La composición del plancton marino podría pasar de ser rica en proteínas a ser rica en carbohidratos
Somos lo que comemos. Y en el océano, la mayoría de las formas de vida obtienen su alimento del fitoplancton. Estas algas microscópicas, similares a las plantas, son la principal fuente de alimento para el krill, los caracoles marinos, algunos pequeños peces y las medusas, que a su vez alimentan a animales marinos más grandes que son presa de los principales depredadores del océano, incluidos los humanos.
Ahora, científicos del MIT están descubriendo que la composición del fitoplancton, y la dieta básica del océano, cambiarán significativamente con el cambio climático.
En un estudio de acceso abierto, el equipo informa que, a medida que aumenten las temperaturas de la superficie del mar durante el próximo siglo, el fitoplancton en las regiones polares se adaptará para ser menos rico en proteínas, más rico en carbohidratos y con un menor contenido general de nutrientes.
Las conclusiones se basan en los resultados del nuevo modelo del equipo, que simula la composición del fitoplancton en respuesta a los cambios en la temperatura del océano, la circulación y la cobertura de hielo marino.
En un escenario en el que los humanos continúan emitiendo gases de efecto invernadero hasta el año 2100, el equipo descubrió que el cambio en las condiciones oceánicas, particularmente en las regiones polares, modificará el equilibrio de proteínas, carbohidratos y lípidos del fitoplancton en aproximadamente un 20 por ciento. Los investigadores analizaron observaciones de las últimas décadas y ya han encontrado una huella de este cambio en el mundo real.
"Nos estamos desplazando en los polos hacia una especie de océano de comida rápida", afirma Shlomit Sharoni, autora principal e investigadora postdoctoral del MIT. "Según esta predicción, la composición nutricional de la superficie oceánica será muy diferente para finales de siglo".
Información nutricional
El fitoplancton flota a la deriva en las capas superiores del océano, iluminadas por el sol. Al igual que las plantas terrestres, las microalgas marinas son fotosintéticas. Su crecimiento depende de la luz solar, el dióxido de carbono de la atmósfera y nutrientes como el nitrógeno y el hierro que ascienden desde las profundidades oceánicas.
Al estudiar cómo responderá el fitoplancton al cambio climático, los científicos se han centrado principalmente en cómo afectará el aumento de la temperatura del océano a las poblaciones de fitoplancton. Sin embargo, aún no se comprende del todo si la composición del plancton cambiará ni de qué manera.
"Existe conciencia de que el valor nutricional del fitoplancton puede variar con el cambio climático", dice Sharoni, "pero se ha investigado directamente muy poco sobre esta cuestión".
Imagen derecha: Variaciones globales en la composición del fitoplancton. Crédito: Nature Climate Change
Ella y sus colegas se propusieron comprender cómo influyen las condiciones oceánicas en la composición macromolecular del fitoplancton. Las macromoléculas son grandes moléculas esenciales para la vida. Los principales tipos de macromoléculas incluyen proteínas, lípidos, carbohidratos y ácidos nucleicos (los componentes básicos del ADN y el ARN). Toda forma de vida, incluido el fitoplancton, está compuesta por un equilibrio de macromoléculas que le permite sobrevivir en su particular entorno.
"Casi toda la materia de un organismo vivo se presenta en estas formas moleculares generales, cada una con una función fisiológica particular, dependiendo de las circunstancias en las que se encuentre el organismo", afirma Follows, profesor del Departamento de Ciencias de la Tierra, la Atmósfera y los Planetas.
Una dieta desequilibrada
En su nuevo estudio, los investigadores analizaron primero cómo influyen las actuales condiciones oceánicas en la composición macromolecular del fitoplancton. El equipo utilizó datos de experimentos de laboratorio realizados por sus colaboradores en la Universidad Dalhousie. Estos experimentos revelaron cómo el equilibrio de macromoléculas del fitoplancton, como la relación entre proteínas y carbohidratos, cambiaba en respuesta a las variaciones de la temperatura del agua y la disponibilidad de luz y nutrientes.
Con estos datos obtenidos en el laboratorio, el grupo desarrolló un modelo cuantitativo que simula cómo el plancton en el laboratorio reajustaría su equilibrio entre proteínas y carbohidratos bajo diferentes condiciones de luz y nutrientes.
