Estamos rodeados de miles de millones de moléculas que aún no hemos identificado
Al parecer, pocas cosas duran mucho en el mundo de los océanos abiertos. En la capa superficial llena de luz, las algas microscópicas convierten el dióxido de carbono y el agua en biomasa mediante la fotosíntesis. Las células individuales desaparecen en cuestión de horas o días, ingeridas por otras diminutas criaturas o descompuestas por microorganismos como las bacterias.
Mientras que en la tierra los troncos de los árboles pueden permanecer en pie durante siglos e incluso milenios, los diminutos habitantes del mar abierto desaparecen casi sin dejar rastro. Lejos de la costa, para la mayoría de los marinos, lo único que pueden ver es el azul infinito del océano.
Pero, en realidad, la vida en el mar también deja huellas duraderas. En todas partes del océano, desde la superficie hasta las profundidades del mar, desde las regiones polares hasta los trópicos, desde las marismas hasta el fondo del océano, con el tiempo se acumula una mezcla invisible de moléculas: materia orgánica disuelta, o MOD para abreviar.
Cada litro de agua de mar contiene en promedio un miligramo de estos compuestos de carbono solubles en agua. Si esta cifra se extrapola al volumen total de los océanos, significa que alrededor de 700 mil millones de toneladas de carbono están almacenadas en la MOD, más que en todos los organismos vivos terrestres y marinos juntos, y aproximadamente equivalente a la cantidad de dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera.
Parte de esta gigantesca reserva de carbono es increíblemente duradera. "Las moléculas más antiguas tienen más de 10.000 años", señala el Prof. Dr. Thorsten Dittmar. Estos compuestos ayudan a evitar que parte del carbono orgánico del mar se libere directamente a la atmósfera en forma de CO2. Los investigadores sospechan que este amortiguador desempeña un importante papel en la regulación del contenido natural de CO2 en la atmósfera y, por tanto, en la regulación del clima global.
Estamos rodeados de miles de millones de moléculas que aún no hemos identificado
Sin embargo, en esta etapa no se sabe con precisión si la materia orgánica disuelta influye en nuestro clima en una escala de tiempo de siglos a milenios y de qué manera. "Tampoco sabemos qué procesos determinan el tamaño de esta reserva de carbono o, por el contrario, cómo podría afectar el cambio climático a la materia orgánica disuelta", explica Dittmar, jefe del grupo puente de Geoquímica Marina, una colaboración entre el Instituto de Química y Biología del Medio Marino (ICBM) y el Instituto Max Planck de Microbiología Marina desde 2008. Por esta razón, la materia orgánica disuelta no se tiene en cuenta en los actuales modelos climáticos.
Los científicos conocen la existencia de la MOD desde hace más de un siglo y también saben que las algas unicelulares y otros microorganismos excretan materia orgánica disuelta como productos metabólicos o cuando mueren. Pero durante mucho tiempo no estuvo claro de qué compuestos químicos estaba hecha la MOD. Faltaban los métodos analíticos necesarios para determinar su composición química. "Estamos rodeados de miles de millones de moléculas que aún no hemos identificado, pero que controlan la habitabilidad de nuestro planeta", afirma Dittmar.
Identificar estas moléculas es crucial para comprender qué les sucede. Sólo entonces los investigadores podrán generar modelos matemáticos para describir las interacciones entre las moléculas y su entorno y así crear la base para los modelos climáticos globales. ¿Se debe a su estructura que algunos de estos compuestos sobrevivan durante milenios? Los investigadores comenzaron a encontrar respuestas preliminares a esta pregunta hace más de dos décadas.
En la Universidad Estatal de Florida, donde Dittmar era profesor asistente, él y un equipo de investigadores realizaron los primeros análisis de muestras de agua de mar utilizando un nuevo tipo de herramienta, la espectrometría de masas de ultra alta resolución, y encontraron miles de tipos diferentes de moléculas orgánicas. "Ese fue mi momento eureka personal", dice Dittmar. Los resultados revelaron la enorme (y hasta ahora inimaginada) diversidad molecular de la materia orgánica disuelta.
