Introducción a las algas

Transcripción
Soy Jonathan Shurin, Soy Profesor de Ecología, Comportamiento y Evolución en la University of California en San Diego. Y hoy voy a hablar sobre la ecología de las algas en relación con su uso como cultivo bioenergético. Y así, cuando la mayoría de la gente piensa en ecología, piensan en algo así como este prístino y hermoso lago de montaña en la parte inferior de la diapositiva, una especie de ecosistema natural no perturbado, pero la ecología es algo que ocurre en todas partes en las ciudades, y eso sucede particularmente en agricultura. Este campo de cultivo, en la parte inferior izquierda de tu pantalla, o en estanques para cultivar algas como en la parte inferior derecha. Nuestros cultivos interactúan con un montón de especies nativas diferentes, como patógenos, bacterias, virus, hongos, herbívoros como insectos y otros tipos de especies, y estas interacciones pueden tener un efecto tremendo en la productividad de nuestros sistemas agrícolas y para razones, explicaré en un minuto, para las algas en particular. Bueno, entonces, ¿qué es la Ecología? La Ecología es esta rama de la ciencia que estudia las interacciones entre organismos, y entre organismos y su entorno que determinan los tipos y números de especies que encontramos en un hábitat en particular, y también cómo estas cosas determinan cosas como la productividad de los ecosistemas, cuánta biomasa producen y lo que le sucede a esa biomasa. La razón por la cual la ecología es relevante para la biotecnología de las algas es que muchas especies como las algas maleza, las plagas como las enfermedades o los herbívoros pueden limitar el crecimiento de las algas, y así, la ecología puede limitar la productividad de los sistemas de bioenergía de algas. Pero también hay una ventaja en esto, ya que la diversidad a menudo se puede usar como una herramienta para aumentar la producción. Así, la diversidad al manipular las interacciones ecológicas y cosas como las bacterias probióticas o los tipos de algas que podrían facilitarse entre sí, podemos mejorar el rendimiento de nuestros sistemas y hacerlos más estables contra las fluctuaciones que tienen lugar en el medio ambiente. Bueno. Lo primero que necesitas saber sobre las algas es que son extremadamente diversas. Esta diapositiva, en la esquina superior izquierda, si toma una cucharadita, o unas gotas de agua desde cualquier parte del océano, o en un lago, o en cualquier lugar, y miras bajo el microscopio, probablemente encontrarás entre decenas y docenas de tipos de algas. Si observas por un tiempo, puedes encontrar cientos o miles de diferentes tipos reconocibles de algas. Y si miras en la parte superior derecha, el árbol genealógico eucariota, he circulado seis ramas diferentes en este árbol que incluyen cosas que llamamos algas, por lo que las algas son una categoría general para los microorganismos fotosintéticos, los organismos unicelulares que se someten a fotosíntesis, y se encuentran diferentes tipos de algas en cada una de estas seis ramas diferentes del árbol aquí, diferentes grupos de algas como las diatomeas o los dinoflagelados, algas verdes, son más diferentes entre sí o se han separado unos de otros en el pasado evolutivo, por ejemplo, como una ballena lo es de un hongo. Muchas de estas cosas que llamamos algas son, de hecho, muy, muy diferentes. Y no solo en términos de sus relaciones evolutivas, sino que si tomas sus rasgos biológicos, por ejemplo, algo así como el tamaño de la célula, aquí en este gráfico en la parte inferior, la gama de algas es de aproximadamente cuatro órdenes de magnitud desde los pequeños, Prochlorococcus, Synechococcus, Cianobacterias, hasta las grandes cosas como Trichodesmium, su tamaño varía en aproximadamente cuatro órdenes de magnitud, y eso puede no sonar demasiado impresionante hasta que te das cuenta de que esa es la diferencia de tamaño entre un pez y la isla de Manhattan. Esa es una gama tremenda en términos de sólo tamaño y otros tipos de rasgos. Las algas también son muy, muy diferentes entre sí. Las algas nos interesan porque son las “plantas” más productivas del mundo, y pongo “plantas” aquí entre comillas porque en realidad no son biológicamente plantas, son plantas en el sentido de que son fotosintéticas. Pero