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Algas de hielo

Las algas del hielo son cualquiera de los diversos tipos de comunidades de algas que se encuentran en el hielo marino anual y plurianual , en el hielo de lagos terrestres o glac...

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Las algas del hielo son cualquiera de los diversos tipos de comunidades de algas que se encuentran en el hielo marino anual y plurianual , en el hielo de lagos terrestres o glaciares.

En el hielo marino de los océanos polares, las comunidades de algas desempeñan un papel importante en la producción primaria . [ 1 ] El momento de la floración de las algas es especialmente importante para sustentar niveles tróficos superiores en épocas del año en que la luz es escasa y aún existe una capa de hielo. Las comunidades de algas del hielo marino se concentran principalmente en la capa inferior del hielo, pero también pueden encontrarse en canales de salmuera dentro del hielo, en estanques de deshielo y en la superficie.

Debido a que las algas terrestres del hielo se encuentran en sistemas de agua dulce, la composición de especies difiere considerablemente de la de las algas del hielo marino. En particular, las comunidades de algas terrestres del hielo glaciar son importantes porque modifican el color de los glaciares y las capas de hielo, afectando la reflectividad del hielo mismo.

algas del hielo marino

Algas diatomeas antárticas que cubren la superficie submarina del hielo marino fragmentado en el mar de Ross .

Adaptación al entorno del hielo marino

La vida microbiana en el hielo marino es extremadamente diversa, [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] e incluye abundantes algas, bacterias y protozoos. [ 5 ] [ 6 ] Las algas, en particular, dominan el ambiente simpágico , con estimaciones de más de 1000 eucariotas unicelulares que se encuentran asociados con el hielo marino en el Ártico. [ 7 ] [ 4 ] [ 3 ] [ 2 ] La composición y diversidad de especies varían según la ubicación, el tipo de hielo y la irradiancia . En general, las diatomeas pennadas como Nitzschia frigida [ 8 ] [ 9 ] (en el Ártico) [ 10 ] y Fragilariopsis cylindrus (en la Antártida) [ 11 ] son ​​abundantes. Melosira arctica , que forma filamentos de hasta un metro de largo adheridos al fondo del hielo, también está muy extendida en el Ártico y es una importante fuente de alimento para las especies marinas. [ 11 ]

Aunque las comunidades de algas del hielo marino se encuentran en toda la columna de hielo marino, la abundancia y la composición de la comunidad dependen de la época del año. [ 12 ] Hay muchos microhábitats disponibles para las algas sobre y dentro del hielo marino, y los diferentes grupos de algas tienen diferentes preferencias. Por ejemplo, a finales del invierno/principios de la primavera, se ha encontrado que las diatomeas móviles como N. frigida dominan las capas más superficiales del hielo, hasta donde llegan los canales salobres, y su abundancia es mayor en el hielo multianual (MYI) que en el hielo de primer año (FYI). Además, también se ha encontrado que los dinoflagelados dominan a principios de la primavera austral en el hielo marino antártico . [ 5 ]

Las comunidades de algas del hielo marino también pueden prosperar en la superficie del hielo, en los estanques de deshielo superficiales y en las capas donde se ha producido el transporte de sedimentos . En los estanques de deshielo, los tipos de algas dominantes pueden variar con la salinidad del estanque, encontrándose mayores concentraciones de diatomeas en los estanques de deshielo con mayor salinidad. [ 13 ] Debido a su adaptación a condiciones de baja luminosidad, la presencia de algas del hielo (en particular, la posición vertical en la banquisa) está limitada principalmente por la disponibilidad de nutrientes. Las concentraciones más altas se encuentran en la base del hielo porque la porosidad de este permite la infiltración de nutrientes del agua de mar . [ 14 ]

