As mudanças climáticas podem produzir fitoplâncton do tipo “fast-food”

Somos o que comemos. E no oceano, a maioria das formas de vida obtém seu alimento do fitoplâncton. Essas algas microscópicas, semelhantes a plantas, são a principal fonte de alimento para o krill, caramujos marinhos, alguns peixes pequenos e águas-vivas, que por sua vez alimentam animais marinhos maiores que são presas dos principais predadores do oceano, incluindo os humanos.

a , b , Valores médios pré-industriais modelados e integrados em profundidade da alocação celular (mol C (mol C) ⁻¹ ) para ( a ) proteínas e ( b ) carboidratos mais lipídios combinados. c , Conteúdo energético (kcal gC ⁻¹ ) em células de fitoplâncton. d – f , Razões elementares C:N _org ( d ), C:P _org ( e ) e N:P _org ( f ) na matéria orgânica que engloba fitoplâncton, herbívoros e POM (razões molares). As áreas brancas indicam regiões onde a cobertura de gelo marinho excede 50%.

Agora, cientistas do MIT estão descobrindo que a composição do fitoplâncton e a dieta básica do oceano sofrerão mudanças significativas com as alterações climáticas. Em um estudo publicado na Nature Climate Change, a equipe relata que, à medida que a temperatura da superfície do mar aumentar ao longo do próximo século, o fitoplâncton nas regiões polares se adaptará, tornando-se menos rico em proteínas, mais rico em carboidratos e com menor teor de nutrientes em geral.

As conclusões baseiam-se nos resultados do novo modelo da equipe, que simula a composição do fitoplâncton em resposta a mudanças na temperatura oceânica, na circulação e na cobertura de gelo marinho.

a , b , Mudança simulada corrigida pela deriva modelada (2070–2100 em relação a 1870–1900) da alocação celular integrada em profundidade (mol C (mol C) ⁻¹ ) para proteínas totais ( a ) e carboidratos e lipídios combinados ( b ). c , d , Proteína observada no Ártico ( n _obs = 307) ( c ) e conteúdo combinado de carboidratos e lipídios no Ártico ( n obs  = 302) ( d ). Os dados do Ártico foram obtidos de: Irwin et al., 1980 (círculo), Irwin et al., 1984 (mais), Irwin et al., 1983a (cruz), Irwin et al., 1983b (estrela), Kim et al., 2015 (quadrado), Yun et al., 2015  (losango), Ahn et al., 2019  (pentágono), Choe et al., 2021  (triângulo para cima) e Kim et al., 2020  (triângulo para baixo). e , f , Proteína antártica observada ( nº _obs = 85) ( e ) e carboidrato e lipídio antártico combinados ( nº _obs = 93) ( f ). Os dados antárticos foram obtidos de: Handa e Tanoue 1983  (círculo), Fabiano et al., 1993  (mais), Fabiano et al., 1996  (cruz), Fabiano e Pusceddu 1998  (estrela), Pusceddu et al., 1999  (quadrado), Kim et al.,

2016  (losango), Kim et al., 2018 (pentágono), Misic et al., 2024  (triângulo apontando para cima) e Jo et al., 2021 (triângulo apontando para baixo). Os diagramas de caixa em c – f mostram a mediana (50º percentil) como a linha central, com o intervalo interquartil (25º–75º percentis) representado pelos limites da caixa. Os bigodes representam o 5º e o 95º percentis dos dados. Apenas os dados obtidos com métodos colorimétricos estão incluídos

Em um cenário no qual os humanos continuam a emitir gases de efeito estufa até o ano de 2100, a equipe descobriu que a mudança nas condições oceânicas, particularmente nas regiões polares, alterará o equilíbrio de proteínas, carboidratos e lipídios do fitoplâncton em aproximadamente 20%. Os pesquisadores analisaram observações das últimas décadas e já encontraram indícios dessa mudança no mundo real.