Esto animó a Dittmar a profundizar más, aunque al principio el progreso fue lento. En aquel entonces, evaluar los datos proporcionados por el espectrómetro de masas llevaba meses. Mientras tanto, el geoquímico ha logrado significativos avances. Su laboratorio en Oldenburg alberga el espectrómetro de masas de ultra alta resolución para investigación marina más potente del mundo.
Sus análisis de masas moleculares son lo suficientemente precisos como para permitir la asignación de fórmulas moleculares o, dicho más simplemente, para determinar el número de átomos de elementos como carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno que están presentes en un compuesto. Gracias a la colaboración con los matemáticos del ICBM y a la moderna potencia informática, hoy en día los investigadores pueden evaluar todos estos datos en cuestión de minutos.
Los resultados muestran que cada litro de agua de mar contiene millones de sustancias diferentes, aunque determinar la cantidad exacta es prácticamente imposible porque, como han demostrado otros experimentos, para cada fórmula molecular probablemente existen muchas diferentes estructuras moleculares. Otro método, la espectroscopia de resonancia magnética nuclear, ha demostrado cómo están unidos algunos de los elementos de las moléculas, proporcionando así pistas sobre la estructura molecular. El grupo de investigación de Dittmar está construyendo actualmente un nuevo laboratorio que albergará el gran instrumento necesario para llevar a cabo esta investigación.
Presumiblemente, los procesos en el fondo del océano son similares a los de la columna de agua
Todos estos datos proporcionan información sobre el diverso mundo de las moléculas orgánicas de larga vida. En este mundo, los microorganismos juegan un papel crucial no sólo como fuente de CO2, sino también en su almacenamiento. Ingieren materia orgánica y utilizan sus herramientas, enzimas muy específicas, para romper ciertos enlaces moleculares y liberar nuevas sustancias. Los grupos de investigación de microbiología de Oldenburg y Bremen también estudian, entre otros, estos organismos y sus enzimas. Juntos, los investigadores proporcionan valiosa información sobre el mundo de las moléculas y los microbios desde diferentes ángulos.
Por ejemplo, un experimento comparativamente sencillo realizado por los investigadores del Centro de Investigación Colaborativa Roseobacter de Oldenburg, que recientemente concluyó sus actividades, ilustra la complejidad de las interacciones entre microorganismos y moléculas: los resultados mostraron que una sola especie de bacteria que se alimenta de un solo azúcar en un cultivo de laboratorio excreta decenas de miles de sustancias en gran medida desconocidas.
Sobre la base de tales experimentos y observaciones, los investigadores llegaron a la conclusión de que las sustancias de larga duración son un producto de desecho molecular de los procesos de degradación enzimática. "Las células excretan activamente estas sustancias porque no pueden utilizarlas", explica Dittmar.
Según una hipótesis, algunas de estas sustancias se acumulan porque su estructura molecular impide que se descompongan más. Sin embargo, esta hipótesis se ve cuestionada por el hecho de que apenas existen en la Tierra sustancias que los microorganismos no puedan procesar.
En consecuencia, los investigadores sospechan que existe otra razón por la que los microorganismos, y especialmente los de las profundidades marinas, paradójicamente no utilizan este abundante suministro de alimentos. Postulan que los procesos de ingestión, procesamiento y excreción producen cada vez más compuestos nuevos en concentraciones cada vez más bajas. Como resultado, a pesar de la abundancia de moléculas, a los microorganismos les resulta cada vez más difícil encontrar aquellas que puedan procesar.
El trabajo de la Dra. Sinikka Lennartz apoya esta hipótesis. Lennartz, profesora junior de modelado biogeoquímico de océanos en la Universidad de Oldenburg, crea modelos de red que describen las interacciones (aquí en términos muy simplificados) de la siguiente manera: un organismo en la red ingiere una determinada sustancia y excreta dos sustancias nuevas.