Para sobrevivir en el duro entorno del hielo marino, los organismos deben ser capaces de soportar variaciones extremas en la salinidad, la temperatura y la radiación solar. Las algas que viven en los canales de salmuera pueden secretar osmolitos , como el dimetilsulfoniopropionato (DMSP), que les permite sobrevivir a las altas salinidades en los canales después de la formación de hielo en invierno, así como a las bajas salinidades cuando el agua de deshielo relativamente dulce limpia los canales en primavera y verano. Algunas especies de algas del hielo marino secretan proteínas de unión al hielo (IBP) como una sustancia polimérica extracelular (EPS) gelatinosa para proteger las membranas celulares del daño causado por el crecimiento de cristales de hielo y los ciclos de congelación y descongelación. [ 15 ] La EPS altera la microestructura del hielo y crea un hábitat adicional para futuras floraciones. Las algas del hielo sobreviven en entornos con poca o ninguna luz durante varios meses del año, como dentro de bolsas de salmuera de hielo. Dichas algas tienen adaptaciones especializadas para poder mantener el crecimiento y la reproducción durante los períodos de oscuridad. Se ha descubierto que algunas diatomeas del hielo marino utilizan la mixotrofia cuando los niveles de luz son bajos. Por ejemplo, algunas diatomeas antárticas regulan negativamente la glucólisis en ambientes con baja o nula irradiancia, mientras que regulan positivamente otras vías metabólicas mitocondriales, incluida la vía de Entner-Doudoroff que proporciona al ciclo de TCA (un componente importante en la respiración celular ) piruvato cuando este no puede obtenerse mediante fotosíntesis. [ 16 ] Las algas que habitan en la superficie producen pigmentos especiales para prevenir el daño causado por la radiación ultravioleta intensa . Las concentraciones más altas de pigmentos de xantofila actúan como un protector solar que protege a las algas del hielo del fotodaño cuando se exponen a niveles dañinos de radiación ultravioleta al pasar del hielo a la columna de agua durante la primavera. [ 3 ] Se ha informado que las algas bajo hielo grueso muestran algunas de las adaptaciones a la baja luz más extremas jamás observadas. Son capaces de realizar fotosíntesis en un ambiente con solo el 0,02 % de la luz en la superficie. [ 17 ] La extrema eficiencia en la utilización de la luz permite que las algas del hielo marino acumulen biomasa rápidamente cuando las condiciones de luz mejoran al comienzo de la primavera. [ 18 ]

Función en el ecosistema

Las algas del hielo marino desempeñan un papel fundamental en la producción primaria y forman parte de la base de la red trófica polar al convertir el dióxido de carbono y los nutrientes inorgánicos en oxígeno y materia orgánica mediante la fotosíntesis en la superficie del océano Ártico y Antártico. En el Ártico, las estimaciones de la contribución de las algas del hielo marino a la producción primaria total varían entre el 3 y el 25 %, llegando hasta el 50-57 % en las regiones del Ártico superior. [ 19 ] [ 20 ] Las algas del hielo marino acumulan biomasa rápidamente, a menudo en la base del hielo marino, y crecen formando tapetes de algas que son consumidos por anfípodos como el krill y los copépodos . Finalmente, estos organismos son consumidos por peces, ballenas, pingüinos y delfines. [ 18 ] Cuando las comunidades de algas del hielo marino se desprenden del hielo marino, son consumidas por herbívoros pelágicos, como el zooplancton, al hundirse a través de la columna de agua y por invertebrados bentónicos al asentarse en el fondo marino. [ 3 ] Las algas del hielo marino como alimento son ricas en ácidos grasos poliinsaturados y otros ácidos grasos esenciales, y son el productor exclusivo de ciertos ácidos grasos omega-3 esenciales que son importantes para la producción de huevos de copépodos , la eclosión de los huevos y el crecimiento y función del zooplancton. [ 3 ] [ 21 ]

La superficie inferior de la banquisa en la Antártida de color verde: el krill antártico raspa las algas del hielo.

