La Singularidad Desnuda

Un universo impredecible de pensamientos y cavilaciones sobre ciencia, tecnología y otros conundros

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Las oscuras rayas de las dunas polares de Marte

Publicado por Carlos en mayo 10, 2010

La tenue atmósfera marciana está compuesta mayormente por dióxido de carbono que por mor de la baja presión (menos de 0.01 atm) y las gélidas temperaturas (inferiores a -140ºC en los polos) puede llegar a cristalizarse, formando una capa de escarcha que recubre los casquetes polares. Con la llegada de la primavera, los débiles rayos de sol que consiguen atravesar esta escarcha recalientan la oscura arena que yace bajo la escarcha, y como consecuencia de este aumento de temperatura parte del dióxido de carbono en contacto con la arena se sublima formando bolsas de gas bajo el fino hielo. Eventualmente la presión de estas bolsas de gas hace que se fracture el hielo, dando lugar a una suerte de fugaz géiser que arrastra consigo parte de la arena que acaba depositada sobre el hielo.

Mars polar CO2 plumes
Credit: Arizona State University/Ron Miller

Gracias a la cámara HiRISE, la Mars Reconnaissance Orbiter ha captado la imagen mostrada más abajo en la que se aprecian los depósitos de arena negra sobre las dunas de escarcha, formados por la acumulación del material expulsado en los chorros de CO2.

Icy Northern Dunes (ESP_017043_2640)

Credit: NASA/JPL/University of Arizona

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Los depósitos de material orgánico en el Ártico son mayores de lo pensado

Publicado por Carlos en septiembre 11, 2008

Hace unos días hablábamos de cómo el incremento de las temperaturas puede provocar un paulatino deshielo del permafrost ártico, dejando expuesta una gran cantidad de material orgánico cuya descomposición lanzaría cantidades ingentes de CO2 a la atmósfera. Para determinar el riesgo que esto supone hay que avanzar en la comprensión de la dinámica del permafrost por un lado, y debe realizarse una estimación ajustada de la cantidad de material orgánico contenido en el subsuelo ártico por otro lado. Este segundo aspecto parece ser un tema en el que se está desarrollando una intensa actividad, a juzgar por los trabajos que han aparecido al respecto en los últimos tiempos. Además del trabajo de Schuur et al. en el que se hacía una estimación global de la cantidad de material orgánico almacenado en el permafrost, esta semana ha aparecido otro trabajo en Nature Geosciences en el que se trata en detalle el caso del territorio ártico norteamericano. El artículo en cuestión ha sido realizado por Chien-Lu Ping y 6 colaboradores, de las Universidades de Alaska en Fairbanks y de la Universidad de Virginia, y lleva por título

En este trabajo intentan subsanar las deficiencias en las estimaciones anteriores de dicha cantidad de material orgánico, y que se basaban únicamente en 5 muestras superficiales (40cm) para un área de 5.05·1012 m2 (i.e., poco más de 5 millones de km2).

Mapa del paisaje ártico norteamericano (10.1038/ngeo284)

Mapa del paisaje ártico norteamericano (credit: Ping et al., Nature Geosciences, doi:10.1038/ngeo284)

Para realizar su estudio, Ping et al. han combinado datos existentes con muestreos directos siguiendo un enfoque sistemático, orientado a cubrir los diferentes tipos de terreno existentes en la zona ártica. Este extremo es importante, ya que la distribución de material orgánico no es en absoluto uniforme. Así, mientras en las tierras bajas y en las tundras de las tierras altas hay grandes cantidades, en los pedregales y montañas la presencia de material orgánico es muchísimo menor. Concretamente, usando los datos de 139 excavaciones se ha determinado que en los dos primeros tipos de terreno hay 55.1 kg/m2 y 40.6 kg/m2 respectivamente, mientras que en los dos segundos sólo hay 3.4 kg/m2 y 3.8 kg/m2. Combinando ambas estimaciones en función de la proporción de cada tipo de terreno, se llega a una media global para la zona de 34.8 kg/m2, siempre considerando hasta 1m de profundidad. Proyectando estos resultados a un área de 2.82 millones de km2, que representaría las tierras del Ártico norteamericano, excluyendo glaciares y lagos, se llega a una estimación de 98.2 Pg de material orgánico.

Aunque esta cifra no resulta muy alta en relación a la estimación total que hacían Schuur et al., es importante resaltar que las estimaciones previas para esta zona eran de unos 21.8 kg/m2, i.e., casi un 40% inferior (o lo que es lo mismo, la nueva cifra es un 60% superior a la anterior). Será interesante determinar si esta subestimación es extrapolable en todo o en parte al resto de zonas árticas, lo que se traduciría en un aumento del riesgo potencial en algunos de los escenarios descritos a medio plazo para la región.

