Un modelo de ecosistema marino resuelve la misteriosa relación entre diversidad y producción del fitoplancton

¿Cómo varia la riqueza de especies de fitoplancton con la productividad del ecosistema marino? Esta pregunta ha fascinado a los científicos en oceanografía biológica desde hace décadas. El fitoplancton está formado por numerosas especies de microalgas unicelulares que obtienen su alimento por fotosíntesis y constituye la base de la cadena trófica en el océano. Su crecimiento en biomasa es lo que normalmente se conoce por producción primaria.

Estudios recientes habían llegado a la conclusión de que la diversidad de especies de fitoplancton aumenta con la producción del ecosistema marino hasta un punto álgido, a partir del cual la biodiversidad disminuye drásticamente a medida que la producción del ecosistema sigue aumentando hasta valores inusualmente elevados (ver gráfico). Sin embargo aun faltaba por averiguar el por qué de esta misteriosa relación con forma de “U” invertida, que es la imagen resultante cuando se representa en un gráfico esa relación biodiversidad - productividad. Ninguna de las explicaciones teóricas propuestas ofrecía una visión completa de los mecanismos que estaban operando.

Ahora, un trabajo publicado en Nature Communications, realizado por un equipo de científicos españoles del Instituto de Ciencias del Mar de Barcelona (CSIC), en colaboración con científicos del Massachussets Institute of Technology (MIT) de los EE.UU. y del Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) francés, acaba de resolver el aparente misterio usando un modelo global de ecosistema marino acoplado a uno de circulación general de las corrientes del océano.

Según Sergio Vallina, investigador Ramon y Cajal del ICM-CSIC y autor principal del estudio, las razones que dan lugar a una relación con forma de “U” invertida entre la diversidad de fitoplancton y la producción del sistema son dos. La primera es la predación selectiva del zooplankton marino (por ejemplo el krill) sobre las especies de fitoplancton dominante en lo que se conoce como "killing-the-winner" ("eliminando al ganador", en inglés), lo que da lugar a una correlación positiva entre producción primaria y diversidad. La segunda razón es el desacoplamiento estacional entre zooplankton y fitoplancton al inicio de la primavera, lo que da lugar una correlación negativa. Es la combinación global de ambos mecanismos lo que explica la relación entre diversidad y productividad observada en los datos.

Cuando zooplancton y fitoplancton están bien acoplados, la predación tipo “killing-the-winner” previene que las especies de fitoplancton más dominantes se queden con todos los recursos y excluyan al resto de especies. En esas condiciones, aumentar la cantidad de nutrientes del ecosistema permite que la producción primaria y la diversidad aumenten juntas a través de lo que se conoce como "coexistencia facilitada por el predador". Este mecanismo explica la correlación positiva inicial que se observa en la relación productividad-diversidad del fitoplancton marino para valores de producción primaria de bajos a moderados.

En cambio, cuando zooplancton y fitoplancton están desacoplados, lo cual es habitual después del invierno en zonas con alta estacionalidad, aumentar la cantidad de nutrientes da lugar a que las especies de fitoplancton más dominantes puedan florecer sin control ("bloom") y acaparar todos los recursos, expulsando a las especies menos competitivas fuera del ecosistema. Cuando esto sucede, producción primaria y diversidad van en direcciones opuestas. Este mecanismo explica la correlación negativa que se observa en la relación productividad-diversidad del fitoplancton para valores de producción primaria muy elevados que simplemente reflejan esos “blooms” de fitoplancton dominados por muy pocas especies de diatomeas.

El modelo demuestra que cuando los nutrientes son bajos, la producción y la diversidad son bajos porque sólo algunas especies de crecimiento lento y con mucha afinidad por los nutrientes pueden sobrevivir. Cuando los nutrientes están en un punto medio, la diversidad se incrementa porque las especies de crecimiento lento y las especies oportunistas de crecimiento rápido coexisten gracias a que son controladas por la predación selectiva. Cuando hay muchos nutrientes, la producción se incrementa y la diversidad decrece porque unas pocas especies oportunistas crecen muy rápidamente durante un corto periodo de tiempo generando los llamados "blooms" hasta que consumen todos los nutrientes o el zooplancton empieza a consumir esas especies más dominantes con la estrategia "killing-the-winer".

Las simulaciones del modelo global de ecosistema marino reproducen con gran fiabilidad los datos de campo y por tanto los autores tienen un alto grado confianza en sus conclusiones, dentro de la incertidumbre asociada a todo resultado puramente teórico. Es la primera vez que un modelo de ecosistema marino permite explicar los mecanismos de coexistencia y exclusión competitiva que se cree operan simultáneamente en las comunidades de fitoplancton marino y cuál es su relación con la riqueza de especies. Las implicaciones de este trabajo de investigación fundamental son útiles desde el punto de vista de la gestión del medio marino porque ofrece explicaciones teóricas validables de los mecanismos que ayudan a mantener la diversidad de especies en el océano.

Artículo:

S.M. Vallina, M.J. Follows, S. Dutkiewicz, J.M. Montoya, P. Cermeno, & M.Loreau.
Global relationship between phytoplankton diversity and productivity in the ocean.
Nature Communication 5:4299 2014 DOI: 10.1038/ncomms5299 (PDF)