FISIOLOGIA BALANCE ENTRE FOTOSINTESIS Y RESPIRACION ECOSISTEMAS

Balance entre fotosíntesis y respiración en un ecosistema. ¿Los cambios climáticos traen cola?

En septiembre de 2008, la revista científica inglesa Nature publicó un artículo cuyo título es “Supresión prolongada de la captación de dióxido de carbono por un ecosistema luego de un año irregularmente cálido”.1 El trabajo muestra que un aumento de cuatro grados centígrados en la temperatura ambiental disminuye la capacidad que tiene un ecosistema de pradera para captar dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera, uno de los gases que contribuyen al efecto invernadero. Lo novedoso de este trabajo es que encontraron que los efectos del aumento de temperatura son relativamente de largo término: una vez que la temperatura vuelve a niveles normales, el ecosistema sigue alterado por, al menos, dos años. Además, como el CO2 es un producto de la fotosíntesis, nos permite enseñar este tema desde otro enfoque.

Este mega experimento duró cuatro años y fue un esfuerzo combinado de cerca de veinte investigadores de seis instituciones estadounidenses, la mayoría de ellos pertenecientes al Instituto de Investigación del Desierto, en el estado de Nevada. El trabajo tiene una importancia fundamental porque aporta datos para hacer predicciones sobre las consecuencias que tendrá el calentamiento global en relación con la vida en el planeta.

El carbono yira... yira...[pic 1]

En la naturaleza el carbono puede encontrarse en muchos lados, por ejemplo, formando parte de moléculas en los seres vivos o del CO2 de la atmósfera. Lo interesante es que, como resultado de reacciones químicas, un átomo de carbono puede estar hoy formando parte de un ser vivo y, en diez años, formando parte de la atmósfera. Los caminos que puede seguir el carbono en la naturaleza se pueden resumir en un esquema, más o menos complejo, que conocemos como “ciclo del carbono”… aunque más que un ciclo (círculo), parece un tortuoso recorrido con destino incierto.

Los seres vivos participan activamente en el ciclo del carbono. En todas las células que componen los seres vivos ocurren procesos para obtener energía. Puede haber diferencias entre seres vivos y entre tipos de células, pero, en la mayoría de los casos, son procesos que rompen ciertas moléculas (fundamentalmente azúcares) para combinarlas con oxígeno. En este proceso se forman nuevas moléculas: CO2 y H2O. También se libera energía, ya que los átomos de hidrógeno y carbono están en un estado más energético cuando se encuentran unidos entre sí que cuando se unen con oxígeno. Estos procesos se conocen como respiración, que en el fondo es un tipo de combustión.

Además, algunos seres vivos, muchas veces sólo en algunas de sus células, realizan otro proceso que participa en el ciclo del carbono: la fotosíntesis, un proceso maravilloso. Hay muchos tipos de fotosíntesis, pero todos tienen en común que se colecta la energía de la luz y se la utiliza para crear moléculas en un estado energético mayor. La fotosíntesis que hacen las plantas usa la energía de la luz para fabricar azúcares a partir de CO2 y agua. Se dice que las plantas “fijan” el carbono porque lo toman en forma de gas (CO2) y lo retienen en forma de moléculas relativamente grandes, como el almidón, que no son volátiles y pueden almacenarse por mucho tiempo. Para ver un esquema del ciclo del carbono, hacer clic aquí.

En un ecosistema, todos los seres vivos liberan CO2 como desecho y algunos, además, lo consumen como resultado de la fotosíntesis. El balance de todo lo que pasa define si el ecosistema, como un todo, consume o libera CO2. Este balance se llama intercambio neto de CO2 entre el ecosistema y la atmósfera. Este intercambio es muy importante porque el CO2 es uno de los gases que contribuyen al efecto invernadero aumentando la temperatura global y, si se libera mucho más de lo que se consume, aumentará la concentración atmosférica de CO2 y, consecuentemente, su contribución al efecto invernadero.

Preguntas asfixiantes sobre los gases del efecto invernadero

Ahora que tenemos lo anterior en mente, pongámoslo en contexto de una pregunta interesante —y relevante actualmente— que los autores de este paper se ocuparon de investigar. Más allá de cuáles sean las causas del calentamiento global y el aumento del CO2 atmosférico, es importante poder hacer predicciones acerca de qué nos depara el futuro. Pero la cuestión no es sencilla. Supongamos que aumenta la cantidad de CO2 en la atmósfera. ¿Influiría esto en los procesos de captación y producción de CO2? Por ejemplo, es posible que las plantas, al haber más CO2 en la atmósfera, hagan más fotosíntesis y fijen más carbono. Esto podría hacer que se reestablezca el balance entre producción y captación de dióxido de carbono. Si las plantas fijaran más carbono, ¿tendrían más reservas y crecerían mejor, generando abundancia de alimentos? ¿Y qué pasaría con la fotosíntesis y la respiración si aumenta la temperatura global? Es posible que la respiración aumente más que la fotosíntesis, produciendo cada vez más y más CO2 en una reacción en cadena. O es posible que aumente más la fotosíntesis, tendiendo a regular la cantidad de CO2. ¿Cuál ganará, afectando en definitiva el intercambio neto de CO2? Como se ve, estas preguntas no son ni tontas ni fáciles de prever.[pic 2]