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El deshielo del permafrost acelerará el calentamiento global

Publicado por Carlos en septiembre 3, 2008

Siempre que se habla de los efectos de la actividad humana en el cambio climático, y fundamentalmente en los casos en los que se pretende hacer proyecciones a largo plazo, suele introducirse la salvaguarda de la falta de conocimiento pleno de los ciclos geoclimáticos naturales. Por poner un ejemplo, el flujo de carbono entre tierra, océano y atmósfera es un orden de magnitud mayor que el debido a actividad antropogénica. Así, más que analizar los flujos netos de gases invernadero o los aumentos locales de temperatura de manera aislada o absoluta, es necesario entender de que manera esta perturbación externa puede alterar los ciclos naturales, y hacia que nuevo punto de equilibrio puede desplazarlos. Centrándonos en el ciclo del carbono, son de particular importancia los denominados depósitos vulnerables, grandes almacenes de carbono que pueden resultar afectados por el cambio climático, y verter cantidades ingentes de CO2 a la atmósfera. Uno de estos depósitos vulnerables -uno de los más grandes de hecho- es el permafrost.

Permafrost en el Hemisferio Norte

Permafrost en el Hemisferio Norte. Crédito: NSDIC

El permafrost es el material del subsuelo que se halla permanentemente congelado a temperaturas bajo cero. Se encuentra fundamentalmente en zonas cercanas a los polos y en terreno montañoso a gran altitud, donde la temperatura media anual está por debajo de los 0ºC . Más precisamente, si la temperatura media es superior a los -5ºC no se formará una capa continua de permafrost, sino únicamente regiones aisladas (hay excepciones debidas a temperaturas pasadas frías que dejaron un legado de permafrost fósil). La zona de permafrost continuo abarca grandes zonas árticas y antárticas, y puede considerarse que ocupa alrededor del 20% del terreno sobre el mar. La estructura de estas zonas de permafrost comprende una capa más superficial en la que se produce descongelación estacional (denominada capa activa, y que puede tener de unos centímetros a un par de metros de grosor), y una capa estable de permafrost, con una zona de transición rica en hielo entre ambas. Estas capas más profundas de permafrost almacenan una gran cantidad de carbono en forma de material orgánico, por lo que su descongelación podría exponerlo a descomposición y vertido a la atmósfera. Un estudio de la magnitud e implicaciones de esta descongelación ha sido realizado por Edward A.G. Schuur, de la Universidad de Florida, y 19 colaboradores, en un trabajo titulado

recién publicado en BioScience. La estimación de Schuur et al. es de 1672 Pg (1 petagramo = 1000 millones de toneladas) para todo el carbono acumulado en el permafrost del hemisferio Norte (en el hemisferio Sur hay un contenido mucho menor, por lo que no se ha tenido en cuenta en el análisis). Este material orgánico se ha ido acumulando a través de la zona activa por obra de diferentes procesos geológicos. Por un lado está el crecimiento singenético, por el que se produce un crecimiento vertical de la zona de permafrost (de unos 0.7 mm/año), que engulle el material acumulado en el fondo de la zona activa. Por otro lado está la crioturbación, por el que se produce una mezcla de los materiales entre las capas del subsuelo debido a ciclos repetidos de congelación/descongelación.

Mapa del hielo ártico calculado con los datos del AMSR-E

Mapa del hielo ártico calculado con los datos del AMSR-E

Dado que algunos modelos predicen un aumento de varios grados de temperatura en estas zonas circumpolares a lo largo del siglo XXI (de hecho, los hielos árticos son hoy en día una isla por primera vez en 125,000 años, como se aprecia en la imagen superior), puede producirse una liberación gradual de este material orgánico acumulado. El ritmo al que se produce dependerá de condiciones locales, y se verá afectado por otros factores externos como las precipitaciones de nieve (que tendrán un efecto aislante), o los incendios boreales (que tendrán un efecto opuesto, al eliminar la capa orgánica superficial y reducir a corto plazo el albedo). Otro factor importante es el colapso del suelo debido al descongelamiento de bloques de hielo. El así denominado terreno termocárstico, acelera el deshielo del permafrost, al crear depresiones topográficas que atraen el flujo de agua dado lugar a erosión térmica y deslizamientos de tierras. Esto puede dar lugar a una tasa catastrófica de liberación de carbono. Dicho carbono entrará en los ecosistemas, y en la medida en la que el suelo sea óxico, pasará a la atmósfera en forma de CO2. Por supuesto, esta disponibilidad de materiales orgánicos unida a un aumento de la temperatura favorecerán el crecimiento vegetal, que tenderá a su vez a capturar el carbono, aunque la magnitud de este efecto no bastará para evitar que haya un flujo neto a la atmósfera. Dicho flujo puede ser de 40 Pg a 100 Pg de aquí a finales de siglo, lo que supone unas emisiones del mismo orden de magnitud que las debidas a la desforestación causada por el hombre.

