Fijación de carbono, exudación y respiración en fitoplancton marinorelación con el tamaño celular y la afiliación taxonómica

Resumo

Utilizando datos obtenidos en el campo durante una campaña oceanográfica y en experimentos con mesocosmos, además de medidas realizadas en cultivos de laboratorio, el trabajo realizado durante la presente Tesis representa una contribución para avanzar en el conocimiento de la relación entre el tamaño celular, la composición taxonómica y la actividad metabólica del fitoplancton. Se ha prestado una atención especial a la liberación extracelular de carbono orgánico recién fotosintetizado, pues este proceso ha sido tradicionalmente menos estudiado que la producción primaria particulada. Se aportan asimismo medidas de exudación y respiración obtenidas, siguiendo el mismo protocolo experimental y en cultivos experimentando condiciones de crecimiento idénticas, en un rango amplio de afiliación taxonómica y tamaño celular. Los resultados obtenidos permitirán mejorar la parametrización de procesos fisiológicos clave en los modelos ecológicos y biogeoquímicos al uso, que habitualmente consideran diferentes grupos funcionales y/o clases de tamaño en fitoplancton. Además, estos resultados ayudan a resolver algunas cuestiones importantes que han venido planteándose en los últimos años en el campo de la ecología del fitoplancton, y que son relevantes para entender el funcionamiento de los ecosistemas pelágicos. 6.1 La importancia de la liberación extracelular de carbono orgánico disuelto. Gran parte de la información disponible sobre las tasas metabólicas en el fitoplancton marino se ha centrado principalmente en los procesos de fijación de carbono y respiración. Comparativamente, se sabe poco sobre el proceso de exudación o liberación extracelular de carbono recién fotosintetizado y especialmente cómo varía entre ecosistemas. En parte ello es debido a que tradicionalmente se ha considerado que la exudación representa una fracción pequeña de la fijación total de carbono (Thomas 1971, Fogg 1983, Baines & Pace 1991) y frecuentemente no se incluye de manera rutinaria en los estudios de producción primaria marina. Sin embargo, los datos del porcentaje de liberación extracelular mostrados en este trabajo (capítulos 2 y 3) indican que la exudación puede ser una parte importante en la producción primaria total, variando entre un 20% en un ecosistema muy productivo como la Ría de Vigo (López-Sandoval et al. 2010) hasta más de 30% en una región oligotrófica como el Mar Mediterráneo (López-Sandoval et al. 2011). La pendiente de las relaciones entre la fijación de carbono y la exudación obtenidas tanto en la Ría de Vigo como en el Mar Mediterráneo no fueron significativamente diferentes a 1, lo cual sugiere que el porcentaje de liberación extracelular (PER) es relativamente constante a lo largo del rango de producción medido. Es decir, se trataría de un proceso relativamente constante en el tiempo (entre los diferentes periodos estudiados) y en el espacio (a lo largo del gradiente longitudinal analizado). Este resultado se vio confirmado al no encontrase diferencias significativas en el promedio de PER ni entre épocas en la Ría de Vigo ni entre estaciones en el transecto longitudinal estudiado en el Mar Mediterráneo. Existen razones biofísicas para esperar que la importancia relativa de la exudación del fitoplancton guarde una relación con la estructura de tamaños, ya que las células pequeñas poseen una relación superficie/volumen mayor que las células grandes y esta característica podría favorecer la difusión pasiva de compuestos de bajo peso molecular a través de la membrana celular (Bjørnsen 1988, Kiørboe 1993). De hecho, se han encontrado altos valores de PER en regiones oligotróficas del océano (Karl et al. 1998), donde las comunidades fitoplanctónicas suelen estar dominadas por picofitoplancton. Asimismo, se han encontrado correlaciones positivas entre la importancia relativa de las células pequeñas y el porcentaje de liberación extracelular (Teira et al. 2001, Morán et al. 2002). Sin embargo, la correlación entre la estructura de tamaños y el porcentaje de liberación extracelular no siempre se encuentra (Marañón et al. 2004). Hasta el momento, los trabajos donde se analiza la relación entre la exudación y el tamaño celular en el fitoplancton se han llevado a cabo con poblaciones naturales, lo que imposibilita aislar el efecto que tienen en las tasas de exudación variables como el tamaño celular, el estrés ocasionado por las fluctuaciones en la disponibilidad de nutrientes o luz, la presión de los herbívoros, diferencias en el estado fisiológico de las distintas especies presentes en la comunidad