updated 2:26 PM CET, Dec 1, 2016

Primer experimento en mar abierto de la acidificación del océano

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erizo de mar Strongylocentrotus fragilis

Prueban los efectos de la acidificación en un tipo de erizo de mar común

Después de tres semanas en la cámara, "estaban corriendo de ida y vuelta como pequeñas pelotas de ping-pong"

Después de seis años de diseño y pruebas, los científicos de MBARI han puesto a punto una nueva y sofisticada herramienta para el estudio de los efectos de la acidificación de los océanos en los animales en alta mar. Este complejo sistema, el experimento Free-Ocean Carbon Enrichment  (FOCE), es el único en el mundo que permite a los investigadores estudiar el impacto en los animales de la acidificación del océano en su hábitat natural, en una corriente libre del agua de mar.

La idea detrás de FOCE es relativamente simple, crear un área de prueba semi-cerrada en el fondo marino, donde pueden tener controlado con precisión el pH del agua de mar (un indicador de la acidez) durante semanas o meses. Pequeños animales del fondo marino se colocan en la cámara de prueba, donde pueden ser monitoreados su comportamiento y respuestas fisiológicas. La idea es observar el comportamiento de los animales del fondo marino, sin someterlos al estrés de ser retirados de las profundidades del mar y de su entorno en un laboratorio en tierra.

A Peter Brewer, químico marino del MBARI, se le ocurrió la idea de FOCE alrededor del 2003. Brewer había leído acerca de experimentos en tierra, en el que las plantas terrestres fueron expuestas a niveles elevados de dióxido de carbono por largos periodos de tiempo. El experimento Free-Air Carbon dioxide Enrichment (FACE) utilizaba una serie de emisores de dióxido de carbono dispuestos en un gran anillo, de hasta 30 metros (100 pies) de ancho. El dióxido de carbono era liberado por emisores situados del lado de barlovento del anillo. El resultado era que las plantas dentro del anillo estaban expuestas a concentraciones de dióxido de carbono elevadas constantemente, independientemente de la velocidad o dirección del viento.

sistema FOCE  estudio acidificación océanos

Brewer decidió intentar experimentos similares bajo el agua. Su diseño inicial parecía una jaula de pájaros, con tubos que emiten el agua de mar acidificada por el lado superior de la jaula. Sin embargo, después de unas pocas pruebas en el mar con un tanque, el equipo de Brewer descubrió que solo llevó varios minutos a que el agua de mar acidificada llegase hasta al equilibrio químico con el agua del mar circundante. En ese momento, el agua de mar acidificada se había desplazado a cientos de metros corriente abajo de la jaula.

esquema del sistema FOCEFrente a este desafío, los investigadores volvieron a la mesa de dibujo y desarrollaron un sistema totalmente nuevo, un canal rectangular hecho de plástico transparente de 10 metros de largo (imagen de más arriba). El agua de mar mezclada con dióxido de carbono es liberada en un extremo del canal y pasa a través de él por pequeños impulsores. El agua de mar se puede introducir desde cualquier extremo del canal, dependiendo de la dirección de las corrientes dominantes. El agua de mar acidificada fluye lentamente a través de una serie de deflectores, lo que permite que se mezcle completamente con el agua del mar circundante antes de entrar en una cámara central experimental en el centro del canal.

Dentro de la cámara experimental, los investigadores pueden colocar los animales del fondo marino, a los que se está haciendo la prueba de respuesta a la acidificación del océano. Alrededor de los bordes de la pluma están los sensores para medir el pH, la temperatura del agua, salinidad y las corrientes, así como cámaras para registrar la actividad de los animales dentro de la cámara.

Durante los últimos tres años, un equipo de ingenieros y científicos encabezados por William Kirkwood han puesto a prueba y perfeccionado el sistema FOCE en alta mar. En el camino tuvieron que resolver una serie de desafíos técnicos. Por ejemplo, ninguno de los sensores de pH comerciales daría datos fiables cuando fuese desplegado en FOCE en las profundidades del mar durante muchos meses. Así que los ingenieros del MBARI tuvieron que rediseñar y reemplazar los componentes electrónicos dentro del sensor de pH. También tuvieron que desarrollar un sistema controlado por computadora que mezclase el dióxido de carbono líquido con agua de mar y alimentara cantidades cuidadosamente controladas en cada extremo del canal. En el verano de 2011, el sistema había llegado al punto en que podían mantener el pH dentro de la cámara relativamente constante (dentro de una unidad de pH 0,1).

