La fotosíntesis oceánica. Cuando hablamos de cómo la fotosíntesis ayuda a capturar dióxido de carbono, tendemos a pensar mayoritariamente en frondosos bosques que tiñen de verde gran parte de nuestro planeta, dando un respiro a la contaminación sin tregua causada por el hombre. Sin embargo, he aquí un dato curioso: gran parte de la productividad fotosintética, en torno al 50%, no se desarrolla sobre la superficie de la tierra, sino de los océanos, donde campan a sus anchas unas algas, fundamentalmente microscópicas, conocidas como fitoplancton.
La fotosíntesis oceánica
El equipo del Dr. Navarro trabaja específicamente con diatomeas, uno de los grupos más abundantes y diversificados del fitoplancton, responsable del 30-40% de la productividad fotosintética de los océanos. Estas microscópicas algas presentan numerosas ventajas a la hora de captar el CO2 de la atmósfera, entre ellas el hecho de que, al estar compuestas en gran parte de silicio, cuando mueren se hunden hasta el fondo marino, arrastrando con ellas el carbono, que queda así secuestrado en las profundidades oceánicas. Sin embargo, las diatomeas presentan un problema: no pueden realizar eficientemente la fotosíntesis si les falta hierro, y en los océanos hay amplias zonas que presentan escasa disponibilidad de este elemento.
‘Hyperia macrocephala’, uno de los miles de microorganismos que configuran el plancton.
Si decimos que el Amazonas y otras selvas y bosques son los pulmones de nuestro planeta, a nadie le extrañará. Estas grandes extensiones pobladas de árboles y otras plantas cumplen un papel esencial en la producción de oxígeno y en la captura del carbono.
La fotosíntesis oceánica
¿hay otros pulmones en el planeta?
Varios estudios científicos señalan al planctoncomo uno de los más importantes. Sí, ese conjunto de organismos –sobre todo microscópicos – que habita mares y océanos produce cantidades importantes del oxígeno que respiramos y absorbe en torno a un 30% del CO2 que generamos los humanos. Por eso desempeña un papel clave en la lucha contra el calentamiento global.
El plancton, que en griego significa ‘errante’, está constituido por seres vivos que viven en suspensión en el agua del mar. Aquí se incluyen virus, bacterias, arqueas, microalgas y animales como las medusas, si bien la mayoría son organismos tan pequeños que solo pueden verse bajo el microscopio. Pues bien, estos seres minúsculos son esenciales para el funcionamiento del ecosistema oceánico y el mantenimiento del clima en nuestro planeta.
Dado que el plancton engloba a organismos muy heterogéneos, existen diversas clasificaciones para diferenciarlos. Una de las más extendidas distingue al fitoplancton, constituido por vegetales, del zooplancton, integrado por animales como pequeños peces y crustáceos. Aquí nos interesa hablar del fitoplancton, que abarca desde bacterias menores de 0.001 mm hasta algas unicelulares de casi 1 mm. Como sucede con las plantas terrestres, el fitoplancton marino lleva a cabo la fotosíntesis. Este proceso transforma, gracias a la luz, materia inorgánica (agua y CO2) en orgánica, siendo la base de la red trófica oceánica, que incluye los peces de los que nos alimentamos. Además, durante la fotosíntesis se libera oxígeno a la atmósfera. Finalmente, el fitoplancton ejerce una función decontrol del clima mediante la denominada ‘bomba biológica de carbono’, que permite el ‘secuestro’ del carbono en las profundidades marinas.
Hembra de la especie ‘Pterosoma planum’ que forma parte del zooplancton que habita en el Océano Pacífico.
El mecanismo es el siguiente: el CO2 es absorbido en las aguas superficiales iluminadas por el sol durante la fotosíntesis. Así, el carbono queda fijado en el tejido de los organismos o en las conchas de ciertos microorganismos; después esos materiales sufren una sedimentación en las aguas profundas, donde el carbono puede quedar ‘secuestrado’ durante miles de años antes de que vuelva a la atmósfera.
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En otras palabras, este flujo vertical de carbono fuerza el paso de CO2 desde la atmósfera hacia la capa superficial del océano, y de ahí a las profundidades. De este modo se reduce la acumulación de dióxido de carbono de origen antropogénico en la atmósfera, causa principal del calentamiento global. Investigaciones recientes apuntan, además, que gracias al fitoplancton el océano podría actuar como sumidero del CO2 a un ritmo incluso más rápido de lo que se pensaba. Tras recoger múltiples muestras, la Expedición Malaspina, liderada por el CSICy que se desarrolló en 2010-2011, concluyó que muchas de las células fotosintéticas que se hallaron en el océano profundo, habían estado viviendo en la superficie entre 5 y 20 días antes de ser muestreadas. Con ese dato, los investigadores calcularon que dichas células se hundían una media de 400 a 600 metros por día, cuando se pensaba que el ritmo diario era de un metro. Obviamente, eso supone una capacidad mayor a la hora de retirar el carbono de la atmósfera para su posterior ‘almacenamiento’ en el fondo del océano.
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Esta tesis concuerda con lo planteado en una investigación internacional que se ha publicado en la revista Nature y en la que ha participado el Instituto de Ciencias del Mar del CSIC. Este trabajo describe la comunidad de organismos planctónicos que participan en la eliminación de carbono de las capas superiores del océano. La principal conclusión es que “el papel desempeñado por ciertos microorganismos (parásitos unicelulares, cianobacterias y virus) en la exportación de carbono había sido subestimado”, explica la delegación del CSIC en Cataluña en su revista R+D.
