Back to Science: ‘Export of Algal Biomass from the Melting Arctic Sea Ice’.

Este verano participé en una campana oceanográfica de 10 semanas en el Ártico sobre la que os fui contando a lo largo de diferentes post (si queréis saber más podéis pinchar aquí, aquí, aquí, aquí o aquí :D). Fue fantástico poder participar en esa expedición no sólo por la experiencia como tal, sino porque, como creo que también os conté, el trabajo en equipo fue … fue … inspirador, estimulante, magnífico... No tengo el adjetivo adecuado. Entre los más de 50 científicos que participamos había expertos en oceanografía; procesos físicos en el hielo; producción primaria en el hielo; producción primaria en la columna de agua; exportación de carbono al océano profundo; zooplancton; biomarcadores; aerosoles; y organismos y procesos en el fondo del Ártico situado a más de 4000 metros de profundidad entre otros. Como veis, un poco de todo.

The last summer, I participated in an oceanographic cruise during 10 weeks in the Arctic Ocean. During that time, I told you what we were doing in our cruise along different posts (if you want to read more you can click here, here, here, here o here :D). It was fantastic to have the opportunity to participate in that expedition, not only because of the experience itself, but because the teamwork was… was… inspiring, stimulating, excellent. Among the 54 participating scientists, there were expertise in oceanography; sea-ice physics; sea-ice primary production; oceanic primary production; carbon export to the deep ocean; zooplankton; biomarkers; aerosols; and organisms and processes in the deep sea floor of the Arctic located at more than 4000 meters.

¿Por qué tanta gente trabajando en cosas distintas? Pues porque el objetivo de nuestra campaña ‘IceArc’ (Sea ice – ocean – sea floor interactions in the changing Arctic) era investigar las interacciones entre procesos físicos y biogeoquímicos que tienen lugar desde el hielo en la superficie hasta el fondo del Ártico, con especial atención en cómo estos procesos pueden estar viéndose afectados por los drásticos cambios en el Océano Ártico (principalmente aumento de temperatura y disminución de la cobertura de hielo durante el verano). Para ello, durante nuestra campana tomamos muestras para análisis en todas esas líneas de investigación que os he contado más arriba en la parte central del Océano Ártico, entre 82 y 89°N y 30 y 130°E entre Agosto y Octubre de 2012 (Fig. 1). Por desgracia, nuestra campana coincidió con un nuevo mínimo histórico en la cobertura de hielo al final del verano. 

Why were so many people working in quite different research topics? Because the aim of our cruise ‘IceArc’ (Sea ice – ocean – sea floor interactions in the changing Arctic) was to investigate the interactions between physical and biogeochemical processes that take place from the surface to the deep sea floor, with especial attention on how the severe changes in the Arctic Ocean (mainly temperature increase and decline of sea-ice extent) are affecting those processes. For that purpose, during the cruise we took samples for all the research areas that I have mentioned above in the ice-covered eastern-central basins between 82° to 89°N and 30° to 130°E in summer 2012. Unfortunately, during our cruise Arctic sea ice declined to a new record minimum.

Fig. 1. (a) Area cubierta por el hielo en el Artico a partir de observaciones (linea roja) y estimada a partir de modelos climáticos del IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) (linea negra). (b) Nuestro recorido en la campana 'IceArc' durante el verano de 2012 (linea azul) mostrando los lugares donde realizamos estaciones en el hielo, la extensión de hielo en 2012 (area blanca) y el anterior mínimo historico de extensión de hielo registrado en 2007 (línea amarilla).
Fig. 1. (a) Observations of sea-ice extent in the Arctic (red line) and estimations obtained from IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) climate models (black line). (b) Our path during the cruise 'IceArc' in summer 2012 (blue line) showing the 8 regions where we did ice-stations, the sea-ice extent in 2012 (white area) and the previous historical minimum registered in 2007 (yellow line).

Asociada a esta disminución del hielo, durante la campaña en siete de las ocho áreas en las que hicimos estaciones en el hielo (si queréis saber en qué consiste pinchad aquí) y en las que aparatos dotados de cámaras bajaron hasta el fondo del Ártico observamos depósitos recientes del alga Melosira Arctica. ¿Por qué digo que esos depósitos están asociados con el derretimiento del hielo? Lo entenderéis rápidamente si echáis un vistazo a la foto de abajo.

