Durant
l'any 1999, Rafel Simó (doctor en Ciències Químiques, investigador contractat
a l'ICM), Carles Pedrós-Alió (doctor en Biologia, Investigador Científic a
l'ICM) i Joan Grimalt (doctor en Ciències Químiques, Professor d'Investigació
a l'IIQAB) han dut a terme treballs conjunts de recerca al voltant d'un tema
que han titulat genèricament: LES ESTRETES RELACIONS ENTRE LA VIDA MARINA,
EL SOFRE ATMOSFÈRIC I EL CLIMA - Variabilitat del cicle biogeoquímic del sofre
a l'oceà en relació amb el clima.
Per aquest estudi d'investigació han rebut el
Premi
Ciutat de Barcelona d'Investigació Científica 1999.
L'amenaça de l'escalfament
global ens ha fet conscients de l'enorme poder que tenim els humans per alterar
el nostre planeta. Aquesta preocupació no ha d’amagar, tanmateix, que el conjunt
dels éssers vius, i especialment els més petits i invisibles (els microorganismes),
van provocar en el passat alguns canvis globals d'abast extraordinari i que,
durant la majoria dels milers de milions d'anys que la vida porta sobre la
Terra, han mantingut les condicions ambientals del planeta en uns marges de
variabilitat raonablement estrets. A mitjans dels 70, aquesta idea va inspirar
la controvertida teoria de Gaia, que presenta el conjunt del planeta, gràcies
a la presència de la vida, com un macrosistema que regula la pròpia temperatura
mitjançant mecanismes de retroalimentació. Avui dia aquesta teoria s’ha hagut
de reformular i matisar, però continua sent extraordinàriament estimulant.
En un article que el passat 25 de novembre publicava la revista Nature, Rafel
Simó i Carles Pedrós-Alió, investigadors de l'Institut de Ciències del Mar
de Barcelona (pertanyent al Consell Superior d'Investigacions Científiques)
descriuen la baula que faltava per tancar un mecanisme de retroalimentació
entre vida marina i clima per mitjà del sofre atmosfèric.
L’atmosfera
terrestre i la vida
És
evident que l’atmosfera terrestre, a diferència
de la dels planetes veïns, té una composició en profund desequilibri químic,
que si manté una mescla d’espècies reduïdes i oxidades és gràcies a l’intercanvi
constant de gasos amb la biosfera. No és només que molts organismes viuen
gràcies a la capacitat d’obtenir de l’atmosfera substàncies essencials per
a les funcions de supervivència i desenvolupament, sinó que la vida ha determinat
activament des de sempre la composició de l’atmosfera, i els fenòmens que
hi van associats. La composició de l’atmosfera té una influència fonamental
sobre la quantitat i qualitat de la radiació que arriba a, i és reflectida
per, la superfície terrestre (ultraviolada, ona llarga) i sobre el clima (règim
hidrològic, de temperatura, de moviments de masses d’aire). Prou que ho hem
sentit a dir últimament, des que els humans ens hem adonat que la nostra transformació
de la composició atmosfèrica, per ràpida i intensa, està tenint efectes encara
no prou coneguts d’escalfament global (degut a l’augment de l’anomenat efecte
hivernacle) i d’augment de radiació ultraviolada (degut a l’afebliment
de la capa d’ozó), per esmentar els dos fenomens més tristament famosos.
L’activitat humana esdevé
un factor de canvi ambiental ‘afegit’ que se superposa a l’evolució, diguem-ne
natural, dels intercanvis entre biosfera i atmosfera. Per tal de conèixer
l’abast d’aquest canvi ‘afegit’ cal conèixer a fons els mecanismes que regeixen
el complex control climàtic de la Terra, i com aquests mecanismes responen
a les variacions ràpides i inteses de l’actualitat.