Variación temporal

El momento de las floraciones de algas del hielo marino tiene un impacto significativo en todo el ecosistema. El inicio de la floración está controlado principalmente por el regreso del sol en primavera (es decir, el ángulo solar). Debido a esto, las floraciones de algas del hielo generalmente ocurren antes de las floraciones de fitoplancton pelágico , que requieren niveles de luz más altos y agua más cálida. [ 21 ] Al principio de la temporada, antes del deshielo, las algas del hielo marino constituyen una importante fuente de alimento para los niveles tróficos superiores . [ 21 ] Sin embargo, el porcentaje total que las algas del hielo marino aportan a la producción primaria de un ecosistema dado depende en gran medida de la extensión de la capa de hielo. El espesor de la nieve sobre el hielo marino también afecta el momento y el tamaño de la floración de algas del hielo al alterar la transmisión de la luz. [ 22 ] Esta sensibilidad a la capa de hielo y nieve puede causar un desajuste entre los depredadores y su fuente de alimento, las algas del hielo marino, dentro del ecosistema. Este llamado ajuste/desajuste se ha aplicado a una variedad de sistemas. [ 23 ] Se han visto ejemplos en la relación entre las especies de zooplancton , que dependen de las algas del hielo marino y el fitoplancton para alimentarse, y el abadejo de Alaska juvenil en el mar de Bering. [ 24 ]

Inicialización de Bloom

Se cree que existen varias formas en que las floraciones de algas en el hielo marino inician su ciclo anual, y las hipótesis al respecto varían según la profundidad de la columna de agua, la edad del hielo marino y el grupo taxonómico. Cuando el hielo marino cubre el océano profundo, se propone que las células atrapadas en bolsas de salmuera de hielo multianual se reconectan a la columna de agua subyacente y colonizan rápidamente el hielo cercano de todas las edades. Esto se conoce como la hipótesis del depósito de hielo marino multianual . [ 12 ] Esta fuente de siembra se ha demostrado en diatomeas, que dominan las floraciones simpágicas . Se ha demostrado que otros grupos, como los dinoflagelados , que también florecen en primavera/verano, mantienen un bajo número de células en la propia columna de agua y no hibernan principalmente dentro del hielo. [ 25 ] Cuando el hielo marino cubre un océano algo menos profundo, puede ocurrir la resuspensión de células del sedimento. [ 26 ]

Implicaciones del cambio climático

El cambio climático y el calentamiento de las regiones árticas y antárticas tienen el potencial de alterar significativamente el funcionamiento de los ecosistemas. Se espera que la disminución de la capa de hielo en las regiones polares reduzca la proporción relativa de la producción de algas del hielo marino con respecto a las medidas de producción primaria anual. [ 27 ] [ 28 ] El adelgazamiento del hielo permite una mayor producción al comienzo de la temporada, pero el derretimiento temprano del hielo acorta la temporada de crecimiento general de las algas del hielo marino. Este derretimiento también contribuye a la estratificación de la columna de agua, lo que altera la disponibilidad de nutrientes para el crecimiento de las algas al disminuir la profundidad de la capa mixta superficial e inhibir el afloramiento de nutrientes desde aguas profundas. Se espera que esto cause un cambio general hacia la producción de fitoplancton pelágico. [ 28 ] Los cambios en el volumen de hielo multianual [ 29 ] también tendrán un impacto en la función del ecosistema en términos de ajuste de la fuente de siembra de floraciones. La reducción en MYI, un refugio temporal para las diatomeas en particular, probablemente alterará la composición de la comunidad simpágica, lo que resultará en la iniciación de floraciones que derivan de especies que pasan el invierno en la columna de agua o sedimentos en su lugar. [ 25 ]

Dado que las algas del hielo marino suelen ser la base de la red trófica, estas alteraciones tienen implicaciones para las especies de niveles tróficos superiores. [ 19 ] Los ciclos de reproducción y migración de muchos consumidores primarios polares están sincronizados con la floración de las algas del hielo marino, lo que significa que un cambio en el momento o la ubicación de la producción primaria podría modificar la distribución de las poblaciones de presas necesarias para especies clave importantes. El momento de la producción también puede verse alterado por el deshielo de las lagunas superficiales hacia el agua de mar subyacente, lo que puede alterar el hábitat de las algas del hielo marino al final de la temporada de crecimiento, de manera que afecte a las comunidades de pastoreo a medida que se acercan al invierno. [ 30 ]