“Estamos caminhando nos polos em direção a uma espécie de oceano de fast-food”, diz a autora principal e pós-doutoranda do MIT, Shlomit Sharoni. “Com base nessa previsão, a composição nutricional da superfície do oceano será muito diferente até o final do século’.

Os coautores do estudo do MIT são Mick Follows, Stephanie Dutkiewicz e Oliver Jahn; juntamente com Keisuke Inomura, da Universidade de Rhode Island; Zoe Finkel, Andrew Irwin e Mohammad Amirian, da Universidade Dalhousie, em Halifax, Canadá; e Erwan Monier, da Universidade da Califórnia, em Davis.

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O fitoplâncton flutua pelas camadas superiores do oceano, iluminadas pelo sol. Assim como as plantas terrestres, as microalgas marinhas são fotossintéticas. Seu crescimento depende da luz solar, do dióxido de carbono da atmosfera e de nutrientes como nitrogênio e ferro que afloram das profundezas do oceano.

Ao estudar como o fitoplâncton responderá às mudanças climáticas, os cientistas têm se concentrado principalmente em como o aumento da temperatura dos oceanos afetará as populações de fitoplâncton. Se e como a composição do plâncton mudará é algo menos compreendido.

“Há uma consciência de que o valor nutricional do fitoplâncton pode mudar com as alterações climáticas”, diz Sharoni, “mas muito pouco foi feito para abordar diretamente essa questão”.

Informações nutricionais

a – c , Mudança simulada corrigida pela deriva (2070–2100 em relação a 1870–1900) da alocação celular integrada em profundidade (mol C (mol C) ⁻¹ ) para proteínas fotossintéticas (Fot.) ( a ) e biossintéticas (Biossin.) ( b ) e biomassa de superfície (0–115 m) (mmol C m ⁻³ ) ( c )

Ela e seus colegas se propuseram a entender como as condições oceânicas influenciam a composição macromolecular do fitoplâncton. Macromoléculas são moléculas grandes essenciais para a vida. Os principais tipos de macromoléculas incluem proteínas, lipídios, carboidratos e ácidos nucleicos (os blocos de construção do DNA e do RNA). Toda forma de vida, incluindo o fitoplâncton, é composta por um equilíbrio de macromoléculas que a ajuda a sobreviver em seu ambiente específico.

“Quase todo o material de um organismo vivo está nessas formas moleculares amplas, cada uma com uma função fisiológica específica, dependendo das circunstâncias em que o organismo se encontra”, diz Follows, professor do Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias.

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a – d , Mudança simulada corrigida pela deriva (2070–2100 em relação a 1870–1900) do conteúdo energético integrado em profundidade da célula do fitoplâncton (kcal gC ⁻¹ ) ( a ), C:N _org ( b ), C:P _org ( c ) e N:P _org ( d ) na matéria orgânica que engloba fitoplâncton, herbívoros e POM (razões molares)

Em seu novo estudo, os pesquisadores analisaram inicialmente como as condições oceânicas atuais influenciam a composição macromolecular do fitoplâncton. A equipe utilizou dados de experimentos de laboratório realizados por seus colaboradores na Universidade Dalhousie. Esses experimentos revelaram como o equilíbrio de macromoléculas do fitoplâncton, como proteínas e carboidratos, se altera em resposta a mudanças na temperatura da água e na disponibilidade de luz e nutrientes.

Com esses dados de laboratório, o grupo desenvolveu um modelo quantitativo que simula como o plâncton em laboratório reajustaria seu equilíbrio de proteínas e carboidratos sob diferentes condições de luz e nutrientes. Sharoni e Inomura então combinaram esse novo modelo com um modelo já estabelecido de circulação e dinâmica oceânica desenvolvido anteriormente no MIT. Com essa combinação de modelos, eles simularam como a composição do fitoplâncton se altera em resposta às condições oceânicas em diferentes partes do mundo e sob diferentes cenários climáticos.

A equipe começou modelando as condições climáticas atuais. De acordo com as observações, o modelo prevê que pouco mais da metade da célula média do fitoplâncton hoje é composta de proteínas. O restante é uma mistura de carboidratos e lipídios.