muestreada, etc. La única manera de aislar el efecto del tamaño celular es bajo condiciones controladas en cultivos de fitoplancton en el laboratorio. Sin embargo, los trabajos disponibles incluyen pocas especies, trabajan con un solo taxón, o bien consideran un rango de tamaños celulares pequeño (Berman & Holm-Hansen 1974, Malinsky-Rushansky & Legrand 1996, Finkel 1998). En la presente tesis, se han obtenido medidas de exudación, durante tres fases de crecimiento, en un total de 22 especies de fitoplancton que cubrían un rango de tamaño de más de 6 órdenes de magnitud 0.1 ?m3 hasta >106 ?m3 volumen) y que incluían diatomeas, dinoflagelados, cocolitofóridos, clorofíceas y cianobacterias (capitulo 4). Los resultados obtenidos demuestran que el porcentaje de exudación del fitoplancton no guarda ningún tipo de relación con el tamaño celular y permanece constante entre fases de crecimiento. Trabajos previos con cultivos sugieren que a medida que las tasas de crecimiento disminuyen (en la fase estacionaria, cuando los nutrientes son limitantes), la exudación de compuestos orgánicos aumenta (Myklestad 1977, 1989, Obernosterer & Herndl 1995). Sin embargo, dicho aumento no fue observado en nuestro estudio. Es posible que, a pesar de que la concentración de nitrógeno inorgánico en el medio externo fuese baja, la capacidad de las células de almacenar nitrógeno intracelularmente impidiera que estuvieran fuertemente limitadas. Los valores de PER encontrados en nuestros cultivos fueron sensiblemente menores (2% en promedio para el conjunto de todas las especies y fases de crecimiento) a los medidos en poblaciones naturales. Ello sugiere que la fuerte variabilidad en las condiciones ambientales (intensidad y longitud de onda de la irradiancia, disponibilidad de nutrientes, temperatura, etc.) experimentadas por las poblaciones naturales aumenta las pérdidas de carbono orgánico disuelto. Un factor adicional que también puede estar implicado es la actividad del zooplancton, que en condiciones naturales también puede contribuir a que aumenten las pérdidas de carbono orgánico en forma disuelta. Sin embargo, el hecho de que los experimentos de series de tiempo muestren que la producción de carbono orgánico disuelto cesa en el momento en que comienza la fase oscura del fotoperiodo (Marañón et al. 2004, Marañón et al. 2005) sugiere que la depredación no es el principal mecanismo conducente a la liberación extracelular de los productos recientes de la fotosíntesis. 6.2. Tamaño celular y metabolismo del fitoplancton Uno de los patrones macroecológicos más establecidos, que ha llegado a considerarse una ley universal en biología (Whitfield 2001), es que la tasa metabólica depende del tamaño corporal de forma alométrica, según una función potencial cuyo exponente oscila entre exponente oscila entre ? y ¾. A partir de que Kleiber (1932) mostrara que la tasa metabólica de aves y mamíferos era proporcional a la masa corporal elevada a la potencia de ¾ (la así llamada ley de Kleiber), la validez de este exponente se ha visto confirmada en una amplia diversidad de organismos, incluyendo protistas unicelulares, metazoos y plantas (West et al. 1997, 1999, Niklas & Enquist 2001, Price et al. 2010). Sin embargo, aún existe una gran controversia respecto a este tema, no solamente respecto al valor que toma el exponente, sino también respecto a la posibilidad de que un único exponente pueda no ser adecuado para todos los organismos (Glazier 2006, DeLong et al. 2010). En el caso del fitoplancton, el tamaño celular tiene un efecto directo sobre distintos procesos fisiológicos y ecológicos como la captación de nutrientes, la absorción de la luz, la velocidad de sedimentación (Kiørboe 1993) y distintas tasas metabólicas como la fijación de carbono (Blasco & Conway 1982) o la respiración (Banse 1976, Tang & Peters 1995). Diversos estudios han señalado que es posible aplicar la ley de Kleiber para predecir el metabolismo del fitoplancton (Laws 1975, Blasco & Conway 1982, López-Urrutia 2008)"; sin embargo, trabajos recientes con poblaciones naturales han destacado que la relación que existe entre el tamaño celular y la tasa metabólica en estos organismos es en realidad isométrica (Marañón et al. 2007, Marañón 2008, Huete-Ortega et al. 2011), lo que implica que las células grandes tienen tasas metabólicas mayores de lo que se esperaría para su tamaño, y ofrece una explicación alternativa al hecho de que dominen en sistemas productivos (Huete-Ortega et al. 2011). Muchos de los estudios que abordan la relación entre tamaño celular y tasa metabólica en fitoplancton tienen importantes limitaciones metodológicas. Una gran mayoría se basa en el análisis de datos recopilados