La producción de DMSP por las algas del hielo marino también juega un papel importante en el ciclo del carbono . El DMSP es oxidado por otros plancton a dimetilsulfuro (DMS), un compuesto que está vinculado a la formación de nubes. Debido a que las nubes afectan la precipitación y la cantidad de radiación solar reflejada de vuelta al espacio ( albedo ), este proceso podría crear un ciclo de retroalimentación positiva. [ 31 ] La cobertura nubosa aumentaría la insolación reflejada de vuelta al espacio por la atmósfera, lo que potencialmente ayudaría a enfriar el planeta y sustentaría más hábitats polares para las algas del hielo marino. Desde 1987, las investigaciones han sugerido que se requeriría duplicar los núcleos de condensación de nubes , de los cuales el DMS es un tipo, para contrarrestar el calentamiento debido al aumento de las concentraciones de CO₂ atmosférico . [ 32 ]

Las algas del hielo marino como trazador del paleoclima

El hielo marino desempeña un papel fundamental en el clima global. [ 33 ] Las observaciones satelitales de la extensión del hielo marino datan solo de finales de la década de 1970, y los registros de observación a largo plazo son esporádicos y de fiabilidad incierta. [ 34 ] Si bien la paleoclimatología del hielo terrestre se puede medir directamente mediante núcleos de hielo, los modelos históricos del hielo marino deben basarse en indicadores indirectos.

Los organismos que habitan en el hielo marino finalmente se desprenden del hielo y caen a través de la columna de agua, especialmente cuando el hielo marino se derrite. Una parte del material que llega al fondo marino queda enterrada antes de ser consumida y, por lo tanto, se conserva en el registro sedimentario .

Se ha investigado el valor de diversos organismos como indicadores de la presencia de hielo marino, incluyendo especies específicas de diatomeas, quistes de dinoflagelados , ostrácodos y foraminíferos . La variación en los isótopos de carbono y oxígeno en un núcleo de sedimento también puede utilizarse para inferir la extensión del hielo marino. Cada indicador tiene ventajas y desventajas; por ejemplo, algunas especies de diatomeas exclusivas del hielo marino son muy abundantes en el registro sedimentario, aunque su eficiencia de preservación puede variar. [ 35 ]

Algas terrestres de nieve y hielo

Algas de la nieve y el hielo de los lagos Las algas pueden crecer dentro y adheridas al hielo de los lagos, especialmente debajo del hielo negro transparente . [ 36 ] Dentro del hielo, las algas a menudo crecen en bolsas de aire llenas de agua que se encuentran en la capa de aguanieve formada entre la interfaz hielo y nieve. [ 37 ] Por ejemplo, la especie de diatomea Aulacoseira baicalensis endémica del lago Baikal puede reproducirse intensamente en bolsas llenas de agua dentro del hielo, así como adherida a la capa de hielo. [ 36 ] Se ha descubierto que el hielo y la nieve de agua dulce alpinos, que pueden durar más de medio año, sustentan una biomasa microbiana y una actividad algal general más altas que el agua del lago en sí, así como especies depredadoras específicas de ciliados que solo se encuentran en la capa de aguanieve de la interfaz hielo y nieve. [ 38 ] Las algas que viven en el manto de nieve de los lagos cubiertos de hielo pueden ser especialmente ricas en ácidos grasos poliinsaturados esenciales . [ 39 ]

