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El cambio climático puede alterar los procesos microbianos en los ríos

La vida sobre el planeta Tierra, tal y como la conocemos hoy en día, es posible gracias a las múltiples y esenciales funciones que los microorganismos desempeñan en los ecosistemas, como por ejemplo el reciclaje de nutrientes. En los últimos años, desde el mundo científico se está realizando un gran esfuerzo para intentar determinar cómo influye el clima en el desempeño de dichas funciones y si éstas pueden verse alteradas por las variaciones de temperatura y precipitación que se esperan con el cambio climático. Éstas son las cuestiones que aborda un artículo publicado recientemente en la prestigiosa revista Microbiome, el cual ha sido liderado por nuestro ecomandanguero Félix Picazo y cuyos resultados, fruto de un trabajo colaborativo entre investigadores chinos, finlandeses y españoles, os resumimos a continuación.

Ecología microbiana: ¿por qué debería interesarnos?

Los microorganismos intervienen de manera crucial en numerosos procesos que tienen lugar tanto en ecosistemas terrestres como acuáticos. Por ejemplo, muchos microorganismos tienen un papel clave en la descomposición de la materia orgánica compleja en elementos más simples, lo que resulta fundamental para el reciclado de nutrientes -como ocurre cuando muere un animal o caen las hojas de un árbol cada otoño-. Mientras, otra serie de microorganismos posibilitan que dichos elementos vuelvan a ser incorporados a los tejidos vivos, por ejemplo por las plantas a través de sus raíces, dando lugar a un ciclo infinito esencial para el mantenimiento de la vida sobre el planeta. Durante estas idas y venidas entre formas orgánicas e inorgánicas -conocidas técnicamente como ciclos biogeoquímicos-, se generan subproductos como el dióxido de carbono, el metano o el óxido nitroso, todos ellos gases con un reconocido potencial de efecto invernadero. De este modo, entre los microorganismos y el ambiente que habitan se establece una relación de doble sentido: la temperatura y la humedad, entre otros factores, influyen en la actividad microbiana y ésta, a su vez, está involucrada en la generación de gases de efecto invernadero que afectan al clima.

Multitud de microorganismos intervienen en los procesos ecosistémicos que tienen lugar en arroyos y ríos. En la imagen, río Arazas en el Puente del Fresno, Parque Nacional de Ordesa y Monte Perdido. Autor: Félix Picazo.

Llegados a este punto, conviene enfatizar que el término microorganismo -sinónimo de microbio- alude al principal rasgo que caracteriza a estas formas de vida: son imperceptibles al ojo humano. Sin embargo, la creciente disponibilidad de técnicas moleculares de secuenciación masiva, que nos permiten identificar los microorganismos en función del grado de similitud de su material genético, ha posibilitado un gran avance de la ecología microbiana durante los últimos años. A pesar de este gran impulso, la comprensión de todos estos procesos ecológicos en los que intervienen los microorganismos ha llegado principalmente a través de experimentos o estudios con un carácter más local, constituyendo los estudios a gran escala un importante reto científico. Y, si bien es cierto que en los últimos tiempos también han florecido estudios de carácter más global, la mayoría de ellos se han centrado en averiguar si los patrones ecológicos que desde hace décadas se vienen observando en macroorganismos -visibles al ojo humano- también se cumplen con microorganismos, o en determinar qué factores influyen en que un microorganismo determinado aparezca en una región o ambiente y no en otros. Por tanto, dado el papel crucial que los microorganismos juegan en multitud de procesos planetarios, uno de los actuales desafíos de la ecología microbiana es estudiar los patrones geográficos de las funciones que realizan los microorganismos y los factores que determinan dichos patrones. Es justo en ese campo donde entran en juego estudios como el que hoy os resumimos.

Las montañas, laboratorios al aire libre

Para aportar algo de luz sobre las cuestiones anteriormente planteadas, este equipo internacional de investigadores ha evaluado la distribución de un total de 15.289 genes microbianos clave, cada uno de ellos asociado con la realización de funciones muy concretas en arroyos y ríos. En este caso, los autores han seleccionado genes implicados en procesos relacionados con el ciclo del carbono y de nutrientes clave como el nitrógeno, el fósforo y el azufre, así como con situaciones de estrés, de arqueas, bacterias y hongos microscópicos presentes en el biofilm -esa película resbaladiza que percibimos al coger una piedra del lecho del río sobre la que ya hablamos en un post anterior-. Para poder desentrañar cómo afecta el clima a las comunidades de genes microbianos, los autores han recogido muestras de biofilm en ríos de 3 zonas montañosas de Noruega, España y China, cubriendo desniveles que van desde los 0 a los 800 metros, desde los 850 a los 2.500 metros y desde los los 1.800 a los 4.000 metros, respectivamente. El empleo de gradientes altitudinales es relativamente habitual en la ciencia ecológica, pues permiten cubrir importantes diferencias climáticas en cortas distancias geográficas. Así, las montañas constituyen auténticos laboratorios al aire libre que ofrecen una excelente oportunidad para testar el efecto del cambio climático. Si, además, éstas se encuentran ubicadas en distintas regiones climáticas del planeta, pueden permitirnos generalizar los hallazgos obtenidos.