de la literatura (Laws 1975, Banse 1976, Marañón 2008). La principal fuente de incertidumbre es en este caso la disparidad en los métodos experimentales utilizados y en las condiciones de crecimiento de las poblaciones. En el caso de los pocos estudios en los que se han hecho medidas directas con cultivos, o bien consideran pocas especies (Falkowski & Owens 1978) o incluyen un único grupo taxonómico (Blasco et al. 1982, Finkel 1998). Además, los estudios de laboratorio realizados hasta ahora cubren un rango de tamaños incompleto, pues no incluyen especies por debajo de 50-100 um3 (el nanofitoplancton pequeño y el picofitoplancton). Por su parte, en los estudios con poblaciones naturales distintos factores pueden condicionar la medida de la actividad metabólica de las especies de distintos tamaños. Finalmente, el uso del volumen o del carbono celular como expresión del tamaño celular ha contribuido también a la disparidad en el valor obtenido del exponente de la relación entre tamaño y tasa metabólica, ya que el contenido de carbono por unidad de volumen tiende a disminuir a medida que aumenta el tamaño del fitoplancton, en parte debido a la presencia de vacuolas en células grandes como las diatomeas (Banse 1976, Johnson et al. 2009). Los resultados obtenidos (capítulo 5) demuestran inequívocamente que el metabolismo del fitoplancton no cumple la ley de Kleiber, ya que la pendiente en la relación log-log entre tasa metabólica y volumen celular fue significativamente mayor de ¿ tanto para fotosíntesis y exudación como para la respiración. El valor de la pendiente se hace aún mayor si el tamaño celular es expresado en términos de contenido de carbono. Estos resultados coinciden con las observaciones de DeLong et al. (2010), quienes encontraron que en protistas unicelulares la tasa metabólica era relativamente independiente del tamaño. La isometría o quasi isometría del metabolismo en fitoplancton significa que organismos de tamaños enormemente dispares sostienen tasas metabólicas por unidad de biomasa semejantes. En términos teóricos, se suele aceptar que la mejor estrategia evolutiva para el fitoplancton debería consistir en minimizar el tamaño celular para maximizar la relación que hay entre la superficie y el volumen, así como reducir las pérdidas por sedimentación (Raven 1998). Si se considera que un aumento de tamaño en estos organismos implica que aumenta el efecto de empaquetamiento (lo que puede conducir a una disminución del metabolismo debido a la limitación por luz) (Finkel 2001, Finkel et al. 2004) y que la difusión se hace cada vez más ineficiente para mantener una concentración de solutos constante en el citoplasma (Beardall et al. 2009), resulta llamativo que células grandes y pequeñas presenten tasas de fotosíntesis específica (tasas de renovación) relativamente similares. La supuesta limitación de una menor relación superficie/volumen esperada en células grandes parece ser compensada por diferentes estrategias, como cambios en la forma celular, la presencia de la vacuola, que aumenta la superficie de intercambio para la captación de los nutrientes, la disminución en los requerimientos específicos de nutrientes (Thingstad et al. 2005), y la capacidad para mantener la misma tasa de captación de nutrientes por unidad de volumen que las células más pequeñas (Marañón et al. 2012). 6.3. Curvatura en la relación entre tamaño y tasa metabólica Los modelos lineales utilizados para representar la relación entre los logaritmos del tamaño celular y la tasa metabólica explican una parte importante de la variabilidad de los datos;" sin embargo, dicha representación puede enmascarar patrones no lineales, que se manifiestan al representar la tasa metabólica específica (por unidad de biomasa). En nuestros experimentos, la relación de la fotosíntesis por unidad de biomasa (h-1) con el tamaño presentaba un marcado patrón unimodal, en donde las tasas de fijación más altas correspondían a las células de tamaño intermedio (capítulo 5). Lo anterior sugiere que una sola ecuación potencial no puede describir la relación que existe entre el tamaño celular y el metabolismo, ya que en el caso de la fotosíntesis por unidad de biomasa, la pendiente de la relación entre el tamaño y la tasa es positiva cuando el rango de tamaños es a partir de células pequeñas hasta células de tamaño medio, y negativa cuando el rango es a partir de las tallas intermedias hasta las grandes. Durante los experimentos de laboratorio aquí descritos se realizaron medidas de variables adicionales como la tasa de captación máxima de nitrógeno y las cuotas intracelulares de nitrógeno mínimas y máximas. Estas medidas sugieren que la unimodalidad en la