En ambientes polares, tales como el Ártico, la Antártica y lo que hoy se denomina el tercer polo (los Andes, los Himalayas y los Alpes), los cuerpos de agua pueden encontrarse en forma líquida, sólida (hielo) o ambas. A medida que el invierno se acaba y la primavera trae más luz a las regiones polares, la radiación solar es capaz de penetrar a través del hielo y alcanzar las aguas no congeladas. Es en este escenario, de luz tenue y aguas extremadamente frías, que los organismos fotosintéticos pueden proliferar y formar colonias o biopelículas, conocidas científicamente como alfombras activas, en la interfaz hielo-agua.
Estas biopelículas –que están formadas, principalmente, por algas unicelulares– son el foco de la investigación que lleva a cabo, desde 2022, Francisca Guzmán Lastra, doctora en Fluidodinámica de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas (FCFM) e investigadora principal del Núcleo Milenio Física de la Materia Activa –centro de excelencia alojado en la FCFM de la Universidad de Chile– en colaboración con Hugo Ulloa, de la misma especialidad y actual académico de la Universidad de Pensilvania, en Estados Unidos.
Su objetivo: entender cómo se forman estas colonias de microrganismos y explorar teórica y numéricamente cómo su actividad –a través de las perturbaciones hidrodinámicas en la columna de agua– permiten el intercambio de nutrientes y calor, vital para mantener el ciclo de vida en estos ecosistemas. Conocimientos que pueden impactar áreas tan sensibles como el cambio climático y las energías limpias, entre otros.
Construyendo bajo hielo
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Las algas unicelulares son verdaderas ingenieras polares en miniatura: tienen tamaños de aproximadamente 50 micrómetros de diámetro, se mueven a velocidades de hasta 100 micrones por segundo y cuentan con sensores de alta precisión que miden los gradientes de luz, lo cual les permiten nadar colectivamente hacia ella para poder producir fotosíntesis y reproducirse.
“Una de las características físicas críticas del nicho ecológico en donde se forman estas carpetas activas de microorganismos es la existencia de un fuerte gradiente térmico entre la vecindad del hielo y el agua líquida. De hecho, en tan solo centímetros, el agua puede variar desde 4 °C a su punto de congelamiento en 0 °C”, explica la doctora Francisca Guzmán, quien lleva cinco años estudiando las carpetas activas de bacterias y cilios con publicaciones científicas y resultados que prometen impactar en medicina y biotecnología.
La estratificación térmica de estos ambientes acuáticos polares se relaciona fuertemente con la distribución de luz a través de la columna de agua. “En este ambiente polar, las aguas más profundas, con menos disponibilidad de luz, son más cálidas, lo cual se opone a lo que sucede en cuerpos de aguas que están expuestos a la atmósfera, donde ocurre el caso opuesto: aguas más profundas, aguas más frías”, explica.
Estas aguas más cálidas bajo la capa de hielo es lo que permiten sustentar la cadena alimenticia en estos sistemas acuáticos, permitiendo que las algas se reproduzcan y formen biopelículas que pueden abarcar kilómetros de extensión, generando grandes regiones de alimento para zooplancton y, por supuesto, para peces. Y cuando mueren ese material cae al fondo marino, donde sirven de alimento a los animales que habitan en la profundidad, reanudando el ciclo de la vida, proceso conocido como bomba biológica. Su estudio, por tanto, es crucial para entender y proteger la vida en los ecosistemas polares del planeta.
Investigación e impactos
Usando modelamiento, simulaciones matemáticas y trabajo experimental, Guzmán y Ulloa pretenden entender y estudiar cómo estas formaciones de microalgas son sensibles al ambiente y, en particular, a ciertos parámetros físicos que se están modificando o lo van a hacer con el cambio climático.
“El delicado equilibrio ecológico de estos ambientes polares se ve amenazado por el calentamiento global, ya que el sobrecalentamiento de la atmósfera, el océano y los lagos produce una disminución del espesor de las placas de hielo y la penetración de más luz bajo las aguas polares. Estos cambios en la criósfera podrían generar alteración en la tasa de crecimiento de biopelículas y, a su vez, modificaciones en las especies y en la cadena trófica de ambientes polares”, explica la doctora en Fluidodinámica.
Por eso, el objetivo del trabajo teórico es modelar estos ambientes, considerando la microescala y su actividad como algo fundamental en estos procesos biológicos. “Por ejemplo, el hielo define un ambiente en donde los microorganismos quedan confinados verticalmente; la hidrodinámica cambia, ya que estas alfombras se mueven cerca de una superficie, mientras que el fluido se encuentra estratificado en este ambiente. Sabemos que este escenario y estos marcos físicos que estudiamos se modificarán con el cambio climático. Quizás ya no haya hielo o quizás la estratificación será más severa”, dice.
La investigación también tiene una parte experimental, donde el grupo científico espera abrir nuevas hipótesis que se puedan explorar en el laboratorio. “La idea es estudiar el comportamiento de distintos microorganismos en un ambiente estratificado. Para ello trabajaremos con microalgas fototácticas con las que podamos generar una carpeta activa y así medir su perturbación hidrodinámica. El doctor Hugo Ulloa está avanzando en la configuración experimental del montaje en la Universidad de Pennsylvania, mientras que los tesistas de magíster del Núcleo Milenio, Gabriel Aguayo y Felipe Barros, dirigidos por mí, están avanzando en la parte teórica”, sostiene.
El grupo científico espera que los resultados de su trabajo les permitan predecir ciertos escenarios futuros sobre estos ambientes acuáticos polares y así generar conciencia sobre la importancia de mantener este delicado equilibrio y alertar sobre transformaciones que puedan ponerlo en peligro. “Por otra parte, al entender cómo la física del ambiente moldea la dinámica de este sistema, podríamos lograr un crecimiento controlado de estas floraciones de microalgas, lo que puede ayudar a regular estos ecosistemas en peligro y, a la vez, ayudar en otras áreas de ciencia, por ejemplo, a las futuras centrales de hidrógeno verde, que podrían usar los restos que producen estas alfombras de microalgas como biomasa para generar combustibles limpios”.