debido a que son pequeñas y unicelulares y no hacen un montón de estructuras complicadas, las algas crecen muy rápidamente. Esta tabla, aquí a la izquierda, muestra el rendimiento de aceite en litros por hectárea de diferentes cultivos, desde maíz y soya, canola, jatropha, hasta microalgas en dos condiciones diferentes, y puedes ver que las microalgas oscilaron entre uno y tres órdenes de magnitud más productivas que cualquiera de estos diferentes cultivos terrestres. Y lo que eso significa es que puedes producir la misma cantidad de energía en una cantidad de tierra mucho menor. Este gráfico, en la parte inferior, muestra el área de los Estados Unidos, y luego la cantidad de área que tendrías que cultivar con diferentes cultivos para producir una cantidad determinada de energía. Puedes ver que para la soya, tienes que plantar tres campos de soya del tamaño de un área de los Estados Unidos, mientras que, con algas, hipotéticamente lo harías con una cantidad de tierra mucho menor. En su apogeo, cuando están haciendo su mejor esfuerzo, las algas son claramente los campeones indiscutibles de crecimiento del mundo. Producen biomasa a un ritmo tremendo. Pero esa productividad es realmente muy variable. Las algas en diferentes circunstancias pueden ser mucho más o mucho menos productivas, y eso plantea la pregunta: ¿qué controla la productividad de las algas? y la productividad de las algas está bajo control por dos categorías diferentes de procesos: Procesos que limitan el crecimiento, la producción de nueva biomasa, las tasas de fotosíntesis, la adquisición de recursos, y estos pueden incluir elementos como nutrientes como nitrógeno, fósforo, hierro, elementos necesarios para construir una célula, luz que proporciona la energía para fotosíntesis, temperatura, química del agua, cosas como pH o salinidad que afectan la tasa de crecimiento de las algas. Y luego, las otras categorías, cosas que imponen la muerte a las algas y cosas que imponen pérdidas y eliminan cosas de la biomasa como herbívoros, enfermedades como virus o bacterias, o hundirse si estás en el océano o en una columna de agua. Y así, los factores de crecimiento limitan la entrada de energía y la muerte afecta la velocidad a la que se pierde esa energía. Y el otro tipo de cosa invisible o menos reconocida que limita la productividad es la diversidad de las algas. Por lo tanto, hay varias razones para sospechar que comunidades de algas más diversas pueden ser mejores para crecer. Es posible que puedan adquirir nutrientes, o luz de manera más efectiva, o crecer bajo un rango más amplio de temperatura o condiciones químicas, y quizás puedan ser más resistentes a herbívoros o enfermedades. Por ejemplo, si surge una epidemia y aniquila una especie de alga si hay otra especie presente para ocupar su lugar, entonces la productividad puede mantenerse, aunque haya perdido una especie y ganado otra. La diversidad de las algas puede ser una especie de herramienta o mecanismo que podemos utilizar para gestionar la productividad de los sistemas de producción de bioenergía. ¿Por qué no podemos simplemente ignorar la ecología para poder tapar el resto del mundo y enfocarnos sólo en las algas que estamos interesados en cultivar? Bueno, una razón para eso es que las algas y sus enemigos se dispersan muy ampliamente en todo el mundo. Son muy, muy buenos para moverse. Hay un dicho en la ecología microbiana de que “todo está en todas partes”, esta idea de que sólo existe esta lluvia continua de células y cualquier hábitat disponible será rápidamente colonizado por diferentes especies, y descubrimos que eso es cierto. Esta imagen en la parte inferior izquierda es un experimento, y medimos la tasa de dispersión a través del suelo de algunas algas que cultivamos en tanques. Tenemos esas tinas verdes que miden el movimiento o la dispersión de algas de esos grandes tanques de concreto allí. Y descubrimos que docenas o cientos de otros tipos reconocibles de algas también colonizaron estas tinas justo fuera de la atmósfera. Y así, está bajando esta lluvia constante de diferentes especies. La otra razón es que los enemigos de las algas pueden eliminarlas muy rápidamente. Los auges y las caídas ocurren muy rápidamente con especies unicelulares. Una epidemia puede afectar a