Áreas montañosas incluidas en el estudio: Parque Natural de Aigüestortes i Estany de Sant Maurici, Pirineos (izquierda), montañas Bálggesvárri, Noruega (derecha, arriba) y montañas Laojun, China (derecha, abajo). Autores: Félix Picazo (izquierda), Ximonic (Simo Räsänen; derecha, arriba; CC BY-SA 3.0, en wikimedia commons), y Lypeter (derecha, abajo; CC BY-SA 3.0, en wikimedia commons).

El clima explica la diversidad funcional microbiana

Los resultados del estudio muestran que variables como la temperatura y el régimen de precipitaciones son determinantes a la hora de explicar la variedad y composición de las comunidades de genes microbianos. Más concretamente, lo que los investigadores observan es que esa variedad disminuye hacia zonas con menor temperatura y que las diferencias en la composición que se observan entre los sitios estudiados están relacionadas con la existencia de distintas condiciones climáticas. El papel de la temperatura puede explicarse de acuerdo con la teoría metabólica de la ecología, la cual expone que los organismos muestran tasas metabólicas relacionadas con su tamaño y la condiciones térmicas en que se desenvuelven. Dicho de una manera más simple, las temperaturas elevadas fuerzan a los microorganismos a “vivir más deprisa”, y esto favorece una mayor diversidad de genes microbianos al posibilitar que evolucionen en periodos de tiempo realmente cortos frente a los lapsos más amplios que el proceso evolutivo suele conllevar en macroorganismos. Tanto es así que en estudios previos se ha constatado que la diversidad de genes en microorganismos del suelo puede aumentar o disminuir de manera significativa en apenas 2-3 años cuando son sometidos a experimentos de calentamiento y enfriamiento, respectivamente (estudio 1; estudio 2). Mientras, el papel de la precipitación estaría más relacionado con la distribución de los distintos biomas terrestres (vegetación mediterránea, tundra alpina, etc.), pues, como ya vimos en otro post anterior, el tipo de materia orgánica que llega a los ríos también determina sus comunidades de microorganismos.

Los resultados obtenidos a partir del conjunto de datos ha permitido a los investigadores realizar un ejercicio de modelización para anticipar cómo puede verse afectada la diversidad funcional microbiana ante escenarios de clima futuro. Estos escenarios, desarrollados por el IPCC (grupo intergubernamental de expertos sobre cambio climático), son conocidos como trayectorias de concentración representativas o RCPs,  y comprenden escenarios más optimistas (aquellos en los que nos ponemos las pilas y limitamos las emisiones de gases de efecto invernadero) y más pesimistas (seguimos con nuestro modelo económico actual y las emisiones aumentan). Las proyecciones llevadas a cabo por los autores, realizadas para toda la red fluvial de Eurasia, muestran que las comunidades de genes microbianos verán alterada su variedad y composición bajo escenarios de clima futuro, siendo estos cambios especialmente relevantes en las regiones centrales y norteñas del continente. Los autores advierten que, si bien la magnitud exacta de los cambios proyectados tendrá que ser revisada conforme se disponga de escenarios climáticos más refinados, lo interesante es constatar que esa tendencia de cambio es sólida.

Cambios en la diversidad (arriba) y composición (abajo) de las comunidades de genes microbianos a lo largo de la red fluvial de Eurasia para un escenario intermedio de emisiones de gases de efecto invernadero (RCP 4,5). Fuente: Picazo et al. 2020.

Por tanto, este estudio revela que el clima juega un papel principal a la hora de controlar los procesos microbianos en ríos y arroyos. Esto se traduce en una alta sensibilidad de dichos procesos a futuras variaciones en los patrones de temperatura y precipitación, lo cual es más notorio en áreas montañosas y regiones cercanas al polo. No obstante, todavía existe cierta incertidumbre sobre la magnitud exacta de estos cambios, debiendo, por tanto, ser ajustada a medida que se disponga de datos climáticos más precisos y conforme puedan ir incorporándose variables locales (pH, sales y oxígeno disueltos, etc.) a los modelos. Finalmente, cabe destacar el enfoque usado en este estudio, el cual puede representar un punto de partida para anticipar las respuestas de los ecosistemas al actual cambio climático.

Artículo completo:

Picazo F, Vilmi A, Aalto J, Soininen J, Casamayor EO, Liu Y, Wu Q, Ren L, Zhou J & Wang J (2020). Climate mediates continental scale patterns of stream microbial functional diversity. Microbiome, 8: 92.

Foto de portada: Río Arazas en el puente del Fresno, Parque Nacional de Ordesa (Autor: Félix Picazo).