El plancton fotosintético como estas diatomeas del mar de Ross son actores clave en el ciclo global del carbono y forman la base de las redes tróficas marinas. pero un nuevo estudio revela que su capacidad para adquirir hierro es muy sensible a la acidificación de los océanos. Crédito:Jeff McQuaid
Un equipo dirigido por científicos del Instituto Scripps de Oceanografía de la Universidad de California en San Diego y el Instituto J. Craig Venter (JCVI) ha demostrado que el exceso de dióxido de carbono agregado a la atmósfera a través de la combustión de combustibles fósiles interfiere con la salud del fitoplancton. que forman la base de las redes alimentarias marinas.
El fitoplancton son plantas microscópicas cuyo crecimiento en las aguas superficiales del océano sustenta las redes tróficas del océano y las pesquerías marinas mundiales. También son agentes clave en la eliminación a largo plazo de dióxido de carbono (CO 2 )
Como se informó en la edición del 14 de marzo de Naturaleza , el equipo muestra que un mecanismo ampliamente utilizado por el fitoplancton para adquirir hierro requiere iones de carbonato. Aumento de las concentraciones de CO atmosférico 2 están acidificando el océano y disminuyendo el carbonato, y el equipo muestra cómo esta pérdida de carbonato afecta la capacidad del fitoplancton de obtener suficiente hierro nutriente para el crecimiento. La acidificación del océano está preparada para disminuir la concentración de iones de carbonato de la superficie del mar en un 50 por ciento para fines de este siglo.
El estudio, "La fitotransferrina sensible al carbonato controla la absorción de hierro de alta afinidad en las diatomeas, "fue financiado por la National Science Foundation, la Fundación Gordon y Betty Moore, y el Departamento de Energía de EE. UU. Revela un giro inesperado en la teoría de cómo el hierro controla el crecimiento del fitoplancton. Al mostrar cómo la pérdida de carbonato de agua de mar obstaculiza la capacidad del fitoplancton para adherirse al hierro, los autores muestran una conexión directa entre los efectos de la acidificación de los océanos y la salud del fitoplancton en la base de la cadena alimentaria marina.
"En última instancia, nuestro estudio revela la posibilidad de un 'mecanismo de retroalimentación' que opere en partes del océano donde el hierro ya restringe el crecimiento del fitoplancton, "dijo Jeff McQuaid, autor principal del estudio que hizo los descubrimientos como estudiante de doctorado en Scripps Oceanography. "En estas regiones, altas concentraciones de CO atmosférico 2 podría disminuir el crecimiento del fitoplancton, Restringir la capacidad del océano para absorber CO 2 y, por lo tanto, conduce a concentraciones cada vez más altas de CO 2 acumulándose en la atmósfera ".
"Los estudios que investigan los efectos del CO elevado 2 sobre el crecimiento del fitoplancton han mostrado resultados mixtos hasta la fecha. En algunos casos, Ciertos fitoplancton parecen beneficiarse de niveles altos de CO 2 , "agregó Andrew E. Allen, un biólogo con un cargo conjunto en Scripps y JCVI que es autor principal e iniciador del estudio. "La mayoría de estos estudios, sin embargo, se han realizado en condiciones de alto contenido de hierro. Nuestro estudio descubre un mecanismo celular generalizado que sugiere niveles altos de CO 2 podría ser particularmente problemático para el crecimiento del fitoplancton en las regiones del océano con bajo contenido de hierro ".
El autor principal, Jeff McQuaid, observa una serie de bombas diseñadas para probar los efectos de niveles altos de CO 2 sobre el fitoplancton del Mar de Ross en la Antártida. Varios estudios recientes han señalado que los niveles elevados de CO 2 tiene un efecto negativo sobre el fitoplancton que crece en ambientes con bajo contenido de hierro como el Océano Austral Crédito:A.E. Allen
Una consecuencia de la acidificación es una reducción casi uno por uno en la concentración de iones de carbonato por cada molécula de CO. 2 que se disuelve en el océano. La concentración de CO atmosférico 2 se prevé que se duplique a finales de este siglo; por lo tanto, la concentración de iones de carbonato en la superficie del océano casi se reducirá a la mitad para el año 2100. Si bien se conoce la influencia negativa de la acidificación en los corales y mariscos, este es el primer estudio que revela un mecanismo que afecta la vida y que forma la base de la mayoría de las redes alimentarias marinas.