una población de algas y hacer que quiebre y mate a todos los miembros de esa población en cuestión de un día o dos, incluso antes de que te des cuenta de que algo ha sucedido y acaba de aniquilar a tu población de algas. Y así, las cosas pueden suceder muy rápidamente. Tenemos muchos ejemplos de esto. En la parte inferior aquí, tengo fotos de un par de herbívoros diferentes. En la esquina inferior izquierda, hay una Daphnia, abajo a la derecha, hay un rotífero, también hay un patógeno fúngico en una célula, en medio, tiene un montón de células de hongos unidas al exterior que la está infectando. Y este gráfico en el medio muestra las poblaciones de algas y hongos en un estanque que monitoreamos a lo largo del tiempo donde se ve que la población de algas es esa línea continua, la población de hongos es esa línea discontinua, puedes ver que la abundancia de algas aumenta, los hongos también aumentan, finalmente, las algas llegaron a su punto máximo, y luego, cuando los hongos alcanzan su pico, las algas disminuyen un poco, la población de hongos se quiebra y, finalmente, la población de algas se recupera. Y este es un ejemplo de lo que se llama: un “ciclo depredador–presa”, vemos muchos de estos en la ecología donde hay poblaciones de depredadores y presas que fluctúan entre sí, y se mueven hacia arriba y hacia abajo en sincronía, y esto ha demostrado que este tipo de depredadores de algas, estos patógenos o enfermedades pueden causar quiebras o disminuciones en las poblaciones de algas y, por lo tanto, pérdida de productividad en nuestros sistemas de bioenergía. Bien, entonces, ¿cómo puede la diversidad de algas ayudar a beneficiar la productividad? Bueno, las algas varían enormemente en lo que llamamos sus nichos ecológicos. Este es un ejemplo con algas de arroyo que crecen en rocas en el fondo de los arroyos, muestra qué especies dominan bajo qué tipo de condiciones ambientales. En el eje Y, tenemos una velocidad de flujo que va del agua de movimiento lento al agua de movimiento rápido, y en el eje X, tenemos la edad transcurrida o días desde que la inundación arrasó y eliminó todas estas algas de las rocas. Y puedes ver que algunas especies, en la parte superior, crecen muy bien en aguas rápidas, otras lo hacen bien en aguas lentas, algunas algas colonizan rocas muy rápidamente después de la perturbación, otras tardan más en aparecer. Y así, esta comunidad diversa, si imaginas un entorno donde las condiciones fluctúan a lo largo del tiempo, puedes imaginar que a veces el entorno podría ser adecuado para una de estas especies pero no para otras, y a medida que el entorno cambia con el tiempo, es posible que tengas que reemplazar una especie por otra, y, por lo tanto, la productividad de toda la comunidad puede requerir mantener esa productividad, puede requerir que tengas todas estas especies diferentes presentes en este entorno para lograr la máxima productividad. Y si pensamos en cómo se relaciona la productividad de un ecosistema con su diversidad, podríamos imaginar que existe una relación positiva, pero esa relación positiva podría verse muy diferente en diferentes circunstancias. Este gráfico muestra extinciones o pérdida de especies que van desde una gran diversidad o un gran número de especies, en el eje X, a un número bajo en el lado izquierdo, y en el eje Y, tenemos un funcionamiento del ecosistema que sería algo así como la productividad de biomasa. Podríamos tener una situación como esta línea de pérdida proporcional, mientras que eliminamos o agregamos especies, cada vez que eliminamos o agregamos una especie, obtenemos el mismo aumento o disminución en el funcionamiento del ecosistema. Si tenemos más especies, sólo tendremos la productividad del ecosistema en proporción directa al número de especies. Podríamos tener algo como esto: un catástrofe inmediata donde, para tener un ecosistema altamente funcional, tenemos que tener muchas especies, y si perdemos alguna especie, la función del ecosistema declina precipitadamente tan pronto como comenzamos a perder especies. Si tenemos esta caída rápida y luego el funcionamiento es muy bajo. Podríamos tener algo como esta línea superior llamada: redundancia de remaches, donde puedes perder o agregar, donde sólo obtienes aumentos en el funcionamiento