Invasiones de cianobacterias… ¿desde el espacio?

Astrobitos.org tiene varios sitios hermanos que acercan noticias de distintos campos en piezas cortos (“bites” por “mordiscos”). Puedes ver una lista completa en nuestra página principal. Uno de ellos es oceanbites.org, que se dedica a las novedades recientes en oceanografía, incluyendo traducciones al español. En este astrobito, te presentamos un artículo reciente de oceanbites acerca de una investigación que tiene tanto de astronómico como de marino. ¡Esperamos que te guste!

• Título: Unexplained interannual oscillations of cyanobacterial blooms in the Baltic Sea.
• Estado: Publicado en Nature: Scientific Reports (de acceso abierto).  
• Autores: Kahru, M., R. Elmgren, E. Di Lorenzo, O. Savchuk.
• Institución del primer autor: Scripps Institution of Oceanography, UC San Diego, USA.  
• Oceanbite original: Cyanobacteria invasions… from space?, por Nyla Husain.

Ah… ¡la primavera! Brotes en los árboles, pimpollos en arbustos florecientes – el color verde brillante que se adueña de todos los paisajes, alertándonos sobre la belleza de nuevos comienzos.

La primera vez que vi una imagen satelital del florecimiento primaveral de fitoplancton en el Atlántico norte (un florecimiento en masa de plantas oceánicas microscópicas), las espirales vastas y brillantes me dieron la misma sensación que el comienzo de la primavera – evocando la expectativa de nueva vida, la promesa de un tiempo más cálido. El océano, como los árboles en flor, está vivo y floreciente. 

Los florecimientos de fitoplancton ocurren en regiones del océano donde las condiciones son las propicias para que haya abundante fotosíntesis – esto es, debe haber suficiente luz solar y nutrientes (como en las costas o cerca de los frentes oceánicos). El fitoplacton en flor provee oxígeno para nuestra respiración y ayuda a que el océano absorba y exporte carbono a sus profundidades. Estos organismos son productores primarios, es decir que residen en el nivel más bajo de la cadena alimentaria – por ende, sus ciclos de vida determinan la salud integral de los ecosistemas marinos. Desafortunadamente, los florecimientos podrían tener efectos tanto positivos como negativos; florecimientos dañinos ocurren cuando un exceso de algas verdes, gomosas, y a veces tóxicas y hediondas cubren la superficie del océano.

Cianobacterias: las buenas, las malas y las algas

Las cianobacterias son un poco diferentes de otros tipos de fitoplancton – son fotosintéticas, pero también son bacterias. Las bacterias (comúnmente llamadas microbios) pueden vivir dentro de los humanos, en el suelo o casi en cualquier parte, y son vitales para el funcionamiento de todo ente animado. De hecho, fue una relación simbiótica (mutualmente beneficiosa) entre las células y las bacterias muchos años atrás la que inició la evolución de las partes de las células vegetales que les permiten realizar la fotosíntesis (específicamente, las mitocondrias y cloroplastos). Las cianobacterias pasaban de visita, pero terminaron quedándose – en todas las plantas – de manera permanente. 

Figura 1: Cianobacterias florecen en el mar Báltico, imagen satelital tomada en julio de 2005 (tomada de Kahru et al. 2018). También imagen de portada.

Sus florecimientos pueden verse frecuentemente desde satélites, cubriendo regiones enteras del globo con filamentos y anillos de color azul verdoso (de allí proviene el nombre cianobacteria, por el color cyan – ver Figura 1). Lo que hace a las cianobacterias tan interesantes (además de que hayan ayudado a que evolucionara la vida vegetal) es que poseen la habilidad de fijar el nitrógeno en el agua cuando su abundancia es limitada. En otras palabras, hacen que se encuentre biológicamente disponible para su consumo por fitoplancton en ambientes bajos en nitrógeno, como las regiones subtropicales de los océanos, y esto puede dar lugar a que la vida sea más prolífica.

Por otro lado, algunas especies de cianobacterias – como las que se estudian en este artículo – pueden limitar la luz y el oxígeno que les llega a otros organismos y producir toxinas peligrosas para ellos, para el hombre y para el medio ambiente.  Por ello, es importante entender las condiciones ambientales que controlan la presencia y variabilidad de estos tipos de cianobacterias en la superficie marina. Su presencia y magnitud pueden dar información vital acerca del ciclo de nutrientes y la salud de un ecosistema.

El mar Báltico – un paraíso para las cianobacterias

El mar Báltico está semi-cerrado y es un ambiente marino sumamente productivo con interacciones entre distintos niveles de la cadena alimentaria, los cuales hacen de las cianobacterias un componente importante de la comunidad biológica. Algunos estudios de fósiles proveen evidencia de que las cianobacterias han sido una parte significativa de este ecosistema por muchos miles de años; Bianchi et al. (2000) sugieren que sus florecimientos son un fenómeno natural que ocurre más allá de factores antropogénicos. Sin embargo, estos florecimientos suelen causar niveles bajos de oxígeno que son dañinos para la vida marina (Funkey et al. 2014). Es por eso que entender las causas de las variaciones en la abundancia de cianobacterias en ambientes como el mar Báltico es esencial para entender cómo modifican la presencia de nutrientes y la vitalidad del ecosistema. 