La pregunta

Los autores del trabajo se preguntaron, justamente, cómo se alteraba el intercambio neto de CO2 en un ecosistema debido a un aumento de la temperatura. Fueron un poco más allá y quisieron saber también cuánto tiempo duraban las posibles alteraciones. Un aspecto muy importante, si se desea revertir efectos indeseables que podrían estar ocurriendo actualmente.

Para responder esta pregunta, estos científicos se embarcaron en una tarea realmente ciclópea. Querían estudiar el intercambio gaseoso en un ecosistema de pradera. Pero, ¿cómo hacerlo? Medir el intercambio de gases en la pradera a cielo abierto no es sencillo. Entonces... ¡mudaron la pradera al laboratorio! Eso mismo: excavaron unos “panes” de suelo, con sus pastos, gusanos, bacterias y todo, de aproximadamente 2,5 metros de largo por 1 metro de ancho y 2 metros de profundidad. Los empaquetaron bien, para que no se secaran, y los transportaron 2500 kilómetros hasta el laboratorio. Una vez allí, los instalaron en unos invernaderos especiales, llamados “EcoCELLs”,2 que son cámaras de ambiente controlado. Cada EcoCELL tiene lugar para tres panes de pradera (clic aquí para ver cómo es una EcoCELL).[pic 3]

El mega experimento: cuatro años de mediciones

Como querían simular lo mejor posible las condiciones naturales de la pradera, además de usar la luz natural que entraba a través del techo transparente hicieron que los invernaderos tuvieran temperaturas y lluvias que imitaban las estaciones, copiando valores reales obtenidos por un observatorio meteorológico cercano a la pradera. ¡Así mantuvieron los invernaderos controlados durante cuatro años! Durante el segundo año se simuló una temperatura cuatro grados más cálida, usando valores más altos que los obtenidos históricamente por el observatorio meteorológico porque, justamente, los científicos querían saber las consecuencias de un aumento de la temperatura en el funcionamiento del ecosistema.

Con los pedazos de pradera puestos en estos invernaderos, los investigadores pudieron medir el intercambio neto de CO2 en este ecosistema en forma continua durante cuatro años. ¿Cómo? En el invernadero se puede regular el flujo de aire, que entra por un lado y sale por otro. Y también se puede medir con detectores cuál es la concentración de CO2 en el aire que entra y cuál es su concentración en el aire que sale. El intercambio neto de CO2 en el ecosistema se calcula a partir la diferencia entre el CO2 que entra y el CO2 que sale del invernadero. Si el número da positivo, quiere decir que el CO2 que salió fue menos que el que entró, o sea que el ecosistema captó CO2; si, en cambio, el número da negativo, significa que salió más CO2 que el que entró al ecosistema, que liberó CO2.

Existe un problema fundamental con este tipo de experimentos. Supongamos que uno aumenta la temperatura y observa un cambio en la captación de CO2. ¿Se debe el cambio registrado realmente a la variación experimental de la temperatura?
¿No puede ser que quizá ese día haya pasado alguna otra cosa que no estemos tomando en cuenta? Quizá el aire que usamos haya estado ligeramente menos húmedo. O la luz que usamos fuera inadvertidamente menos intensa o de otra longitud de onda. O… quién sabe, algo que ni siquiera podemos imaginar. Para estar lo más seguros posible de que lo que observamos se debe específicamente a lo que estamos probando, lo mejor es tener DOS invernaderos exactamente iguales. A uno le aumentaremos la temperatura y al otro, no. Supongamos ahora que vemos en el invernadero en el que incrementamos la temperatura un cambio extraordinario en la captación de dióxido de carbono, pero éste es muy, muy parecido al cambio que vemos en el invernadero en el que no cambiamos la temperatura. ¿Podríamos entonces decir que este cambio en la captación de dióxido de carbono se debe al incremento de temperatura? Obviamente no, porque el cambio se produce tanto en el invernadero caliente como en el no caliente. Para poder atribuir un efecto a la temperatura tenemos que ver ese efecto cuando aumentamos la temperatura y tenemos que no verlo cuando no la cambiamos. Por eso es absolutamente indispensable hacer el experimento en DOS invernaderos. El invernadero en el que no cambiamos la temperatura se llama “grupo control”. (Acá se puede ver un gráfico de las variaciones  de temperatura).[pic 4]

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