del ecosistema cuando sólo agregas especies cuando hay muy pocas especies presentes. Y una vez que alcanzas un número crítico de especies, agregar más especies no te da ningún aumento en el funcionamiento. Esto se llama redundancia de remaches, es una analogía a algo así como un avión en el que si quitas un remache de un avión, todo el avión probablemente no se desmoronará, pero a medida que eventualmente elimines más y más remaches, tu avión sufrirá algún tipo de falla o funcionamiento catastrófico. No sabemos cómo es esto, pero tenemos algunos ejemplos para trabajar. Este es un ejemplo de un estudio que hicimos sobre la ecología de algas y bacterias en un estanque bioenergético estudiado durante un año. Monitoreamos este estanque repetidamente a lo largo del tiempo durante un año. Secuenciamos el ADN de los organismos en ese estanque y observamos qué especies estaban presentes en diferentes momentos y qué tan productivo era ese estanque en términos de biomasa. Y así, en este gráfico superior, en la esquina superior izquierda, tienes tiempo en el eje X, y en el eje Y tienes la abundancia relativa de diferentes grupos de algas. Y puedes ver, hay un par de períodos diferentes en este estudio de un año. Hasta alrededor de 200 días, había una especie dominante, esta especie verde llamada Coelastrum, y luego había un montón de otras especies raras que eran realmente bajas en abundancia. Hay una especie de diversidad muy baja porque hay una especie dominante en unas pocas especies raras. Y luego, alrededor del día 200, las cosas cambiaron y esa especie dominante disminuyó, y fue reemplazada por una gran cantidad de otras especies. La diversidad del estanque aumentó porque perdimos esa especie dominante o tuvimos una gran disminución, y luego tuvimos un aumento en un montón de especies diferentes. En ese segundo período, tenemos muchas especies diferentes y ninguna especie que esté dominando la comunidad. Y en este gráfico inferior, puedes ver que la diversidad es muy baja hasta aproximadamente el día 200, y luego, después del día 200, la diversidad aumentó mucho. Cuando observamos la productividad de un estanque en relación con estos diferentes períodos, este gráfico, ahora a la derecha, muestra la diversidad de algas en el eje X trazada contra la productividad del estanque, la media y esta línea roja, que significa la productividad de la biomasa, y luego la variación en el tiempo, es esta línea verde. Y puedes ver que el período en que la diversidad de algas era mayor tendía a mostrar una mayor productividad de biomasa de acuerdo con nuestra teoría de cómo la diversidad debería afectar la productividad. En promedio, tuvimos más biomasa producida, pero eso no fue todo, también vimos que había menos variación en el tiempo en esta productividad, por lo que los tiempos de alta diversidad tendían a tener muy poca fluctuación en la biomasa. Esa biomasa era más productiva, pero también era más estable y no solía subir ni bajar, y para cualquier tipo de sistema agrícola, eso es lo que quieres. Deseas que las cosas sean productivas, pero también quieres que sean muy confiables y seguros y que te den una especie de productividad constante, no una que fluctúe mucho, subiendo y bajando en el tiempo, todo el tiempo. Esto respalda la idea de que la diversidad es un factor que afecta la productividad de las algas, y esas comunidades de algas que manipulan nuestras co–comunidades y policultivos de múltiples especies pueden ser una forma de garantizar una mayor productividad y una productividad más confiable. Bueno, espero haberte convencido de que las interacciones ecológicas pueden funcionar para aumentar o disminuir la productividad de bioenergía en los sistemas de bioenergía de algas. La colonización por patógenos silvestres, herbívoros y malezas, puede imponer importantes limitaciones a la productividad, puede reducir tu productividad. Pero la diversidad de algas se puede manejar de varias maneras para mejorar el rendimiento y tratar de mantener sistemas productivos confiables y, por lo tanto, comprender la biología ecológica es clave para el éxito de la bioenergía de algas como una empresa comercial y como una tecnología que eventualmente podría proporcionar una fuente confiable de energía para las personas. Gracias.