Algas de hielo de nieve y glaciar Las algas también prosperan en campos de nieve, glaciares y capas de hielo. Las especies que se encuentran en estos hábitats son distintas de las asociadas con el hielo marino porque el sistema es de agua dulce y las algas están pigmentadas. Incluso dentro de estos hábitats, hay una amplia diversidad de tipos de hábitat y conjuntos de algas que colonizan las superficies de nieve y hielo durante el deshielo. Por ejemplo, las comunidades criosésticas se encuentran específicamente en la superficie de los glaciares donde la nieve se derrite periódicamente durante el día. [ 40 ] Se han realizado investigaciones en glaciares y capas de hielo en todo el mundo y se han identificado varias especies. Sin embargo, aunque parece haber una amplia gama de especies, no se han encontrado en cantidades iguales. Las especies más abundantes identificadas en diferentes glaciares son el alga de hielo glaciar Ancylonema nordenskioldii [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] y el alga de nieve Chlamydomonas nivalis . [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]

Tabla 1. Composición de especies de algas en estudios sobre glaciares y capas de hielo.

Implicaciones para el cambio climático

La tasa de deshielo de los glaciares depende del albedo de la superficie . Investigaciones recientes han demostrado que el crecimiento de algas en la nieve y el hielo glaciar oscurece las condiciones locales de la superficie, disminuyendo el albedo y, por lo tanto, aumentando la tasa de deshielo en estas superficies. [ 46 ] [ 45 ] [ 47 ] El deshielo de los glaciares y las capas de hielo se ha relacionado directamente con el aumento del nivel del mar . [ 48 ] La segunda capa de hielo más grande es la capa de hielo de Groenlandia , que ha estado retrocediendo a ritmos alarmantes. El aumento del nivel del mar provocará un aumento tanto en la frecuencia como en la intensidad de los fenómenos meteorológicos extremos. [ 48 ]

En las capas de hielo y la nieve persistentes, las algas terrestres del hielo a menudo colorean el hielo debido a pigmentos accesorios, popularmente conocidos como " nieve sandía ". Los pigmentos oscuros dentro de la estructura de las algas aumentan la absorción de luz solar, lo que lleva a un aumento en la tasa de fusión. [ 41 ] Se ha demostrado que las floraciones de algas aparecen en glaciares y capas de hielo una vez que la nieve ha comenzado a derretirse, lo que ocurre cuando la temperatura del aire está por encima del punto de congelación durante algunos días. [ 45 ] La abundancia de algas cambia con las estaciones y también espacialmente en los glaciares. Su abundancia es más alta durante la temporada de fusión de los glaciares que ocurre en los meses de verano. [ 41 ] El cambio climático está afectando tanto el inicio de la temporada de fusión como también la duración de este período, lo que llevará a un aumento en la cantidad de crecimiento de algas.

Bucle de retroalimentación hielo-albedo (SAF)

A medida que el hielo/nieve comienza a derretirse, la superficie que cubre disminuye, lo que significa que queda expuesta una mayor porción de tierra. La tierra debajo del hielo tiene una mayor tasa de absorción solar debido a que es menos reflectante y más oscura. La nieve derretida también tiene un albedo menor que la nieve o el hielo secos debido a sus propiedades ópticas, por lo que a medida que la nieve comienza a derretirse, el albedo disminuye, lo que resulta en un mayor derretimiento de nieve, y el ciclo continúa. Este ciclo de retroalimentación se conoce como el ciclo de retroalimentación hielo-albedo. Esto puede tener efectos drásticos en la cantidad de nieve que se derrite cada temporada. Las algas desempeñan un papel en este ciclo de retroalimentación al disminuir el nivel de albedo de la nieve/hielo. Este crecimiento de algas ha sido estudiado, pero sus efectos exactos en la disminución del albedo aún se desconocen.

El proyecto Black and Bloom está llevando a cabo una investigación para determinar la cantidad de algas que contribuyen al oscurecimiento de la capa de hielo de Groenlandia, así como su impacto en las tasas de deshielo de las capas de hielo. [ 49 ] Es importante comprender hasta qué punto las algas modifican el albedo de los glaciares y las capas de hielo. Una vez que se conozca este dato, debería incorporarse a los modelos climáticos globales y utilizarse para predecir el aumento del nivel del mar.

Referencias

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