Curiosamente, nas regiões polares, o fitoplâncton é ligeiramente mais rico em proteínas. Nos polos, a cobertura de gelo marinho limita a quantidade de luz solar que o fitoplâncton consegue absorver. Os pesquisadores supõem que o fitoplâncton pode ter se adaptado produzindo mais proteínas de captação de luz para ajudar os organismos a absorverem a fraca luz solar de forma eficiente.

No entanto, ao modelar um cenário futuro de mudanças climáticas, a equipe descobriu uma alteração significativa na composição do fitoplâncton. Eles simularam um cenário em que os humanos continuam emitindo gases de efeito estufa até o ano de 2100. Nesse cenário, a temperatura da superfície do oceano aumentará em 3 graus Celsius, reduzindo substancialmente a cobertura de gelo marinho. Temperaturas mais altas também limitarão a circulação oceânica, bem como a quantidade de nutrientes que podem circular das profundezas do oceano.

Fitoplâncton

Nessas condições, o modelo prevê que a população de fitoplâncton nas regiões polares aumentará significativamente, em consonância com estudos anteriores. De forma singular, este modelo prevê que o fitoplâncton nas regiões polares passará de uma composição rica em proteínas para uma composição rica em carboidratos e lipídios.

Os pesquisadores descobriram que o plâncton não precisará de tanta proteína para captação de luz, uma vez que a menor quantidade de gelo marinho tornará a luz solar mais facilmente disponível para os organismos absorverem. Os níveis totais de proteína nesse fitoplâncton polar diminuirão em até 30%, com um aumento correspondente na contribuição de carboidratos e lipídios.

Não está claro qual o impacto que uma população maior de fitoplâncton rico em carboidratos e lipídios pode ter no restante da cadeia alimentar marinha. Enquanto alguns organismos podem sofrer com a redução de proteínas, outros que armazenam lipídios para sobreviver ao inverno podem prosperar.

A equipe também simulou o fitoplâncton em regiões subtropicais de latitudes mais altas.

Nessas áreas oceânicas, espera-se que as populações de fitoplâncton diminuam em 50%. E a modelagem da equipe mostra que sua composição também sofrerá alterações.

Com o aumento da temperatura, a circulação oceânica diminuirá, limitando a quantidade de nutrientes que podem ascender das profundezas. Em resposta, o fitoplâncton subtropical poderá ter que encontrar maneiras de viver em profundidades maiores, para equilibrar a obtenção de luz solar suficiente e nutrientes. Nessas condições, é provável que esses organismos passem a ter uma composição ligeiramente mais rica em proteínas, utilizando as mesmas proteínas fotossintéticas que seus equivalentes polares precisarão em menor quantidade.

Em resumo, considerando as mudanças projetadas nas populações de fitoplâncton com as alterações climáticas, sua composição média em todo o mundo se deslocará para uma composição mais rica em carboidratos e pobre em nutrientes.

Os pesquisadores foram além e descobriram que sua modelagem concorda com um pequeno conjunto de amostras reais de fitoplâncton coletadas anteriormente por outros cientistas nas regiões do Ártico e da Antártica. Essas amostras mostraram que a composição do fitoplâncton tornou-se mais rica em carboidratos e lipídios nas últimas décadas, conforme previsto pelo modelo da equipe em um cenário de aquecimento climático.

“Nessas regiões, já é possível observar mudanças climáticas, pois o gelo marinho já está derretendo”, explica Sharoni. “E nosso modelo mostra que as proteínas no plâncton polar estão diminuindo, enquanto os carboidratos e os lipídios estão aumentando”.

“Acontece que as mudanças climáticas estão se acelerando no Ártico, e temos dados que mostram que a composição do fitoplâncton já respondeu a isso”, acrescenta Follows. “A principal mensagem é: o conteúdo calórico na base da cadeia alimentar marinha já está mudando. E não está claro como essa mudança se propagará pela cadeia alimentar”.