Associated to the decrease of the sea-ice extent, we observed in seven out of eight regions seafloor deposits of fresh Melosira Arctica strands at 3500- to 4400-m water depth. Why do I say that the Melosira Arctica deposits are related to the sea-ice decline? A quick look to the photos below will give you a good clue.

 

Fig. 2. (a) Fotografía del alga Melosira Arctica vista bajo el microscopio. Source: http://www.pmel.noaa.gov/foci/ice07/FOCI_Ice2007_log.html. (b) Filamentos de Melosira Arctica bajo el hielo. Source: http://www.arctic.noaa.gov/essay_krembsdeming.htm.  
Fig. 2. (a) Photograph of the sea-ice algae Melosira Arctica under the microscope. Source: http://www.pmel.noaa.gov/foci/ice07/FOCI_Ice2007_log.html. (b) Melosira Arctica strands under the ice. Source: http://www.arctic.noaa.gov/essay_krembsdeming.html

El alga Melosira Arctica, aunque microscópica (Fig. 2a), forma filamentos pegados al hielo que pueden alcanzar varios metros de longitud (Fig. 2b). Si ahora os pregunto qué pasa si el hielo se derrite, estoy segura de que vuestra conclusión es que estos filamentos se hundirán. Pues sí, eso es efectivamente lo que pasa, y como son pesados lo hacen rápidamente hasta el fondo del Ártico situado entre 3500 y 4400 m de profundidad. 

The sea-ice algae Melosira Arctica, although microscopic (Fig. 2a), can grow in strands attached to the ice several meters long (Fig. 2b). If now I ask you what happens if the sea-ice melts, I’m sure that your conclusion will be that these strands will sink in the water column. Yes, that is exactly what happens; and because they are heavy, they sink quickly to the ocean bottom between 3500 and 4400 meters depth.

Comiendo de esas algas encontramos fauna oportunista, es decir, animales que van a comer donde hay comida sin importarles demasiado el qué como los que veis en las fotos (Fig. 3). Sin embargo, no había otros animales viviendo en el sedimento como los que suelen observarse en otras áreas del océano donde existe un aporte de comida desde la superficie más o menos frecuente o estacional. Si las algas que se depositan en el fondo no son comidas por ninguno de esos animales son degradadas por bacterias. Para la degradación de esta materia orgánica las bacterias consumen oxígeno, por lo que en lugares donde habitualmente la materia orgánica se degrada en el fondo las concentraciones de oxígeno en el sedimento son bajas. Sin embargo, las concentraciones de oxígeno que se midieron en el sedimento durante la campaña eran altas para lo que cabría esperar si depósitos de algas tan importantes como los que encontramos ocurren regularmente.

Feeding on Melosira Arctica strands we found opportunistic fauna, it means, animals that  feed where food is available no matter which kind of food generally (Fig. 3).  However, there weren’t other animals characteristic of deep-sea basins with seasonally sedimenting food supply from the surface (phytoplankton blooms). Apparently only the opportunistic fauna (Fig. 3) and sediment bacteria had profited from the widespread ice-algae deposition. Bacteria degrade (reminaralize) the organic matter in the sediment. That remineralization consumes oxygen, and so areas where normally organic matter is reminaralized show low oxygen concentrations in the sediment . However, the oxygen concentration measured in the sediment during the cruise were high if high exports of sea-ice algae had occurred regularly before 2012.

Fig. 3. (a) Kolga Hyalina fotografiada en el Mar Báltico (no durante nuestra campana). Source: MAREANO. (b) Kolga Hyalina en el Ártico esta vez sí durante nuestra campana junto con tres especimenes de anémonas de mar de la especie Ophiostriatus striatus. Source: AWI
Fig. 3. (a) Kolga Hyalinain the Baltic Sea (not during our cruise). Source: MAREANO. (b) Kolga Hyalina in the Arctic during our cruise together with three specimens of sea anemones Ophiostriatus striatus. Source: AWI

¿Qué nos indica todo esto? Pues que los depósitos de Melosira Arctica no son algo habitual en el Ártico. Si bien no podemos decir que es la primera vez que ocurren debido a la disminución del hielo por falta de datos con los que comparar, sí que podemos decir que son un evento excepcional y son un indicador más de los grandes cambios que se experimentan en el Ártico y que tienen consecuencias ecológicas desde la superficie hasta el fondo, puesto que los filamentos de Melosira Arctica que dejan el hielo para depositarse en el sedimento dejan de ser comida en la superficie para serlo en el fondo.