Sharoni e Inomura combinaron este nuevo modelo con un modelo ya establecido de circulación y dinámica oceánica desarrollado previamente en el MIT. Con esta combinación de modelos, simularon cómo cambia la composición del fitoplancton en respuesta a las condiciones oceánicas en diferentes partes del mundo y bajo distintos escenarios climáticos.
El equipo elaboró primero un modelo que simula las actuales condiciones climáticas. De acuerdo con las observaciones, su modelo predice que poco más de la mitad de la célula de fitoplancton promedio está compuesta de proteínas. El resto es una mezcla de carbohidratos y lípidos.
Curiosamente, en las regiones polares, el fitoplancton es ligeramente más rico en proteínas. En los polos, la capa de hielo marino limita la cantidad de luz solar que el fitoplancton puede absorber. Los investigadores suponen que el fitoplancton podría haberse adaptado produciendo más proteínas captadoras de luz para absorber eficazmente la débil luz solar.
Sin embargo, cuando modelaron un futuro escenario de cambio climático, el equipo encontró un cambio significativo en la composición del fitoplancton. Simularon un escenario en el que los humanos continúan emitiendo gases de efecto invernadero hasta el año 2100. En este escenario, la temperatura de la superficie del océano aumentará 3 grados Celsius, reduciendo considerablemente la extensión del hielo marino. Las temperaturas más cálidas también limitarán la circulación oceánica, así como la cantidad de nutrientes que pueden ascender desde las profundidades.
En estas condiciones, el modelo predice que la población de crecimiento de fitoplancton en las regiones polares aumentará significativamente, en consonancia con estudios anteriores. De manera singular, este modelo predice que el fitoplancton en las regiones polares pasará de una composición rica en proteínas a una composición rica en carbohidratos y lípidos.
Descubrieron que el plancton no necesitará tanta proteína captadora de luz, ya que la menor cantidad de hielo marino facilitará la absorción de la luz solar por parte de los organismos. Los niveles totales de proteína en este fitoplancton polar disminuirán hasta en un 30 %, con un aumento correspondiente en la contribución de carbohidratos y lípidos.
No está claro qué impacto podría tener una mayor población de fitoplancton rico en carbohidratos y lípidos en el resto de la red trófica marina. Si bien algunos organismos podrían verse afectados por una reducción de proteínas, podrían prosperar otros que acumulan lípidos para sobrevivir durante el invierno.
Imagen: Cambio previsto en la asignación celular al almacenamiento de nitrógeno. Crédito: Nature Climate Change
El equipo también simuló el fitoplancton en regiones subtropicales de latitudes más altas. En estas zonas oceánicas, se prevé que las poblaciones de fitoplancton disminuyan en un 50 %. Además, el modelo del equipo muestra que también cambiará su composición.
Con el aumento de las temperaturas, la circulación oceánica se ralentizará, limitando la cantidad de nutrientes que pueden ascender desde las profundidades. En consecuencia, el fitoplancton subtropical podría tener que buscar la manera de vivir a mayores profundidades para lograr un equilibrio entre la luz solar y los nutrientes necesarios. En estas condiciones, es probable que los organismos cambien a una composición ligeramente más rica en proteínas, utilizando las mismas proteínas fotosintéticas que sus homólogos polares requerirán en menor cantidad.
En definitiva, teniendo en cuenta los cambios previstos en las poblaciones de fitoplancton debido al cambio climático, su composición media en todo el mundo tenderá a ser más rica en carbohidratos y pobre en nutrientes.
Los investigadores fueron un paso más allá y descubrieron que su modelo coincide con un pequeño conjunto de muestras reales de fitoplancton recolectadas previamente por otros científicos en las regiones ártica y antártica. Estas muestras mostraron que en las últimas décadas la composición del fitoplancton se ha vuelto más rica en carbohidratos y lípidos, tal como predice el modelo del equipo en el contexto del calentamiento global.
"En estas regiones ya se puede observar el cambio climático, porque ya se está derritiendo el hielo marino", explica Sharoni. "Y nuestro modelo muestra que las proteínas en el plancton polar han disminuido, mientras que están aumentando los carbohidratos y los lípidos".
"Resulta que el cambio climático se está acelerando en el Ártico, y tenemos datos que demuestran que la composición del fitoplancton ya ha respondido", añade Follows. "El mensaje principal es: ya está cambiando el contenido calórico en la base de la cadena alimentaria marina. Y no está claro cómo se transmitirá este cambio a través de la cadena alimentaria".
El estudio se ha publicado en la revista Nature Climate Change: Biochemical remodelling of phytoplankton cell composition under climate change