El experimento FOCE está conectado al observatorio cableado MARS, a unos 25 kilómetros al oeste-noroeste de Monterrey y 900 metros por debajo de la superficie del océano. El observatorio provee de fuentes de alimentación a los motores del experimento, luces, cámaras y sensores. Un enlace de datos de fibra óptica desde el observatorio permite a los investigadores del MBARI controlar los instrumentos, cámaras de vídeo y el experimento FOCE en tiempo real desde sus oficinas en la costa.

Laboratorio marino MARS, perpectiva

En septiembre y octubre de 2011, el biólogo marino del MBARI Jim Barry llevó a cabo los primeros experimentos de biología utilizando el canal FOCE. Para probar los efectos de la acidificación en un tipo de erizo de mar común en las profundidades, el Strongylocentrotus fragilis, Barry ideó un ingenioso sistema para documentar los cambios en el comportamiento del erizo.

El equipo de Barry utilizó para el experimento vehículos operados a control remoto (ROV) del MBARI para reunir unos 60 erizos de un área cercana al observatorio MARS. Aproximadamente 30 de estos erizos fueron colocados en una bolsa de malla en la cámara experimental del canal de flujo FOCE. Otros 30 erizos fueron colocados en una bolsa en una cámara similar cercana, que fue expuesta al agua de mar normal. Intentaron que en las bolsas de malla no se molestasen los erizos, ya que a menudo se reúnen en grupos en el fondo marino.

experiento FOCE canales con erizos de marDentro de cada cámara experimental, el ROV colocó una caja de plástico con cinco "canales" de erizos (ver foto izquierda). Cada semana más o menos, el equipo de Barry utilizó un ROV para sacar a cinco erizos de la bolsa en cada cámara. A continuación, colocaron un erizo al final de cada uno de los cinco canales. En el otro extremo de los canales, los investigadores colocaron los alimentos favoritos de los erizos, una masa de algas en descomposición.

Después de colocar los erizos en las pistas de los canales, tanto en la cámara experimental FOCE como en la cámara que contiene el agua de mar normal, los investigadores utilizaron cámaras de video para observar la rapidez con que cada erizo se dirigió hacia su comida. Después de cada semana de ensayo, los erizos fueron retirados de las pistas del canal y se llevaron al laboratorio, donde los investigadores buscaron los efectos fisiológicos en los animales. Después de esos erizos eran removidos, un nuevo grupo de erizos era colocado en las pistas del canal y se repetía el experimento.

El agua de mar en las aguas profundas de la bahía de Monterey es a menudo ligeramente básico, con un pH de aproximadamente 7,6 (el agua dulce neutra tiene un pH de 7,0). Brewer y otros investigadores han estimado que para el año 2100 el promedio de pH de las aguas superficiales en los océanos del mundo podría caer hasta en un 0,4 unidades de pH. Con el tiempo, la reducción del pH se abrirá camino hacia abajo en las profundidades del mar. Durante los recientes experimentos, el equipo de Barry puso a prueba sus erizos en agua de mar que tenía un pH tan bajo como 7.1.

Los primeros resultados fueron sorprendentes. Barry dijo: "Con base a anteriores experimentos de laboratorio, lo que se esperaba de los erizos es que quedasen justo abajo. Sin embargo, incluso después de tres semanas en la cámara, estaban corriendo de ida y vuelta en las pistas de los canales como pequeñas pelotas de ping-pong".

Durante los próximos meses, el equipo de Barry analizará los videos de los erizos, tanto en aguas acidificadas como en aguas de mar normal y aplicarán la estadística para buscar las diferencias en sus niveles de actividad, con qué rapidez y hasta qué punto se movían. Barry sospecha que esta especie de erizo es relativamente tolerante a las condiciones un tanto ácidas, pero es probable que muestran una actividad algo menor en el agua de mar acidificada que en el agua de mar normal.

diagrama experimento FOCE

Después de haber puesto en marcha el experimento FOCE en aguas profundas, los ingenieros del MBARI han centrado su atención en varios proyectos similares para medir los efectos de la acidificación del océano en aguas poco profundas. Uno de estos sistemas ya está en funcionamiento en Heron Island en Australia. Más cerca de casa, el equipo está diseñando un sistema para colocarlo junto a algas marinas en la Hopkins Marine Station en Pacific Grove. También están trabajando con investigadores en la planificación de experimentos similares en la costa este de los Estados Unidos, en Francia, Inglaterra y China, e incluso bajo el hielo antártico.

Con la finalización de la formación inicial con las experiencias en aguas profundas en la Bahía de Monterey y el desarrollo de varios sistemas de aguas poco profundas, FOCE se ha convertido en otro ejemplo de un esfuerzo de ingeniería a largo plazo del MBARI que está beneficiando a los investigadores del mar en todo el mundo.

Crédito texto e imágenes: Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI)