El Océano Ártico, que alguna vez estuvo encerrado en una cubierta de espeso hielo viejo, ahora se está transformando a la velocidad de la luz. Las temperaturas allí están aumentando hasta cuatro veces más rápido que en todo el planeta, derritiendo el hielo marino que alguna vez protegió la superficie del océano. Una vez que se retira el hielo, la luz del sol puede penetrar más profundamente en el agua, remodelando toda la red alimentaria marina, desde las bacterias hasta los grandes animales marinos.
Una de las sorpresas de este mundo fundido es que el nitrógeno, uno de los nutrientes más esenciales para la vida, puede recuperarse de formas que nadie antes creía posible. Durante décadas, los investigadores creyeron que las aguas frías y heladas del Ártico prácticamente no fijaban nitrógeno, un proceso mediante el cual algunos microbios pueden convertir el gas nitrógeno en formas que otros animales pueden utilizar. Pero un estudio internacional realizado por investigadores de la Universidad de Copenhague ha dado la vuelta a esa idea.
Una nueva fuente de vida en el Océano Ártico
La fijación de nitrógeno es una alquimia microbiana. Ciertos microorganismos llamados diazótrofos recolectan nitrógeno molecular (N₂) del aire (generalmente fuera del alcance de la mayoría de los organismos vivos) y lo transforman en amonio, un nutriente que impulsa el crecimiento de algas y el resto de la red alimentaria marina.
Mediciones de fijación de nitrógeno en el Océano Ártico a bordo del RV Polarstern. (CRÉDITO: Rebecca Duncan)
En los océanos más cálidos, las cianobacterias hacen el trabajo. Pero en el Ártico central, donde la situación es más dura, los investigadores descubrieron que un grupo completamente diferente de actores estaba haciendo el trabajo: diazótrofos no cianobacterianos o NTM.
Hasta ahora, pensábamos que no era posible fijar nitrógeno en el hielo marino porque creíamos que las condiciones eran demasiado duras para los organismos responsables de la fijación de nitrógeno. Cometimos un error”, afirmó Lisa W. von Friesen, líder del estudio y ex estudiante de doctorado en el Departamento de Biología de la Universidad de California. Universidad de Copenhague.
El hallazgo muestra que la fijación de nitrógeno se produce no sólo en el borde del hielo, donde el derretimiento es más intenso, sino también bajo el hielo de años de espesor en el Océano Ártico central. Esto significa que el nitrógeno, que antes se pensaba que era escaso en el Ártico, se recicla silenciosamente y se reintroduce en el sistema, incluso bajo el hielo.
Midiendo lo invisible
Los investigadores estudiaron los niveles de fijación de nitrógeno en varios contextos árticos: el Océano Ártico Central (CAO), donde permanece hielo espeso; la zona marginal de hielo (MIZ), donde continúa el derretimiento; y costas bajo hielo fijo.
Midieron la cantidad diaria de nitrógeno fijado, junto con una serie de otras variables (temperatura, salinidad y concentraciones de nutrientes como fosfato y nitrato) en un esfuerzo por comprender qué desencadena el proceso.
La fijación de nitrógeno es la conversión de nitrógeno molecular en amonio biodisponible mediante microorganismos llamados diazotrofos. (CRÉDITO: Communications Terre et Environnement)
En la CAO, las tasas de absorción variaron entre 0,4 y 2,5 nanomoles por litro por día, mientras que en las áreas de MIZ alcanzaron 5,3 nanomoles por litro por día. Incluso en el hielo fijo estable cerca de Groenlandia, se encontraron niveles traza pero detectables, lo que indica que el proceso está generalizado en todos los regímenes de hielo marino.
El carbono orgánico disuelto (DOC) agregado a algunas muestras aumentó las tasas de fijación de nitrógeno, lo que sugiere que estos microorganismos árticos prosperan en condiciones que contienen mayores cantidades de materia orgánica, generalmente liberada por algas. “Estos diazótrofos no cianobacterianos parecen alimentarse de la materia orgánica liberada por las algas y la devuelven proporcionando nitrógeno fijo que permite que estas algas crezcan”, dijo von Friesen.
Arquitectos microscópicos de la red alimentaria del Ártico
Bajo el microscopio, son el polo opuesto de sus parientes tropicales. En lugar de cianobacterias, pertenecen principalmente a grupos que los científicos clasifican como Gamma-Arctic1 y Gamma-Arctic2, microorganismos que dominan en condiciones de hielo de varios años y parecen especialmente vigorosos donde el hielo se derrite o se rompe.
