Ao redor do mundo, amplas faixas de oceano aberto estão quase sem oxigênio. Não exatamente zonas mortas, eles são "zonas de oxigênio mínimo, "onde uma confluência de processos naturais levou a concentrações extremamente baixas de oxigênio.

Apenas os organismos mais resistentes podem sobreviver em condições tão severas, e agora os oceanógrafos do MIT descobriram que essas pequenas formas de vida resistentes - principalmente bactérias - têm um limite surpreendentemente baixo para a quantidade de oxigênio que precisam para respirar.

Em artigo publicado pela revista Limnologia e Oceanografia , a equipe relata que as bactérias do oceano podem sobreviver em concentrações de oxigênio tão baixas quanto aproximadamente 1 nanomolar por litro. Para colocar isso em perspectiva, isso é cerca de 10, 000 vezes menor do que a maioria dos peixes pequenos pode tolerar e cerca de 1, 000 vezes menor do que os cientistas suspeitavam anteriormente para bactérias marinhas.

Os pesquisadores descobriram que abaixo deste limite crítico, micróbios morrem ou mudam para menos comuns, formas anaeróbicas de respiração, absorvendo nitrogênio em vez de oxigênio para respirar.

Com a mudança climática, projeta-se que os oceanos sofrerão uma perda generalizada de oxigênio, potencialmente aumentando a propagação de zonas de mínimo de oxigênio ao redor do mundo. A equipe do MIT diz que conhecer os requisitos mínimos de oxigênio para as bactérias do oceano pode ajudar os cientistas a prever melhor como a desoxigenação futura mudará o equilíbrio de nutrientes do oceano e os ecossistemas marinhos que dependem deles.

"Há uma pergunta, à medida que a circulação e o oxigênio mudam no oceano:essas zonas de mínimo de oxigênio vão diminuir e se tornar mais rasas, e diminuir o habitat para os peixes perto da superfície? "diz Emily Zakem, o autor principal do artigo e um estudante de graduação no Departamento da Terra do MIT, Ciências Atmosféricas e Planetárias (EAPS). "Conhecer esse controle biológico do processo é realmente necessário para fazer esse tipo de previsão."

O co-autor de Zakem é o professor associado da EAPS, Mick Follows.

Quão baixo vai o oxigênio?

Zonas de oxigênio mínimo, às vezes chamadas de "zonas de sombra, "são normalmente encontrados em profundidades de 200 a 1, 000 metros. Interessantemente, essas regiões depletadas de oxigênio estão frequentemente localizadas logo abaixo de uma camada de altos fluxos de oxigênio e produtividade primária, onde peixes nadando perto da superfície estão em contato com a atmosfera rica em oxigênio. Essas áreas geram uma grande quantidade de matéria orgânica que afunda para as camadas mais profundas do oceano, onde as bactérias usam oxigênio - muito menos abundante do que na superfície - para consumir os detritos. Sem uma fonte para repor o suprimento de oxigênio em tais profundidades, essas zonas se esgotam rapidamente.

Outros grupos mediram recentemente as concentrações de oxigênio em zonas esgotadas usando um instrumento altamente sensível e observaram, para sua surpresa, níveis tão baixos quanto alguns nanomolar por litro - cerca de 1, 000 vezes menor do que muitos outros mediram anteriormente - em centenas de metros de profundidade no oceano.

Zakem e Follows procuraram identificar uma explicação para essas baixas concentrações de oxigênio, e olhou para as bactérias para a resposta.

"Estamos tentando entender o que controla grandes fluxos no sistema terrestre, como concentrações de dióxido de carbono e oxigênio, que definem os parâmetros da vida, "Zakem diz." As bactérias estão entre os organismos na Terra que são essenciais para definir a distribuição de nutrientes em grande escala. Então, começamos isso querendo desenvolver como pensamos sobre as bactérias na escala climática. "

Definindo um limite

Os pesquisadores desenvolveram um modelo simples para simular como uma célula bacteriana cresce. Eles se concentraram em tensões particularmente engenhosas que podem alternar entre aeróbicas, respiração respiratória de oxigênio, e anaeróbico, respiração não baseada em oxigênio. Zakem e Follows presumiram que, quando o oxigênio está presente, esses micróbios devem usar oxigênio para respirar, já que gastariam menos energia para fazê-lo. Quando as concentrações de oxigênio caem abaixo de um certo nível, bactérias devem mudar para outras formas de respiração, como usar nitrogênio em vez de oxigênio para alimentar seus processos metabólicos.

A equipe usou o modelo para identificar o limite crítico em que essa troca ocorre. Se essa concentração crítica de oxigênio for a mesma que as concentrações mais baixas recentemente observadas no oceano, sugeriria que as bactérias regulam as zonas de oxigênio mais baixas do oceano.

Para identificar o limite crítico de oxigênio das bactérias, a equipe incluiu em seu modelo vários parâmetros-chave que regulam uma população bacteriana:o tamanho de uma célula bacteriana individual; a temperatura do ambiente circundante; e a taxa de rotatividade da população, ou a taxa na qual as células crescem e morrem. Eles modelaram a ingestão de oxigênio de uma única célula bacteriana com valores de parâmetros variáveis ​​e descobriram que, independentemente das condições variáveis, o limite crítico das bactérias para a ingestão de oxigênio girava em torno de valores cada vez menores.

"O que é interessante é, descobrimos que em todo este espaço de parâmetro, o limite crítico sempre foi centrado em cerca de 1 a 10 nanomolar por litro, "Zakem diz." Esta é a concentração mínima para a maior parte do espaço realista que você veria no oceano. Isso é útil porque agora achamos que temos um bom controle sobre o quão baixo o oxigênio chega no oceano, e [propomos] que as bactérias controlem esse processo. "

Fertilidade do oceano

Esperando ansiosamente, Zakem diz que o modelo bacteriano simples da equipe pode ser dobrado em modelos globais de circulação atmosférica e oceânica. Essa nuance adicionada, ela diz, pode ajudar os cientistas a prever melhor como as mudanças no clima mundial, como aquecimento generalizado e desoxigenação do oceano, pode afetar bactérias.

Embora sejam os menores organismos, bactérias podem potencialmente ter efeitos globais, Zakem diz. Por exemplo, à medida que mais bactérias mudam para formas anaeróbicas de respiração em zonas desoxigenadas, eles podem consumir mais nitrogênio e se desprender como um subproduto de dióxido de nitrogênio, que pode ser liberado de volta para a atmosfera como um potente gás de efeito estufa.

"Podemos pensar nessa mudança nas bactérias como definindo a fertilidade do oceano, "Diz Zakem." Quando o nitrogênio é perdido do oceano, você está perdendo nutrientes acessíveis de volta para a atmosfera. Para saber o quanto a desnitrificação e o fluxo de dióxido de nitrogênio mudarão no futuro, precisamos absolutamente saber quais controles mudam do uso de oxigênio para o uso de nitrogênio. A esse respeito, este trabalho é muito fundamental. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.