Algas de hielo - Ice algae

Las algas de hielo son cualquiera de los diversos tipos de comunidades de algas que se encuentran en el hielo marino o terrestre anual y plurianual . En el hielo marino de los océanos polares, las comunidades de algas del hielo desempeñan un papel importante en la producción primaria . El momento de la floración de las algas es especialmente importante para mantener niveles tróficos más altos en las épocas del año en que la luz es escasa y todavía existe la capa de hielo. Las comunidades de algas del hielo marino se concentran principalmente en la capa inferior del hielo, pero también pueden ocurrir en canales de salmuera dentro del hielo, en estanques de deshielo y en la superficie.

Debido a que las algas de hielo terrestres se encuentran en sistemas de agua dulce, la composición de especies difiere mucho de la de las algas de hielo marino. Estas comunidades son importantes porque a menudo cambian el color de los glaciares y las capas de hielo, lo que afecta la reflectividad del hielo en sí.

Algas del hielo marino

Adaptarse al entorno del hielo marino

La vida microbiana en el hielo marino es extremadamente diversa e incluye abundantes algas, bacterias y protozoos. Las algas, en particular, dominan el entorno simpático , con estimaciones de más de 1000 eucariotas unicelulares que se asocian con el hielo marino en el Ártico. La composición y diversidad de las especies varían según la ubicación, el tipo de hielo y la irradiancia . En general, las diatomeas pennadas como Nitschia frigida (en el Ártico) y Fragilariopsis cylindrus (en la Antártida) 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.

Si bien las comunidades de algas del hielo marino se encuentran a lo largo de la columna de hielo marino, la abundancia y la composición de la comunidad dependen de la época del año. Hay muchos microhábitats disponibles para las algas en y dentro del hielo marino, y diferentes grupos de algas tienen diferentes preferencias. Por ejemplo, a finales del invierno o principios de la primavera, se ha descubierto que las diatomeas móviles como N. frigida dominan las capas superiores del hielo, hasta donde llegan los canales salinos, y su abundancia es mayor en el hielo multianual (MYI) que en hielo del primer año (FYI). Además, también se ha encontrado que los dinoflagelados dominan a principios de la primavera austral en el hielo marino antártico.

Las comunidades de algas del hielo marino también pueden prosperar en la superficie del hielo, en los estanques de deshielo de la superficie y en las capas donde se ha realizado el rafting . En los estanques de deshielo, los tipos de algas dominantes pueden variar con la salinidad del estanque, encontrándose concentraciones más altas de diatomeas en los estanques de deshielo con mayor salinidad. Debido a su adaptación a condiciones de poca luz, la presencia de algas de hielo (en particular, la posición vertical en el paquete de hielo) está principalmente limitada por la disponibilidad de nutrientes. Las concentraciones más altas se encuentran en la base del hielo porque la porosidad de ese hielo permite la infiltración de nutrientes del agua de mar.

Para sobrevivir en el duro entorno del hielo marino, los organismos deben poder soportar variaciones extremas de salinidad, temperatura y radiación solar. Las algas que viven en los canales de salmuera pueden secretar osmolitos , como dimetilsulfoniopropionato (DMSP), que les permite sobrevivir a las altas salinidades en los canales después de la formación de hielo en el invierno, así como a las bajas salinidades cuando el agua de deshielo relativamente fresca limpia los canales en la primavera. y verano.

La nieve en la superficie reduce la disponibilidad de luz en áreas específicas y, por lo tanto, la capacidad de crecimiento de las algas.

Algunas especies de algas del hielo marino secretan proteínas de unión al hielo (IBP) como una sustancia polimérica extracelular gelatinosa (EPS) para proteger las membranas celulares del daño causado por el crecimiento de cristales de hielo y los ciclos de congelación y descongelación. El EPS altera la microestructura del hielo y crea un hábitat adicional para futuras floraciones. Las algas que habitan en la superficie producen pigmentos especiales para evitar daños por la fuerte radiación ultravioleta . 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 durante la transición del hielo a la columna de agua durante la primavera. Se ha informado que las algas bajo hielo espeso muestran algunas de las adaptaciones más extremas de poca luz jamás observadas. La eficiencia extrema en el uso de la luz permite que las algas del hielo marino acumulen biomasa rápidamente cuando las condiciones de luz mejoran al comienzo de la primavera.

Papel en el ecosistema

Las algas del hielo desempeñan un papel fundamental en la producción primaria y sirven como parte de la base de la red alimentaria polar al convertir el dióxido de carbono y los nutrientes inorgánicos en oxígeno y materia orgánica a través de la fotosíntesis en la parte superior del océano del Ártico y la Antártida. Dentro del Ártico, las estimaciones de la contribución de las algas del hielo marino a la producción primaria total oscilan entre el 3 y el 25%, hasta el 50-57% en las regiones del Alto Ártico. Las algas del hielo marino acumulan biomasa rápidamente, a menudo en la base del hielo marino, y crecen para formar esteras de algas que son consumidas por anfípodos como el krill y los copépodos . En última instancia, estos organismos son devorados por peces, ballenas, pingüinos y delfines. Cuando las comunidades de algas del hielo marino se desprenden del hielo marino, son consumidas por herbívoros pelágicos, como el zooplancton, cuando se hunden a través de la columna de agua, y por los invertebrados bentónicos que se asientan en el lecho marino. 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 huevos y el crecimiento y la función del zooplancton.