Así que, aunque no los veamos, millones de seres vivos microscópicos que flotan a la deriva en mares y océanos combaten cada día el calentamiento global, una de las principales amenazas para la sostenibilidad del planeta.
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La fotosíntesis marina, más sensible a los nutrientes que al termómetro
La temperatura no es tan determinante como la abundancia de nutrientes en el fitoplancton marino, responsable de la mitad de toda la captación de CO2 por fotosíntesis que tiene lugar en el planeta. Uno de los principios fundamentales de la biología es que al aumentar la temperatura se acelera el metabolismo y esto supone que los organismos capten y utilicen los recursos de forma más rápida e investigadores querían confirmar si este principio se daba en el caso del fitoplancton marino.
El hierro y la clorofila
En los océanos hay zonas muy ricas en clorofila, molécula responsable de captar la luz solar y convertirla en energía química, sin embargo, también existen amplias zonas oceánicas que son realmente pobres en este pigmento verde. Esto ha sido objeto de numerosos estudios que han revelado que en estas aguas en las que apenas hay clorofila, y por ende actividad fotosintética, sí abundan nutrientes como el fósforo o el nitrógeno, pero escasea el hierro, un elemento que es fundamental para las proteínas encargadas de realizar la fotosíntesis.
Así, ante la baja presencia de hierro en algunos ecosistemas marinos y la consiguiente limitación para el correcto crecimiento del fitoplancton que ello supone, se han llevado a cabo experimentos de fertilización artificial de hierro en mar abierto que han mostrado grandes explosiones de crecimiento de diatomeas en el fitoplancton. Esta solución no obstante es como “matar moscas a cañonazos” ya que el vertido masivo de hierro en los océanos presenta importantes inconvenientes técnicos y ecológicos, por lo que no parece la mejor opción para aumentar el rendimiento de las diatomeas.
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Algunos organismos fotosintéticos, como las cianobacterias y algunas algas, se han adaptado a la falta de hierro mediante el desarrollo de proteínas alternativas que no requieren de este elemento para su función. Una de estas proteínas alternativas es la plastocianina, que contiene cobre y consigue reemplazar al citocromo c6, que es la proteína que contiene hierro y está presente en la fotosíntesis de las diatomeas.
En estos organismos ambas proteínas actúan de manera alternativa como componentes fundamentales de la maquinaria fotosintética según haya cobre en el medio en el que se encuentren, consiguiendo sintetizar plastocianina en presencia de cobre en lugar del citocromo c6, lo que les supone un ahorro de hierro. Esta posibilidad no existe sin embargo en las diatomeas, que carecen de esta proteína de cobre alternativa, por lo que solo pueden sintetizar la proteína que contiene hierro, el citocromo c6.
Diatomeas modificadas contra el cambio climático
Ante esta situación, el grupo ‘Transferencia de electrones en sistemas biológicos’ del IBVF se ha propuesto diseñar una diatomea modificada, capaz de crecer mejor en condiciones de limitación de hierro, mediante la introducción de un gen de plastocianina que pueda reemplazar al citocromo c6. Para ello están desarrollando experimentos con la diatomea modelo Phaeodactylum.
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José Antonio Navarro explica que, en caso de éxito, “esto podría reducir la necesidad de hierro de las diatomeas y reemplazarla por cobre, un metal relativamente abundante en mar abierto”, y añade que la aspiración de esta línea de investigación en última instancia “es conseguir aumentar la productividad fotosintética y la fijación de dióxido de carbono de las diatomeas, contribuyendo a la lucha contra el cambio climático”. Así, su objetivo final pasa por determinar si las estirpes de la diatomea modificadas mejoran su crecimiento y capacidad de secuestrar carbono bajo condiciones de deficiencia de hierro y evaluar su posible uso biotecnológico.
Centro de Investigaciones Científicas Isla de la Cartuja
El IBVF está integrado en el Centro de Investigaciones Científicas Isla de la Cartuja (cicCartuja), fundado en 1995 por la Junta de Andalucía, el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Sevilla (US), y localizado en el Parque Científico y Tecnológico Cartuja en Sevilla.
El cicCartuja tiene por objetivos manifiestos crear conocimiento y mejorar la calidad de vida de los ciudadanos, así como progresar en el grado de conocimiento de la naturaleza y de problemas relacionados con la sociedad. Está compuesto además por otros dos Institutos mixtos CSIC-US: el Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla y el Instituto de Investigaciones Químicas, consiguiendo un carácter interdisciplinar que le permite desarrollar proyectos en la frontera entre la Biología, la Química y la Física.
El IBVF en concreto aborda la investigación y uso biotecnológico de los organismos que utilizan la luz como fuente de energía:
- Bases moleculares del desarrollo en cianobacterias y plantas
- Señalización celular y adaptación al estrés ambiental de los organismos fotosintéticos
- Expresión génica y regulación metabólica en células vegetales
- Bioeliminación del CO2 atmosférico en la lucha contra el cambio climático
- Biotecnología de microalgas para la producción de biocombustibles y compuestos de interés industrial
De cara al futuro las aplicaciones más interesantes de la investigación en el cicCartuja son las relacionadas con los nuevos materiales, la biomedicina, la lucha contra las enfermedades como el cáncer y, como en el caso del grupo ‘Transferencia de electrones en sistemas biológicos’, la lucha contra el cambio climático.
