkel, Andrew Irwin y Mohammad Amirian, de la Universidad Dalhousie, en Halifax, Canadá; y Erwan Monier, de la Universidad de California en Davis.
Señales observadas en el Ártico y la Antártida
Los investigadores compararon las predicciones con un pequeño conjunto de muestras reales reunidas por otros científicos en el Ártico y la Antártida. En el Ártico se utilizaron 307 observaciones de proteína y 302 de carbohidratos y lípidos combinados. Las fuentes fueron Irwin et al., 1980, 1984, 1983a y 1983b; Kim et al., 2015 y 2020; Yun et al., 2015; Ahn et al., 2019; y Choe et al., 2021.
Para la Antártida se incluyeron 85 observaciones de proteína y 93 de carbohidratos y lípidos combinados. Los datos proceden de Handa y Tanoue, 1983; Fabiano et al., 1993 y 1996; Fabiano y Pusceddu, 1998; Pusceddu et al., 1999; Kim et al., 2016 y 2018; Misic et al., 2024; y Jo et al., 2021.
Los diagramas de caja de esos datos muestran la mediana, o percentil 50, como línea central. Los límites de la caja representan los percentiles 25 y 75, mientras que los bigotes indican los percentiles 5 y 95. Solo se incluyeron datos obtenidos mediante métodos colorimétricos.
Las muestras indican que el fitoplancton se volvió más rico en carbohidratos y lípidos durante las últimas décadas, como predecía el modelo para un escenario de calentamiento. "En estas regiones ya se pueden observar los cambios climáticos, porque el hielo marino ya se está derritiendo", explica Sharoni. "Nuestro modelo muestra que las proteínas del plancton polar están disminuyendo, mientras aumentan los carbohidratos y los lípidos".
Follows señala que el cambio climático se está acelerando en el Ártico y que ya existen datos que muestran una respuesta en la composición del fitoplancton. El efecto sobre el resto de la red alimentaria sigue siendo incierto. Algunos organismos podrían verse perjudicados por la reducción de proteínas, mientras que otros, especialmente los que almacenan lípidos para sobrevivir al invierno, podrían prosperar.
El contenido calórico en la base de la cadena alimentaria marina ya está cambiando. La cuestión abierta es cómo esa transformación se propagará por los niveles superiores del océano.
Phys.org presenta estas investigaciones como parte de sus novedades de ciencia, tecnología y espacio, y señala que más de 100.000 suscriptores reciben información diaria. El sitio ofrece un boletín gratuito con actualizaciones diarias o semanales sobre descubrimientos, innovaciones e investigaciones importantes.
Reportaje: Anne Silva / Revista Amazônia