El análisis cuantitativo reveló que estos microbios eran mucho más abundantes y activos de lo esperado. Los científicos descubrieron más de 870 formas de genes relacionados con la fijación de nitrógeno, la mayoría de los cuales procedían de estos clados específicos del Ártico. Esto indica fuertemente que el ciclo de nitrógeno En el Ártico está dominado en gran medida por microbios no cianobacterianos.
Su presencia podría explicar cómo la vida sigue prosperando en mares pobres en nutrientes. Las algas, la base de las redes alimentarias marinas del Ártico, dependen en gran medida del nitrógeno. Cuando el nitrógeno escasea, el crecimiento de las algas disminuye, afectando todo, desde el plancton hasta los peces y los mamíferos marinos. Pero si la fijación de nitrógeno ocurre con más frecuencia de lo que se pensaba inicialmente, ayudaría a nutrir estos ecosistemas a medida que el hielo se derrita.
Mapas de la región de estudio. Descripción general del Océano Ártico central (CAO) centrada en el Polo Norte y estaciones muestreadas durante el Estudio Sinóptico Ártico (SAS) de 2021. (CRÉDITO: Comunicaciones sobre la Tierra y el Medio Ambiente)
El borde del hielo: una frontera fértil
Las tasas de fijación de nitrógeno más altas se produjeron en los márgenes del hielo, donde el agua de deshielo, la luz y los nutrientes se combinan para proporcionar muy buenas condiciones de crecimiento. A medida que el hielo marino retrocede y la región de deshielo se expande, los científicos esperan que este lugar se convierta en un semillero de microbios.
Dado que las algas son el alimento principal de animales pequeños, como los crustáceos planctónicos, que son devorados por peces pequeños, el uso de más algas puede tener un efecto indirecto en toda la cadena alimentaria”, afirmó von Friesen.
Su colega, el profesor Lasse Riemann, dijo que estos procesos submicroscópicos podrían incluso influir en la velocidad a la que el Océano Ártico absorbe dióxido de carbono. “Si aumenta la productividad de las algas, el Océano Ártico absorberá más CO₂ porque quedará más atrapado en la biomasa de algas”, explicó. “Para el clima y el medio ambiente, esto probablemente sea una buena noticia, pero los sistemas biológicos son extremadamente complejos y, por lo tanto, es difícil hacer predicciones precisas.
Un nuevo capítulo en la ciencia del Ártico
La importancia de este descubrimiento es grande. Nitrógeno es uno de los impulsores más cruciales de la productividad de los ecosistemas marinos. El descubrimiento de que los microorganismos del Ártico fijan nitrógeno en presencia de hielo marino echa por tierra la suposición arraigada desde hace mucho tiempo de que el aporte de nitrógeno a la región es mínimo.
Diferencias ambientales entre regiones de estudio. (CRÉDITO: Communications Terre et Environnement)
A medida que el Ártico se derrita y el hielo retroceda, las áreas de aguas abiertas donde se puede fijar nitrógeno se expandirán explosivamente. El exceso de nitrógeno significa más algas y más alimento para peces y otros animales marinos. Pero también podría significar un aumento en el ciclo del carbono y posiblemente fluctuaciones salvajes en la química del océano.
Los científicos advierten que se desconoce el efecto total. La fijación de nitrógeno representa sólo una fracción –a veces menos del 1 por ciento– del suministro total de nitrógeno en las regiones más ricas. Pero en el Ártico central, pobre en nutrientes, podría representar hasta el 8% del nitrógeno necesario para el crecimiento del plancton. Este es un porcentaje significativo para un ecosistema tan remoto.
Implicaciones prácticas de la investigación.
El descubrimiento de la fijación activa de nitrógeno debajo del hielo marino del Ártico está cambiando las perspectivas de los científicos sobre el ciclo de nutrientes dentro de uno de los ecosistemas que cambia más rápidamente del mundo. Esto sugiere que la vida en el Ártico puede ser más resistente de lo esperado, ya que los procesos microbianos se adaptan a las condiciones del retroceso del hielo.
En la práctica, esto podría redefinir la estimación de los modelos climáticos sobre la productividad oceánica y el secuestro de carbono en los océanos polares. Si la fijación de nitrógeno aumenta a medida que desaparece la capa de hielo, el Océano Ártico puede absorber más CO₂, contrarrestando así algunos efectos del calentamiento al menos a nivel regional.
Los resultados también resaltan la importancia de incorporar la actividad microbiana en las predicciones climáticas futuras. Al incluir la fijación de nitrógeno, los modelos podrían calcular mejor cuánto carbono está absorbiendo el Ártico y cómo los cambios en la disponibilidad de nutrientes podrían afectar la red alimentaria mundial.
Los resultados de la investigación están disponibles en línea en la revista. Comunicaciones Tierra y Medio Ambiente.
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