relación entre tamaño y producción de biomasa en fitoplancton es el resultado de cambios a lo largo del espectro de tamaños en la interacción entre el requerimiento, la captación y el uso de los nutrientes (Marañón et al. 2012). En el rango de las especies de tamaño pequeño a intermedio (por debajo de 50-100 um3), la tasa metabólica específica aumenta con el tamaño gracias a que las células van teniendo un menor requerimiento de nitrógeno y a que progresivamente tienen más espacio celular disponible para los enzimas implicados en la síntesis de nueva biomasa. En el rango de tamaños intermedios a grandes (por encima de 100 um3), la tasa metabólica específica disminuye con el tamaño probablemente a consecuencia del aumento en las distancias intracelulares para el transporte de los recursos. 6.4. ¿Varía la respiración a lo largo del espectro de tamaños? En la mayoría de los organismos la relación que existe entre el tamaño y la respiración es descrita mediante una relación alométrica cuyo exponente suele ser 0.75. Esto quiere decir que, en comparación con los organismos pequeños, las demandas energéticas de los organismos grandes son menores. En el caso del fitoplancton, la relación que existe entre el tamaño y la respiración ha sido objeto de largo debate. Los primeros estudios en los que se aborda directamente este tema muestran pendientes que varían entre 0.69 (Laws 1975) y 0.93 (Banse 1976, Blasco et al. 1982, Tang & Peters 1995). Estos estudios se basaban bien en datos tomados de la literatura, o en medidas realizadas con pocas especies y cubriendo un rango pequeño de tamaños. Los resultados presentados en esta tesis demuestran que la relación que existe entre el tamaño (medido como biomasa de carbono) y la respiración tiene una pendiente que no es significativamente distinta a 1. Esto confirma, en un rango de tamaños y taxonómico mucho más amplio, los resultados de Lewis (1989) y de Falkowski & Owens (1978), y permite concluir que la respiración en el fitoplancton es independiente del tamaño celular. Por tanto, se puede rechazar la hipótesis de que cambios con respecto al tamaño en las pérdidas por respiración desempeñen un papel en el control de la estructura de tamaños del fitoplancton (Laws 1975). Dado que, como se ha discutido anteriormente, tampoco la exudación muestra una dependencia del tamaño, podemos concluir que son los procesos anabólicos de producción de biomasa y no los procesos de pérdida los que controlan la relación entre crecimiento y tamaño en fitoplancton, y por tanto el potencial de las especies en distintas clases de tamaño para dominar durante situaciones de elevada disponibilidad de recursos. 6.5. Afiliación taxonómica y metabolismo Al considerar la variabilidad de diferentes procesos metabólicos en fitoplancton, se deben tener en cuenta también las diferencias en estructura y composición celular que existen entre grupos taxonómicos o especies, ya que éstas implican diferentes requerimientos energéticos que a su vez pueden influir en las tasas metabólicas (Raven & Beardall 1981). Por ejemplo, nuestros resultados muestran que las pérdidas por respiración son mayores en los dinoflagelados, como ya se había observado en varias revisiones de datos de la literatura (Geider & Osborne 1989). Las altas tasas de respiración en dinoflagelados pueden estar relacionadas con el hecho de que poseen una gran cantidad de ADN en su núcleo (Rizzo 2003). Para sostener las tasas de renovación del material genético, así como para mantener otras actividades celulares como la regulación osmótica del flagelo y la motilidad (Raven & Beardall 1981), estos organismos deberán invertir una mayor cantidad de energía (ATP) proveniente de la respiración. Otra muestra de la importancia de la afiliación taxonómica se encuentra al comparar la tasa de producción por unidad de biomasa (PC) en la fase exponencial de crecimiento y en la fase estacionaria (capítulo 5). En la mayor parte de las especies, PC disminuyó en la fase estacionaria con respecto a la fase exponencial, presumiblemente como resultado de la limitación por nitrógeno. Sin embargo, en el caso de las diatomeas se encontró que muchas especies fueron capaces de mantener valores de PC durante la fase estacionaria semejantes a los sostenidos durante la fase exponencial. Ello implica que las diatomeas son capaces de mantener la fijación de carbono en situaciones de falta de nitrógeno, aumentando con ello la relación C:N de su biomasa. Ello permite a las diatomeas desacoplar parcialmente el metabolismo del carbono y del nitrógeno, y puede contribuir a explicar su éxito en situaciones oceanográficas caracterizadas por un suministro discontinuo de nutrientes (Litchman 2006).