Develando los controles del ciclo del carbono

En un trabajo publicado recientemente en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) Amy Austin, investigadora principal del Consejo, y Carlos Ballaré, investigador superior, ambos del Instituto de Investigaciones Fisiológicas y Ecológicas vinculadas a la Agricultura (IFEVA, CONICET-UBA), mostraron el rol que juega la luz solar en el ciclo del carbono en ecosistemas terrestres. Este ciclo es importante desde el punto de vista global ya que existen grandes preocupaciones con respecto al impacto del aumento de las concentraciones de dióxido de carbono en la atmósfera.

¿Qué es el ciclo del carbono?

El carbono es un constituyente de todas las moléculas orgánicas que forman a los seres vivos. Se encuentra en la atmósfera en forma de dióxido de carbono (CO₂), en el suelo y disuelto en el agua. A través de la fotosíntesis, las plantas transforman el CO₂ en materia orgánica como hidratos de carbono, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, de la cual se alimentan los seres vivos a través de las cadenas alimentarias. Luego, el carbono es devuelto al ambiente de distintas formas, como por ejemplo la respiración, proceso en el cual animales y plantas usan energía contenida en compuestos de carbono y devuelven el CO₂ a la atmósfera o al agua.

Otra posibilidad es mediante los procesos de combustión, donde el carbono es incorporado a la atmósfera. Esto ocurre, por ejemplo, en los incendios forestales, en el uso de petróleo, gas natural o carbón o en actividades industriales, de transporte y domésticas. Y, finalmente, una tercera forma en la cual el carbono regresa al medio ambiente es a través de la descomposición de materia orgánica, que es un proceso en el cual los restos de los animales y vegetales son degradados por las bacterias y otros microorganismos. En este proceso se libera el CO₂ a la atmósfera o al agua, donde es utilizado nuevamente por las plantas y se reinicia el ciclo.

Si bien el efecto de la luz solar sobre la fotosíntesis es obvio y fue estudiado en gran detalle, los efectos de la radiación solar sobre el proceso de descomposición no corrieron la misma suerte. Y es justamente este último apartado el que es abordado por los investigadores, quienes se preguntaron qué importancia tiene la luz en la forma en que los microorganismos del suelo descomponen la materia orgánica.

Amy Austin destaca que este es el punto fuerte de la investigación ya que “cuando se abordaba el ciclo del carbono y la descomposición de los tejidos senescentes, es decir que comienzan a envejecer, de las plantas, no se tenía en cuenta que la luz en sí ejerce un rol directo al promover la pérdida de dióxido de carbono al interactuar con compuestos orgánicos existentes en los residuos. Lo que estamos mostrando ahora es que, además, la luz afecta el modo en que los microbios acceden a los a los carbohidratos que están en este material”, detalla.

Ballaré por su parte explica que se trabajó experimentando con hojas secas de una variedad grande de especies, se las expuso a la luz usando filtros que permiten atenuar distintas fracciones de la radiación solar, como por ejemplo quitar la fracción ultravioleta y se estudió a los microorganismos para ver si les daba lo mismo que el material hubiera sido antes expuesto al sol o no. “Y lo que descubrimos es que no les da lo mismo: la exposición solar previa facilita fuertemente el trabajo de estos organismos microscópicos”, aclara.

Los análisis químicos, realizados como parte del trabajo de tesis doctoral de Soledad Méndez, becaria del Consejo dirigida por Austin, permitieron medir cambios en distintos compuestos como la lignina, un polímero que a los microorganismos no les gusta en lo absoluto. Los análisis mostraron que la concentración de lignina en los residuos desciende con la exposición solar.

“Para degradar el material muerto las bacterias usan una serie de enzimas extracelulares que ‘atacan‘ la materia orgánica y la transforman en moléculas simples que ellas pueden ’comer’ y respirar. Entre esas enzimas tenemos las celulasas que atacan la celulosa, un polímero muy importante en las paredes celulares de las plantas”, dice Austin. Las celulasas son inhibidas por la lignina presente en las paredes celulares, por lo que la disminución del contenido de este polímero causada por la acción de la luz solar facilita fuertemente la actividad de microorganismos descomponedores, acelerando así el ciclo del carbono.

Una de las estrategias que se utilizó en esta investigación fue hacer mediciones usando una técnica in vitro donde se incuba el material senescente que estuvo expuesto a distintas radiaciones con la enzima celulasa para detectar si el hecho de que este material haya estado expuesto o no hace que la enzima tenga más o menos acceso al sustrato.

“Esta es una técnica bioquímica que nos permitió comprobar que la exposición a la radiación solar hace que las celulasas encuentren más rápido su polímero blanco en la trama de compuestos presentes en las paredes celulares”, concluye Ballaré. Al encontrar las celulosa, esta es hidrolizada y la moléculas resultantes son incorporadas a los microorganismos que, cuando las respiran, devuelven dióxido de carbono a la atmósfera.

Los investigadores, quienes también son docentes de la Universidad de Buenos Aires (UBA) y la Universidad Nacional de San Martín (UNSAM), piensan que estos hallazgos tendrán un fuerte impacto sobre nuestro entendimiento de los mecanismos que controlan las pérdidas de carbono hacia la atmósfera en un amplio rango de ecosistemas terrestres.