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

Variación temporal

El momento de la proliferación de algas del hielo marino tiene un impacto significativo en todo el ecosistema. El inicio de la floración está controlado principalmente por el retorno del sol en la primavera (es decir, el ángulo solar). Debido a esto, las floraciones de algas de hielo generalmente ocurren antes de las floraciones de fitoplancton pelágico , que requieren niveles de luz más altos y agua más caliente. Al comienzo de la temporada, antes del derretimiento del hielo, las algas del hielo marino constituyen una importante fuente de alimento para niveles tróficos más altos . Sin embargo, el porcentaje total que las algas del hielo marino contribuyen a la producción primaria de un ecosistema determinado depende en gran medida de la extensión de la capa de hielo. El espesor de la nieve en el hielo marino también afecta el tiempo y el tamaño de la floración de algas al alterar la transmisión de la luz. Esta sensibilidad al hielo y la capa de nieve tiene el potencial de causar un desajuste entre los depredadores y su fuente de alimento, las algas del hielo marino, dentro del ecosistema. Este llamado emparejamiento / desajuste se ha aplicado a una variedad de sistemas. 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 leucomas juveniles en el mar de Bering.

Inicialización de Bloom

Hay varias formas en que se cree que las floraciones de algas del hielo marino inician su ciclo anual, y las hipótesis sobre estas varían según la profundidad de la columna de agua, la edad del hielo marino y el grupo taxonómico. Donde el hielo marino se superpone al océano profundo, se propone que las células atrapadas en bolsas de salmuera de hielo de varios años se vuelvan a conectar a la columna de agua debajo y colonicen rápidamente el hielo cercano de todas las edades. Esto se conoce como la hipótesis del depósito de hielo marino de varios años . Esta fuente de siembra se ha demostrado en las diatomeas, que dominan las floraciones simpáticas . Se ha demostrado que otros grupos, como los dinoflagelados , que también florecen en primavera / verano, mantienen un número bajo de células en la propia columna de agua y no pasan el invierno principalmente dentro del hielo. Donde el hielo marino cubre un océano algo menos profundo, puede ocurrir una resuspensión de células del sedimento.

Implicaciones del cambio climático

El cambio climático y el calentamiento de las regiones árticas y antárticas tienen el potencial de alterar en gran medida el funcionamiento de los ecosistemas. Se espera que la disminución de la capa de hielo en las regiones polares disminuya la proporción relativa de la producción de algas del hielo marino con respecto a las medidas de la producción primaria anual. El adelgazamiento del hielo permite una mayor producción al principio de la temporada, pero el deshielo temprano acorta la temporada general de crecimiento de las algas del hielo marino. Este derretimiento también contribuye a la estratificación de la columna de agua que altera la disponibilidad de nutrientes para el crecimiento de algas al disminuir la profundidad de la capa de mezcla superficial e inhibir la afluencia de nutrientes de aguas profundas. Se espera que esto provoque un cambio general hacia la producción de fitoplancton pelágico. Los cambios en el volumen de hielo de varios años también tendrán un impacto en la función del ecosistema en términos de ajuste de la fuente de siembra de flores. La reducción en MYI, un refugio temporal para las diatomeas en particular, probablemente alterará la composición de la comunidad simpática, lo que resultará en la inicialización de la floración que se deriva de las especies que hibernan en la columna de agua o en los sedimentos.

Debido a que las algas del hielo marino son a menudo la base de la red alimentaria, estas alteraciones tienen implicaciones para las especies de niveles tróficos más altos. Los ciclos de reproducción y migración de muchos consumidores primarios polares están sincronizados con la floración de algas del hielo marino, lo que significa que un cambio en el momento o la ubicación de la producción primaria podría cambiar la distribución de las poblaciones de presas necesarias para importantes especies clave. El tiempo de producción también puede verse alterado por el derretimiento de los estanques de deshielo de la superficie al agua de mar que se encuentra debajo, lo que puede alterar el hábitat de las algas del hielo marino al final de la temporada de crecimiento de tal manera que afecte a las comunidades de pastoreo a medida que se acercan al invierno.

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 otro plancton a dimetilsulfuro (DMS), un compuesto que está relacionado con la formación de nubes. Debido a que las nubes impactan la precipitación y la cantidad de radiación solar reflejada hacia el espacio ( albedo ), este proceso podría crear un ciclo de retroalimentación positiva. La cubierta de nubes aumentaría la insolación reflejada en el espacio por la atmósfera, lo que podría ayudar a enfriar el planeta y sustentar más hábitats polares para las algas del hielo marino. A partir de 1987, las investigaciones han sugerido que se necesitaría duplicar los núcleos de condensación de nubes , de los cuales DMS es un tipo, para contrarrestar el calentamiento debido al aumento de las concentraciones atmosféricas de CO 2 .