Aparece otro organismo, selecciona sólo una de las dos sustancias y excreta dos más en el agua, de las cuales sólo una es procesada por un tercer organismo, y así sucesivamente. Este modelo de red ofrece resultados que están "bastante cerca de la concentración media y la edad media de la materia orgánica disuelta en el océano real", dice Lennartz.
Imagen: Las estrellas frágiles son muy valiosas para el ecosistema de las profundidades marinas como recicladoras de desechos. Aquí se encuentran con crinoideos en una roca a una profundidad de 560 metros en el Atlántico occidental. MARUM − Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universidad de Bremen
Según los investigadores, por ello es decisivo el modo en que interactúan los organismos y las moléculas en su entorno natural. Dittmar habla aquí de la "ecología de las moléculas", que tiene un papel más allá del mar abierto: en determinados lugares también se encuentran grandes cantidades de materia orgánica disuelta de larga vida en el fondo marino. Como parte del grupo de excelencia "The Ocean Floor", con sede en la Universidad de Bremen, el equipo de geoquímicos investiga la interacción entre la materia disuelta y las sustancias que contienen carbono que se encuentran en las partículas.
"Es de suponer que los procesos en el fondo del océano son similares a los que ocurren en la columna de agua", dice Dittmar. En realidad, esto último puede ser incluso más complejo, en parte porque la estructura sedimentaria sirve como una eficaz barrera física que separa las sustancias de los organismos. Junto con los microbiólogos, los investigadores de Oldenburg planean explorar con mayor detalle los procesos en el fondo del océano y su papel en el ciclo del carbono, y también fusionar la experiencia geológica de los investigadores de Bremen con los conocimientos ecológicos y geoquímicos de Ol-denburg en un nuevo grupo de excelencia.
El grupo de Dittmar también participa en varios proyectos de investigación de Oldenburg centrados en entornos marinos poco profundos. Aquí también Dittmar ve la necesidad de más investigación, sobre todo en relación con la cuestión de si una gestión de ecosistemas cuidadosamente calibrada podría ayudar a estos entornos a almacenar más carbono del que han almacenado hasta ahora.
Los hallazgos sobre procesos que tienen lugar a pequeña escala no pueden extrapolarse simplemente a escalas globales
Sin embargo, con todos estos proyectos, persiste el siguiente desafío: los hallazgos sobre procesos que tienen lugar a pequeña escala no pueden extrapolarse simplemente a escalas regionales, y mucho menos globales, como los océanos del mundo. Las interacciones en la red microbiana son demasiado complejas para eso.
Pero, en última instancia, esta es la única manera de descubrir qué papel desempeña la materia orgánica disuelta en el ciclo del carbono y, por tanto, en nuestro clima. Dadas estas limitaciones, la experta en modelos Sinnika Lennartz toma los hallazgos de estudios detallados e identifica los procesos más importantes, luego integra solo estos hallazgos simplificados en sus modelos más amplios.
Este enfoque ayuda a arrojar luz sobre los patrones de distribución a gran escala de la materia orgánica disuelta en el océano. Los investigadores saben, por ejemplo, que la materia orgánica disuelta se acumula en las regiones pobres en nutrientes de los océanos subtropicales. Presumiblemente, los microorganismos que viven en estas zonas no pueden descomponer estas sustancias porque carecen de otros nutrientes, como el nitrógeno o el fósforo, que son cruciales para su crecimiento.
"Si incorporamos esto en el modelo, podemos reproducir los patrones observados y así localizar grandes reservas de carbono en los océanos del mundo", explica Lennartz.
Combinando mediciones, experimentos y modelización, los investigadores se acercan gradualmente a su objetivo de comprender mejor las moléculas y su ciclo para poder integrar este conocimiento en modelos climáticos globales. Como el tamaño de la reserva de carbono orgánico disuelto es enorme, incluso pequeños cambios podrían tener un importante impacto en la capacidad del océano para almacenar CO2. Queda por ver si este es realmente el caso. Para Dittmar, en cualquier caso, continúa la búsqueda para comprender las huellas invisibles de la vida en el profundo mar azul.