Este estudio revisa un concepto clave en oceanografía de que el crecimiento del fitoplancton en vastas áreas del océano está regulado por la concentración de hierro. En regiones oceánicas con alto contenido de nutrientes disueltos como nitrógeno y fósforo, La limitación de hierro da como resultado un bajo número de fitoplancton en relación con las cantidades de nutrientes disponibles. La adición de hierro a estas áreas causa fitoplancton, particularmente diatomeas, crecer. En la mayor de estas regiones, el Océano Austral, las concentraciones de hierro disponible están por debajo de una billonésima de gramo por litro, acercándose al límite que soporta la vida.
Los científicos marinos han pasado décadas investigando cómo el fitoplancton es capaz de absorber concentraciones tan bajas de hierro del agua de mar e internalizarlo.
"Comprender el mecanismo de absorción de hierro es fundamental para desarrollar predicciones significativas sobre cómo el fitoplancton puede responder a las condiciones futuras del océano," pero este entendimiento ha sido esquivo, "dijo Adam Kustka, fisiólogo de metales traza y colaborador del proyecto de la Universidad de Rutgers.
Las pistas comenzaron a surgir en 2008, cuando Allen descubrió varios genes sensibles al hierro en diatomeas que no tenían una función conocida. Ese mismo año, McQuaid viajaba por la Antártida oriental ayudando en un estudio de plancton en el Océano Austral. El análisis de ADN de esas muestras reveló que uno de los genes de hierro de Allen no solo estaba presente en cada muestra de agua de mar, pero cada grupo importante de fitoplancton en el Océano Austral parecía tener una copia.
"Este gen, llamado ISIP2A, fue uno de los genes más abundantemente transcritos en el Océano Austral con bajo contenido de hierro, sugiriendo que tuvo un papel realmente importante en el medio ambiente, "dijo Allen.
Andrew Allen prepara una muestra de fitoplancton filtrado del Mar de Ross. En varias de las muestras marinas antárticas, la fitotransferrina fue una de las proteínas más abundantes detectadas. Crédito:E. Bertrand
Estudios anteriores sugirieron una proteína similar a la transferrina, llamada fitotransferrina, estaba trabajando en el medio marino, pero ISIP2A no se parecía en nada a la transferrina. Se necesitó el desarrollo de una disciplina completamente nueva, Biología sintética, para ayudar a probar la hipótesis del equipo de que ISIP2A era un tipo de transferrina. La biología sintética es la fusión de biología e ingeniería, y en colaboración con científicos del Venter Institute, el equipo desarrolló métodos para insertar ADN sintético en una diatomea marina. Los científicos eliminaron ISIP2A y lo reemplazaron con un gen sintético para la transferrina humana, demostrando que ISIP2A era un tipo de transferrina.
Luego, el equipo inició un estudio para investigar las relaciones evolutivas de transferrina y fitotransferrina. Para su sorpresa, las proteínas eran análogos funcionales cuyos orígenes antiguos se extienden al período precámbrico de la historia de la Tierra, anterior a la aparición de plantas y animales modernos.
"La aparición de fitotransferrina hace unos 700 millones de años es coherente con una época en la historia de la Tierra marcada por cambios masivos en la química oceánica, y esta antigua historia evolutiva ayuda a explicar por qué nadie ha conectado ISIP2A y transferrina, "dijo Miroslav Oborník, biólogo evolutivo molecular de la Universidad de Bohemia del Sur y coautor del artículo.
En transferrina, el hierro y el carbonato se unen simultáneamente, y ninguno puede unir en ausencia del otro. Tal unión sinérgica es única entre las interacciones biológicas. El equipo de investigación planteó la hipótesis de que la fitotransferrina de diatomeas utiliza un mecanismo similar y que, como resultado, las reducciones en el ion carbonato podrían conducir a una reducción de las tasas de crecimiento del fitoplancton.
Utilizando varios métodos bioquímicos, los investigadores pudieron manipular independientemente el pH junto con las concentraciones de iones de hierro y carbonato. A medida que bombeaban concentraciones crecientes de CO 2 , el equipo demostró que la capacidad de su diatomea para agarrarse al hierro disminuyó proporcionalmente con la concentración de iones de carbonato.
"Dado que el carbonato y el hierro deben unirse simultáneamente, a medida que caen las concentraciones de carbonato, fitotransferrina es capaz de 'ver' menos hierro, ", dijo McQuaid." La cantidad total de hierro no cambia, sino que cambia la capacidad de agarrarlo, y esto, en última instancia, influye en la tasa de crecimiento ".