El plàncton oceànic, el
sofre atmosfèric i el clima
D’entre aquests mecanismes,
un de principal és el que vincula estretament el plàncton oceànic,
el sofre atmosfèric i el clima (vegeu la Figura). L’emissió
de sofre reduït d’origen biològic dels oceans a l’atmosfera, pricipalment
en la forma del compost volàtil sulfur de dimetil (DMS), és una part
fonamental del cicle global del sofre. A l’atmosfera, l’oxidació ràpida del
DMS dóna lloc a petites partícules acídiques que dispersen radiació, i que
actuen com la font principal de nuclis de condensació a la troposfera de l’oceà
remot. La mida i abundància dels nuclis de condensació determinen la densitat
òptica dels núvols i, per tant, la quantitat de radiació solar que aquests
reflecteixen cap a l’espai exterior (l’anomenat albedo). El 1987, R.
Charlson, J. Lovelock, M. Andreae i S. Warren van llençar la hipòtesi que
aquest efecte del sofre biogènic marí sobre l’albedo podia ser la base
d’un mecanisme retroalimentat entre vida marina i clima: un increment
de la producció de DMS pel plàncton donaria lloc a un increment de l’albedo
sobre els oceans, amb la corresponent disminució de la radiació incident i
la temperatura; això probablement faria disminuir l’activitat fotosintètica
algal; si aquesta disminució ocasionés una davallada de la producció de DMS,
el cicle es tancaria com a mecanisme de retroalimentació negativa o auto-regulat.
Aquest hipotètic mecanisme prenia sentit i força en el context de la controvertida
teoria de Gaia del científic britànic independent James Lovelock. La teoria
de Gaia estableix que la vida i la carcassa geoquímica del planeta (inclosa
l’atmosfera) evolucionen conjuntament, són interdependents i estableixen relacions
que porten a una certa homeostasi (o autoregulació climàtica) del conjunt
del planeta.
La hipòtesi del plàncton,
el sofre atmosfèric i el clima va despertar un gran interès (i polèmica) en
la comunitat científica internacional, i es van abocar molts diners i esforços
en l’estudi de la distribució del DMS als oceans del món, la identificació
dels processos de producció, i l’estimació dels fluxos d’emissió a l’atmosfera.
Fruit d’aquests esforços s’han publicat més de 700 treballs en l’última dècada.
Hom ha trobat DMS a les aigües superficials arreu de l’oceà i a l’atmosfera
marina. Recentment hom ha demostrat, també, que hi ha una bona correlació
en l’espai i el temps -i una relació de causa-efecte- entre el DMS emès a
l’atmosfera i la concentració de nuclis de condensació a la troposfera oceànica
remota. S’ha descobert que el precursor bioquímic del DMS és el propionat
de dimetilsulfoni (DMSP), la forma més abundant de sofre reduït en moltes
espècies d’algues unicel.lulars, on té diverses funcions fisiològiques essencials:
solut compatible per a l’osmoregulació i la crioprotecció, principal transportador
de sofre a través de les cadenes tròfiques, donador de grups metil en reaccions
metabòliques, precursor de senyals químics per l’atracció o repulsió entre
predador i presa (vegeu, per exemple, el llibre editat per Kiene et al. el
1996). El DMSP algal es transmet i transforma per processos de degradació
al llarg de la xarxa tròfica, amb intervenció dels hervívors planctònics i
els bacteris. Un dels productes de degradació del DMSP és el DMS, però n’hi
ha d’altres.
La feina feta fins avui ha confirmat el potencial del DMS oceànic, d’origen
biològic, en el control de l’albedo
i del balanç de radiació del planeta. És a dir, la part esquerra del diagrama
que mostràvem sembla ben establerta. Tanmateix, la part dreta del diagrama,
la que en la hipòtesi de Lovelock i col.laboradors determinava si realment
es tracta d’un mecanisme auto-regulat, ha romàs fins ara totalment incerta.
Les respostes a la pregunta de si increments de radiació comporten un augment
de la producció i emissió de DMS a l’oceà, i a l’inrevés, han estat escasses
i contradictòries. Bona part dels estudis per adreçar aquesta qüestió han
estat de tipus fisiològic: efecte de la intensitat i durada de la llum, o
variacions de temperatura, en la biosíntesi de DMSP en cultius d’algues al
laboratori. Una altra part dels treballs
insistia a relacionar directament abundància algal o activitat fotosintetitzadora
amb l’emissió de DMS. En ambdós casos les respostes no han estat gens convincents,
en part perquè la producció de DMS és fruit d’un tramat de processos d’interacció
en el conjunt de la xarxa tròfica, i això és molt difícil -si no impossible-
de reproduir al laboratori o d’entendre si només es considera un dels actors
de la pel.lícula. S’ha fet evident la necessitat d’aproximacions a nivell
d’ecosistema, amb treballs in situ
a l’oceà, i amb la possibilitat d’abordar el problema en l’escala adequada.