A pesar de las sombrías perspectivas que este trabajo arroja al identificar esta realimentación positiva entre el calentamiento global y la emisión de CO2 proveniente del permafrost, hay que señalar que la magnitud de la misma está sujeta a ciertas incertidumbres: la dinámica de descongelación del permafrost es compleja y no-lineal, como lo son los procesos de transferencia de carbono a la atmósfera. Habrá pues que refinar los modelos geológicos y biológicos involucrados, antes de disparar todas las alarmas.

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Fotosíntesis in silico, Plantas Transgénicas, y Algoritmos Evolutivos

Publicado por Carlos en diciembre 6, 2007

La evolución natural es muy frecuentemente un proceso anti-intuitivo. Tendemos a etiquetar diferentes características de algunos organismos como positivas o negativas, pero luego observamos como sorprendentemente estas características no han sido plenamente optimizadas durante el proceso evolutivo. Hay muchas razones por las que esta aparente paradoja no es más que el resultado de un análisis incompleto de la situación. Por ejemplo, existen restricciones estructurales que restringen los posibles cambios evolutivos en cada instante, hay variables ocultas cuya interacción con las variables analizadas no se tiene en cuenta, y existe una situación de recursos limitados que impide que en general la evolución de diferentes componentes de un organismo pueda realizarse de manera independiente entre sí. Si a todo esto le añadimos que la característica final optimizada por la selección natural es la eficiencia en supervivencia y fertilidad, no es de extrañar que características que externamente consideraríamos importantes puedan tomar caminos evolutivos sorprendentes.

hojaUn ejemplo de índole mucho más práctica de todo lo anterior lo encontramos en el ámbito de las plantas. La eficiencia del proceso de fotosíntesis es fundamental para el crecimiento de la planta y de los frutos que produce. Sin embargo, la distribución de recursos metabólicos optimizada por la evolución para maximizar localmente la supervivencia y la reproducción no necesariamente conlleva una maximización de la productividad fotosintética. El cómo dicha productividad podría mejorarse con una diferente distribución de recursos es algo que ha sido estudiado por Xin-Guang Zhu, Eric de Sturler and Stephen P. Long, de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaing, Virginia Tech y el NCSA, en un trabajo titulado

publicado en Plant Physiology. Zhu et al. han utilizado un modelo computacional del metabolismo de la fotosíntesis del carbono, compuesto por una colección de ecuaciones diferenciales entrelazadas en las que intervienen 38 variables enzimáticas. La concentración de estas enzimas está sujeta a una restricción global de contenido de nitrógeno, lo que implica que aumentos en una conllevan disminuciones en otra. Usando este modelo computacional en un escenario de recursos fijos como el descrito, puede determinarse cuál sería la eficiencia fotosintética de una planta en unas condiciones ambientales determinadas, dada una cierta concentración inicial de cada una de las enzimas. Esta concentración ha sido posteriormente optimizada para maximizar la eficiencia fotosintética mediante un algoritmo evolutivo (como nota curiosa, los autores del trabajo citan a D.E. Goldberg -quizás por la cercanía geográfica, ya que Goldberg está también en Illinois- en relación al algoritmo evolutivo, aunque el enfoque que emplean es una estrategia de evolución al más puro estilo de H.-P. Schwefel e I. Rechenberg).

Xin-Guang Zhu et al. (c) American Society of Plant Biologists
Credit: Xin-Guang Zhu et al. (c) American Society of Plant Biologists

Como puede apreciarse en la figura superior (tomada de la figura 4 en el artículo citado), se consigue optimizar la absorción de CO2 mediante el ajuste de las concentraciones enzimáticas. Esta información resulta de gran utilidad con vistas a la experimentación transgénica, ya que da pistas muy relevantes sobre modificaciones genéticas que pueden explorarse. Más aún, hay una circunstancia fundamental que debe considerarse: el cambio antropogénico en la concentración atmosférica de CO2. Las plantas actuales han evolucionado durante 25 millones de años con concentraciones de CO2 de 235 μmol mol-1, pero en la actualidad esa concentración ha alcanzado 384 μmol mol-1, y puede llegar a 700 μmol mol-1 a finales de siglo. Claramente la evolución natural trabaja a una escala temporal mucho más larga, por lo que no se puede esperar una adaptación rápida a estas nuevas características ambientales. La eficiencia de la fotorrespiración se reducirá en plantas silvestres, lo que abundará en la necesidad de la experimentación transgénica para el consumo humano (habida cuenta que no parece que se vaya a estabilizar el nivel de CO2 a medio plazo).

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