Todo esto que os he resumido acaba de ser publicado en la revista Science. Os dejo el enlace, la referencia completa más abajo y la foto de portada de la revista que está hecha por un compañero durante la campaña. 

What does all this tell us? Well, Melosira Arctica deposits aren't commonplace in the Arctic. Although we can't say that this is the first time that they occur due to the sea-ice decline because the lack of data for comparison, we can conclude that massive algal falls were rare previously and are another indicator of the big changes affecting the Arctic Ocean with environmental consequences from the surface to the bottom. The Melosira Arctica strands leaving the ice and depositing on the sea floor cease to be food at the surface to become food at depth.

All that I have outlined here has been just published in Science. I leave you the link, the full reference in case anyone wants to read the full article and the cover photo of the magazine that was made by a colleague during the cruise.

Fig. 4. Portada del último número (22 Marzo de 2013, Vol. 339, Issue. 6226) de la revista Science. Accumulation of algal biomass under thinning Arctic sea ice (image diameter ~25 meters). This photograph was taken on 17 September 2012 in the central Arctic basin at 85°30'47"N, 59°54'11"E, from the bridge of the research vessel Polarstern. Here, the central ice floe is surrounded by a green cloud of sub-ice diatoms. Current trends in sea-ice thinning may influence algal growth in this region (page 1430). Photo: Stefan Hendricks, Alfred Wegener Institute, Expedition IceArc (ARK27-3). Source: http://www.sciencemag.org/content/339/6126.cover-expansion.

Referencia: Export of Algal Biomass from the Melting Arctic Sea Ice. Antje Boetius,Sebastian Albrecht, Karel Bakker,Christina Bienhold,Janine Felden, Mar Fernández-Méndez, Stefan Hendricks, Christian Katlein, Catherine Lalande, Thomas Krumpen, Marcel Nicolaus, Ilka Peeken, Benjamin Rabe, Antonina Rogacheva, Elena Rybakova, Raquel Somavilla, Frank Wenzhöfer, and RV Polarstern ARK27-3-Shipboard Science Party. Science. 22 March 2013: 1430-1432. doi: 10.1126/science.1231346

Algunas notas más sobre producción primaria y fitoplancton.

Supongo que muchos habéis oído hablar del fitoplancton y su papel en el océano. Os hablé de ello es uno de mis primeros posts que podéis ver aquí, pero como siempre por si andáis justos de tiempo os hago un breve resumen. El fitoplanton sería el equivalente a las plantas en tierra firme, pero a diferencia de éstas son generalmente organismos unicelulares de muy pequeño tamaño – para verlos hay que utilizar un microscopio- y no tienen raíces por lo que dependen mucho más de las condiciones del medio (viven flotando, de ahí el nombre de plancton que viene del griego planktós que significa errantes) para poder captar la luz y nutrientes que necesitan para la fotosíntesis. Puesto que esta actividad del fitoplancton (fotosíntesis) sirve de base al resto de la cadena trófica o cadena alimenticia se la conoce también como producción primaria. 

En el océano Ártico, el fitoplancton también está presente y realiza la fotosíntesis. Ahora bien, el hecho de ser un océano cubierto de hielo confiere a la producción primaria del Ártico una peculiaridad, y es que no sólo tiene lugar en la columna de agua donde el fitoplancton vive flotando como en el resto de océanos sino también en el hielo, principalmente de dos formas: a través de algas en el hielo, como las que teneis en la foto de portada de Science (Fig. 4), y algas pegadas al hielo como Melosira Artica (Fig. 2) que ya habéis conocido en el post. Las que viven en el hielo sobreviven gracias a mecanismos de adaptación bastante complejos que básicamente se basan en la producción de proteínas que actúan como anticongelantes.