La
nostra contribució
Rafel
Simó i Carles
Pedrós-Alió, investigadors de l’Institut de Ciències del Mar de
Barcelona (centre que pertany al Consell Superior d’Investigacions Científiques),
el 1998 vam prendre part en una campanya oceanogràfica a l’Atlàntic Nord,
a bord del vaixell britànic Discovery. Gràcies a la nova tècnica de
seguiment de cossos d’aigua del grup britànic, vam poder estudiar, per primera
vegada, la variabilitat temporal a curt termini dels processos de producció
i emissió de DMS a l’oceà obert. L’estudi, que la revista nordamericana Global
Biogeochemical Cycles va publicar al mes de desembre, mostra que les taxes
de degradació del DMSP i de producció del DMS varien amb la mateixa rapidesa
que paràmetres meteorològics tals com la radiació solar i el règim de vent.
Aquests resultats obrien la porta a trobar una relació directa entre paràmetres
derivats del clima i la producció de DMS a l’ecosistema oceànic.
Les dades obtingudes a l’Atlàntic Nord, i les noves perspectives que obrien,
ens van empènyer a analitzar amb una perspectiva nova les distribucions del
DMS obtingudes fins ara per investigadors d’arreu del món. Aquesta anàlisi,
que publicava al novembre la revista Nature, ha desvetllat una nova hipòtesi
que ve a refermar la de 1987: la producció de DMS pel plàncton marí està controlada
per la barreja vertical de l’aigua, més concretament pel gruix de la capa
superficial de l’oceà (o capa de barreja); capes de barreja poc profundes
(causades per un escalfament diürn de la superfície de l’oceà en situacions
d’elevada radiació) afavoreixen la producció de DMS. L’explicació cal buscar-la
en el fet que el gruix de la capa de barreja determina el grau d’exposició
dels microorganismes marins a la radiació ultraviolada. Ja hem dit que el
DMS és un producte gasós de degradació enzimàtica del DMSP, però no l’únic.
La quantitat de sofre que, amb l’origen en el DMSP algal, al capdavall s’incorpora
a l’atmosfera i pot participar de la regulació del clima, depèn de l’eficiència
de la transformació del DMSP a DMS. Aquesta eficiència ve mediada bàsicament
pels enzims d’algues i bacteris, que es veuen afectats directament o indirecta
per la radiació ultraviolada. L’observació d’eficiències més grans en aigües
fortament estratificades, juntament amb el fet que aquestes aigües són més
favorables al desenvolupament de les espècies d’algues unicel.lulars més productores
de DMSP, ens ha permès explicar la ‘paradoxa estiuenca del DMS’: a moltes regions dels oceans es produeix
més DMS a l’estiu (o a l’estació càlida), malgrat que les condicions no són
les idònies per al creixement general del plàncton i la biomassa del fitoplàncton
és la més baixa de l’any.
Com més radiació incident i escalfament de l’aigua, millors condicions per
a la producció de DMS. Aquesta és la primera evidència d’una relació directa
entre paràmetres climàtics i producció de sofre volàtil al mar. Evidència
que va molt d’acord amb la hipòtesi de 1987 de retroalimentació negativa entre
plàncton i clima per mitjà del sofre. A més, els nostres resultats obren la
porta a una altra hipòtesi interessant, que també apareix al treball de Nature: atès que els models d’escalfament
global preveuen un enfortiment, expansió i prolongació de l’estratificació
superficial dels oceans, l’augment progressiu de l’efecte hivernacle podria
coincidir amb un augment de l’emissió de DMS, d’efecte climàtic invers. Això
és només una hipòtesi de treball; la quantificació d’aquests efectes acoblats
i de signes oposats constitueix un repte formidable. De moment, els nostres
treballs representen un pas endavant en la comprensió d’una de les relacions
bidireccionals més emblemàtiques i fascinants entre la biosfera i el clima.