¿Cómo se ven las cianobacterias desde el espacio? 

Este estudio usa 39 años de datos satelitales sobre el color del océano entre 1979 y 2017 para explorar la variabilidad de los florecimientos de cianobacterias en el mar Báltico cubriendo 77.000 millas cuadradas (más o menos la superficie de Dakota del Sur) de la superficie marina cada año durante la época de florecimiento (julio y agosto). Los satélites detectan el color del océano midiendo la reflexión del pigmento de luz emitida desde la superficie oceánica, que es fácilmente detectable durante grandes florecimientos.

Tipos diferentes de fitoplancton producen diferentes pigmentos que emiten luz en un rango de longitudes de onda de 400 a 700 nanómetros (nm). Este estudio usa mediciones satelitales en la banda roja – alrededor de 670 nm – para detectar turbiedad en el agua. La turbiedad, que es esencialmente una medida de cuán opaca es el agua, provee información sobre la abundancia de cianobacterias a partir de la la luz que reflejan al espacio. La intensidad de la luz es fuerte cuando grandes cantidades de cianobacterias flotan en la superficie marina tras un floreciemiento. Mientras que otros procesos pueden afectar la turbiedad del agua, durante los meses de julio y agosto, la causa dominante son las cianobacterias – especialmente el genus  Nodularia, que tiende a acumularse en la superficie marina, haciendo fácil su detección satelital (Kahru & Elmgren, 2014). Debido a que las mediciones están limitadas a períodos en los que los cielos están despejados y los satélites están de paso sobre el mar Báltico, el número de cianobacterias detectadas debe ser normalizado por el número total de observaciones promediadas sobre julio y agosto para cada año. Esta medición se denomina “frecuencia de acumulaciones de cianobacterias” (FCA, por sus siglas en inglés).

Variabilidad inexplicada

Figura 2: Serie de tiempo normalizada de las cianobacterias (o “FCA”) desde 1979 a 2017 para tres regiones del mar Báltico (tomada de Kahru et al. 2018).

Entre 1979 y 2017 se observaron variaciones de población de cianobacterias tanto anuales como en la escala de décadas. Mientras que las segundas están correlacionadas con factores ambientales (como temperatura, luz solar, viento y nutrientes), también se observó una variación de aproximadamente tres años en las tres regiones del mar Báltico estudiadas, sin ninguna explicación aparente basada en argumentos ambientales – ver la Figura 2.

¿Por qué es tan difícil encontrar una explicación para una señal tan estable? Los investigadores sugieren que puede tener un origen biológico, más que ambiental. La influencia de factores biológicos debe aún ser estudiada y podría incluir una combinación de: interacciones predador-presa, relaciones entre cianobacterias de distintas edades o los efectos de virus marinos. Todos estos factores podrían ser influenciados a la vez por el medio ambiente. Es bastante complicado.  

Mirando al futuro…

Este estudio resalta la complejidad de la biología en el océano y los mucho factores que pueden influenciar su variabilidad y su impacto global. Poco se sabe acerca de virus marinos y sus interacciones con las cianobacterias (puedes ver un artículo relacionado aquí). Tampoco sabemos mucho sobre cómo el cambio climático puede contribuir a que estas poblaciones varíen, ni sobre cómo las interacciones en la cadena alimenticia marina pueden propagarse a nuestras fuentes de comida (puedes encontrar artículos al respecto aquí y aquí). Estudios como éste, que usa imágenes satelitales para medir la abundancia de plantas microscópicas en la superficie del océano continuarán ayudándonos a entender la importancia de la dinámica de gran escala de la población marina e identificar el origen de lo que observamos.

Otras referencias

• Carolina P. Funkey, Daniel J. Conley, Nina S. Reuss, Christoph Humborg, Tom Jilbert, and Caroline P. Slomp. 2014. Hypoxia Sustains Cyanobacteria Blooms in the Baltic Sea. Environmental Science & Technology, 48 (5), pp. 2598-2602. doi: 10.1021/es404395a.
• Bianchi, T. S., E. Engelhaupt, P. Westman, T. Andren, C. Rolff, R. Elmgren. 2000. Cyanobacterial blooms in the Baltic Sea: Natural or human-induced? Limnol. Oceanogr., 45 (3), pp. 716-726.
• Kahru, M. and R. Elmgren. 2014. Multidecadal time series of satellite-detected accumulations of cyanobacteria in the Baltic Sea. Biogeosciences, 11, pp. 3619-3633. doi:10.5194/bg-11-3619-2014.