LES ESTRETES RELACIONS ENTRE LA VIDA OCEÀNICA, EL SOFRE ATMOSFÉRIC I EL CLIMA

 


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.

 

 

 

Google