Alrededor del mundo, amplias franjas de océano abierto están casi agotadas de oxígeno. No del todo zonas muertas, son "zonas de mínimo de oxígeno, "donde una confluencia de procesos naturales ha dado lugar a concentraciones extremadamente bajas de oxígeno.

Solo los organismos más resistentes pueden sobrevivir en condiciones tan severas, y ahora los oceanógrafos del MIT han descubierto que estas pequeñas formas de vida duras, en su mayoría bacterias, tienen un límite sorprendentemente bajo en la cantidad de oxígeno que necesitan para respirar.

En un artículo publicado por la revista Limnología y Oceanografía , el equipo informa que las bacterias del océano pueden sobrevivir con concentraciones de oxígeno tan bajas como aproximadamente 1 nanomolar por litro. Para poner esto en perspectiva, eso es alrededor de 10, 000 veces menor de lo que la mayoría de los peces pequeños pueden tolerar y aproximadamente 1, 000 veces menor de lo que los científicos sospechaban anteriormente para las bacterias marinas.

Los investigadores han descubierto que por debajo de este límite crítico, los microbios mueren o cambian a menos comunes, formas anaeróbicas de respiración, tomando nitrógeno en lugar de oxígeno para respirar.

Con el cambio climático, Se prevé que los océanos sufran una pérdida generalizada de oxígeno, aumentando potencialmente la propagación de las zonas de mínimo de oxígeno en todo el mundo. El equipo del MIT dice que conocer los requisitos mínimos de oxígeno para las bacterias oceánicas puede ayudar a los científicos a predecir mejor cómo la desoxigenación futura cambiará el equilibrio de nutrientes del océano y los ecosistemas marinos que dependen de ellos.

"Hay una pregunta, a medida que la circulación y el oxígeno cambian en el océano:¿estas zonas de mínimo de oxígeno se van a reducir y se vuelven más superficiales? y reducir el hábitat de los peces cerca de la superficie ", dice Emily Zakem, autor principal del artículo y estudiante de posgrado en el Departamento de Tierra del MIT, Ciencias Atmosféricas y Planetarias (EAPS). "Conocer este control biológico sobre el proceso es realmente necesario para hacer ese tipo de predicciones".

El coautor de Zakem es el profesor asociado de EAPS, Mick Follows.

¿Qué tan bajo llega el oxígeno?

Zonas mínimas de oxígeno, a veces denominadas "zonas de sombra, "se encuentran típicamente a profundidades de 200 a 1, 000 metros. Curiosamente, Estas regiones empobrecidas en oxígeno a menudo se encuentran justo debajo de una capa de altos flujos de oxígeno y productividad primaria. donde los peces que nadan cerca de la superficie están en contacto con la atmósfera rica en oxígeno. Estas áreas generan una gran cantidad de materia orgánica que se hunde en las capas más profundas del océano, donde las bacterias usan oxígeno, mucho menos abundante que en la superficie, para consumir los detritos. Sin una fuente para reponer el suministro de oxígeno a tales profundidades, estas zonas se agotan rápidamente.

Otros grupos han medido recientemente las concentraciones de oxígeno en zonas agotadas utilizando un instrumento de alta sensibilidad y han observado, para su sorpresa, niveles tan bajos como unos pocos nanomolar por litro, aproximadamente 1, 000 veces más bajo que lo que muchos otros habían medido anteriormente, a través de cientos de metros de profundidad del océano.

Zakem y Follows buscaron identificar una explicación para concentraciones tan bajas de oxígeno, y busqué la respuesta en las bacterias.

"Estamos tratando de comprender qué controla los grandes flujos en el sistema de la Tierra, como concentraciones de dióxido de carbono y oxígeno, que marcan los parámetros de la vida, ", Dice Zakem." Las bacterias se encuentran entre los organismos de la Tierra que son esenciales para establecer distribuciones de nutrientes a gran escala. Así que llegamos a esto con el deseo de desarrollar cómo pensamos en las bacterias a escala climática ".

Establecer un límite

Los investigadores desarrollaron un modelo simple para simular cómo crece una célula bacteriana. Se enfocaron en cepas particularmente ingeniosas que pueden cambiar entre aeróbicas, respiración respiratoria de oxígeno, y anaeróbico, respiración no basada en oxígeno. Zakem y Follows asumieron que cuando hay oxígeno presente, tales microbios deben usar oxígeno para respirar, ya que gastarían menos energía para hacerlo. Cuando las concentraciones de oxígeno descienden por debajo de cierto nivel, las bacterias deben cambiar a otras formas de respiración, como usar nitrógeno en lugar de oxígeno para alimentar sus procesos metabólicos.

El equipo utilizó el modelo para identificar el límite crítico en el que se produce este cambio. Si esa concentración crítica de oxígeno es la misma que las concentraciones más bajas observadas recientemente en el océano, sugeriría que las bacterias regulan las zonas más bajas de oxígeno del océano.

Para identificar el límite crítico de oxígeno de las bacterias, el equipo incluyó en su modelo varios parámetros clave que regulan una población bacteriana:el tamaño de una célula bacteriana individual; la temperatura del ambiente circundante; y la tasa de rotación de la población, o la velocidad a la que las células crecen y mueren. Modelaron la ingesta de oxígeno de una sola célula bacteriana con valores de parámetros cambiantes y encontraron que, independientemente de las diferentes condiciones, El límite crítico de las bacterias para la ingesta de oxígeno se centró en valores extremadamente pequeños.

"Lo interesante es descubrimos que en todo este espacio de parámetros, el límite crítico siempre se centró en aproximadamente 1 a 10 nanomolar por litro, "Dice Zakem." Esta es la concentración mínima para la mayor parte del espacio realista que verías en el océano. Esto es útil porque ahora creemos que tenemos una buena idea de qué tan bajo llega el oxígeno al océano, y [proponemos] que las bacterias controlen ese proceso ".

Fertilidad oceánica

Viendo hacia adelante, Zakem dice que el modelo bacteriano simple del equipo se puede plegar en modelos globales de circulación atmosférica y oceánica. Este matiz añadido, ella dice, puede ayudar a los científicos a predecir mejor cómo cambia el clima mundial, como el calentamiento generalizado y la desoxigenación del océano, puede afectar a las bacterias.

Si bien son los organismos más pequeños, las bacterias pueden potencialmente tener efectos globales, Dice Zakem. Por ejemplo, a medida que más bacterias cambian a formas anaeróbicas de respiración en zonas desoxigenadas, pueden consumir más nitrógeno y emitir como subproducto dióxido de nitrógeno, que puede volver a liberarse a la atmósfera como un potente gas de efecto invernadero.

"Podemos pensar en este cambio en las bacterias como el establecimiento de la fertilidad del océano, ", Dice Zakem." Cuando se pierde nitrógeno del océano, está perdiendo nutrientes accesibles de regreso a la atmósfera. Para saber cuánto cambiará la desnitrificación y el flujo de dióxido de nitrógeno en el futuro, absolutamente necesitamos saber qué controles cambian de usar oxígeno a usar nitrógeno. En ese sentido, este trabajo es muy fundamental ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.