Las algas de hielo como trazador del paleoclima

El hielo marino juega un papel importante en el clima global. Las observaciones satelitales de la extensión del hielo marino se remontan solo hasta fines de la década de 1970, y los registros de observación a más largo plazo son esporádicos y de confiabilidad incierta. Si bien la paleoclimatología del hielo terrestre se puede medir directamente a través de núcleos de hielo, los modelos históricos de hielo marino deben basarse en proxies.

Los organismos que habitan en el hielo marino eventualmente se desprenden del hielo y caen a través de la columna de agua, particularmente cuando el hielo marino se derrite. Una parte del material que llega al fondo marino se entierra antes de consumirse y así se conserva en el registro sedimentario .

Hay una serie de organismos cuyo valor como sustitutos de la presencia de hielo marino se ha investigado, incluidas especies particulares de diatomeas, quistes de dinoflagelados , ostrácodos y foraminíferos . La variación en los isótopos de carbono y oxígeno en un núcleo de sedimento también se puede utilizar para hacer inferencias sobre la extensión del hielo marino. Cada proxy tiene ventajas y desventajas; por ejemplo, algunas especies de diatomeas que son exclusivas del hielo marino son muy abundantes en el registro de sedimentos, sin embargo, la eficiencia de conservación puede variar.

Algas de hielo terrestres

Las algas también se encuentran en las capas de hielo terrestres y los glaciares. Las especies que se encuentran en estos hábitats son distintas de las asociadas con el hielo marino porque el sistema es de agua dulce. Incluso dentro de estos hábitats, existe una amplia diversidad de tipos de hábitats y conjuntos de algas. Por ejemplo, las comunidades criosestáticas se encuentran específicamente en la superficie de los glaciares donde la nieve se derrite periódicamente durante el día. Se han realizado investigaciones sobre 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 Ancyonema nordenskioldii y C hlamydomonas nivalis .

Cuadro 1. Composición de especies de algas a través de estudios sobre glaciares y capas de hielo

Género Especies Fuente
Mesotenio bregrenii
Ancilonema nordenskioldii
Cylindrocystis brebissonii
Clamidia nivalis
Phromidemis Priestleyi
Oscillatoriaceae cianobacteria
Chlorooceae cianobacteria
Chroococcaceae cianobacteria
Cloroplastida
Cloromonas poliptera
Clamidia alpina
Clamidia tughillensis

Implicaciones para el cambio climático

La tasa de derretimiento de los glaciares depende del albedo de la superficie . Investigaciones recientes han demostrado que el crecimiento de algas oscurece las condiciones de la superficie local, disminuyendo el albedo y, por lo tanto, aumenta la tasa de fusión en estas superficies. El derretimiento de los glaciares y las capas de hielo se ha relacionado directamente con el aumento del nivel del mar . La segunda capa de hielo más grande es la capa de hielo de Groenlandia, que se ha estado retirando a un ritmo alarmante. El aumento del nivel del mar conducirá a un aumento tanto de la frecuencia como de la intensidad de las tormentas.

En las capas de hielo y la capa de nieve duraderas, las algas de hielo terrestres a menudo tiñen el hielo debido a los pigmentos accesorios, conocidos popularmente como " nieve de sandía ". Los pigmentos oscuros dentro de la estructura de las algas aumentan la absorción de la luz solar, lo que aumenta la velocidad de fusión. Se ha demostrado que las floraciones de algas aparecen en los glaciares y las 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 unos días. La abundancia de algas cambia con las estaciones y también espacialmente en los glaciares. Su abundancia es mayor durante la temporada de deshielo de los glaciares que ocurre en los meses de verano. El cambio climático está afectando tanto el inicio de la temporada de deshielo como la duración de este período, lo que conducirá a un aumento en la cantidad de crecimiento de algas.

Bucle de retroalimentación de hielo-albedo (SAF)

Artículo principal: retroalimentación de hielo-albedo

A medida que el hielo / nieve comienza a derretirse, el área, las capas de hielo disminuyen, lo que significa que una mayor porción de tierra queda expuesta. 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 más bajo que la nieve seca o el hielo debido a sus propiedades ópticas, por lo que a medida que la nieve comienza a derretirse, el albedo disminuye, lo que resulta en más nieve derretida y el ciclo continúa. Este ciclo de retroalimentación se conoce como el ciclo de retroalimentación del albedo de hielo. Esto puede tener efectos drásticos en la cantidad de nieve que se derrite cada temporada. Las algas juegan un papel en este circuito de retroalimentación al disminuir el nivel de albedo de la nieve / hielo. Se ha estudiado este crecimiento de algas, pero aún se desconocen sus efectos exactos sobre la disminución del albedo.

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 el impacto de las algas en las tasas de fusión de las capas de hielo. Es importante comprender hasta qué punto las algas están cambiando el albedo en los glaciares y las capas de hielo. Una vez que esto se sepa, debería incorporarse a los modelos climáticos globales y luego usarse para predecir el aumento del nivel del mar.

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