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Actualmente más de 7 billones de personas habitan el planeta tierra, y se proyecta un incremento hasta de 9 millones para el año 2050. Este incremento exponencial en la población total del planeta ha traído consigo un mayor consumo de combustibles fósiles liberando así altas cantidades de dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera. Estudios recientes del calentamiento global han concluido que las emisiones de dióxido de carbono han jugado un papel importante en los cambios climáticos, por ejemplo en la frecuencia y severidad de las sequías, inundaciones y tormentas, afectando además la producción agrícola global. En este ensayo daré una breve descripción de los cambios atmosféricos de CO2, sus posibles impactos y cómo las plantas se pueden adaptar a los incrementos de CO2.

Históricamente, la concentración de CO2 en la atmósfera ha variado desde la formación de la Tierra hace 4.7 billones de años. Por ejemplo, en el periodo pre-cámbrico (cerca de 600 millones de años atrás) los niveles de CO2 alcanzaban 7000 ppm y luego disminuyeron a 180 ppm debido a la producción de oxígeno por cianobacterias. Estos niveles de CO2 permitieron el desarrollo de la actual atmósfera y posteriormente del hombre (a 260 ppm). En la actualidad los niveles de CO2 han vuelto a incrementar alcanzando 400 ppm (1, 2, 3).

Naturalmente el CO2 ambiental es producido por los volcanes y las fumarolas oceánicas en la profundidad del mar. Esta producción ha estado en constante equilibrio debido a la presencia del fitoplancton (algas microscópicas), quienes fijan el CO2 del océano por medio de la fotosíntesis y liberan oxígeno, permitiendo que los océanos absorban más dióxido de carbono de la atmósfera. Cuando el fitoplancton muere, su esqueleto se deposita en el fondo del mar (dónde se entierra el carbono). Sin embargo, la mayoría del CO2 disuelto en el fondo del océano es traído nuevamente a la superficie por medio de corrientes oceánicas profundas. Las aguas frías de los glaciares llegan al fondo del océano, y el agua que contiene grandes cantidades de carbono se libera a la atmosfera incrementando el CO2 (4). Sin embargo, y a pesar de las oscilaciones en los niveles de CO2 a través del tiempo, los incrementos de éste en los últimos 200 años han sido exponenciales, debido mayormente a que la revolución industrial trajo consigo la quema de combustibles fósiles o hidrocarburos tales como carbón, petróleo y gas natural. En los últimos 50 años, este incremento ha sido del 22% (seis veces más que en los primeros 150 años) y es atribuido al consumo de energía derivada de los hidrocarburos (5).

Ahora, pongamos un poco en contexto la cantidad atmosférica actual de carbono, que es 750 Giga toneladas de carbono (Gt C) en forma de CO2 (6). Los humanos exhalamos cerca de 0.6 Gt C por año que es secuestrado por las plantas –las cuales secuestran dióxido de carbono y producen el oxígeno necesario para la vida de la gran mayoría de organismos-. Entre la cantidad de carbono que exhalamos, y la que producimos con la constante quema de combustibles fósiles, más la cantidad emitida por la deforestación tropical y otras practicas agrícolas (Fig. 1), se calcula que desde la revolución industrial hemos traspasado unos 200 Gt de carbono desde los ecosistemas continentales hacia la atmosfera y los océanos. En la actualidad, se emiten a la atmosfera cerca de 10 Gt de carbono por año, de los cuales 1.5 Gt es el resultado del uso de la tierra y el resto proviene del uso de combustibles fósiles y la producción de cemento (7, 8).

Fig1

Figura 1. Fuentes de dióxido de carbono producida por el hombre. Fuente: (9) The global carbon budget 1959-2011.

De todas las fuentes de combustibles fósil, el carbón es el más utilizado y el que produce más dióxido de carbono. El carbón representa un tercio del total de energía utilizada como fuente primaria a nivel global, y es responsable por el 43% del total de dióxido de carbono liberado al ambiente (10). Entre los sectores económicos que utilizan la mayor proporción de combustibles fósiles están la producción de electricidad, el transporte y la industria, de los cuales, electricidad y transporte producen cerca de dos tercio de las emisiones de dióxido de carbono a nivel global (11). De hecho el transporte terrestre, el cual ha aumentado exponencialmente desde los 90s, representa el 72% del 43% de las emisiones de dióxido de carbono (12). Las emisiones de CO2 incluyen, además del petróleo, gas natural, diesel y carbón, materia orgánica que libera dióxido de carbono cuando se quema (por ejemplo bosques y pastos, y otros productos usados en la calefacción). Los biocombustibles y bioetanol utilizados como fuentes de gasolina, también liberan CO2, aunque sean componentes obtenidos del maíz, u otros bioproductos como el aceite de palma (13, 14).

La fuente de dióxido de carbono producida por el hombre es mucho menor comparado con la emitida por fuentes naturales. Sin embargo, el balance del ciclo del carbono se ha alterado desde el inicio de la revolución industrial debido al uso desmesurado de combustibles fósiles. Antes de la revolución industrial, el balance entre la producción y el consumo de carbono era más estable (7). Actualmente hay más producción de CO2 que consumo por las plantas, induciendo a un desbalance en el ciclo (8, 15). ¿Se benefician las plantas con incrementos de CO2? El carbono es utilizado por las plantas en el proceso de fotosíntesis, para la producción de azucares, celulosa y otros carbohidratos necesarios para su desarrollo. Las plantas obtienen los átomos de carbono esenciales desde el aire a través de sus estomas en las hojas, y los nutrientes esenciales a través de las raíces. Cuando algún nutriente no está en la proporción adecuada, se afecta el crecimiento de la planta. Éste balance entre nutrientes (incluyendo carbono y CO2), agua y temperatura es crucial para la fotosíntesis durante el día y la liberación de residuos gaseosos durante la noche (16).

Debido a que cada molécula de CO2 se convierte en carbohidratos utilizados para la formación de las diversas partes de la planta, éstas deben absorber cientos de gramos de agua para producir un gramo de biomasa. En condiciones de abundancia de CO2 en la atmosfera, las plantas pueden beneficiarse al tener una mayor disponibilidad de carbono para su desarrollo. Sin embargo, es importante tener en cuenta que el proceso de toma de CO2 para la fotosíntesis se realiza solamente durante el día, así que un incremento de CO2 durante la noche pueden ser dañino para las plantas porque durante la noche éstas rechazan todos los materiales gaseosos sobrantes no integrados durante la fotosíntesis.

Altas concentraciones de CO2 también pueden saturar la planta disminuyendo su capacidad de metabolizar el CO2 obtenido. Esto es debido a que existe una especificidad en la eficiencia de toma de CO2 dependiendo del tipo de metabolismo fotosintético (C3, C4 o crasuláceas), o del tipo de hoja dependiendo al grupo al que pertenezca (gimnosperma o angiosperma) (16). Por ejemplo las hojas de especies perennes, como los pinos (gimnosperma), tienen un tejido estructural fuerte pues deben soportar el invierno. Este tipo de estructura de la hoja hace que la difusión de CO2 de la atmosfera hacia el interior sea más lenta, en comparación por ejemplo con una hoja de una angiosperma, como el álamo. En el caso de un exceso de carbono, la difusión lenta en la planta de pino evitará que el proceso de fotosíntesis se sature. Por otro lado, la difusión en hojas caducas es más rápida porque las hojas no disponen de las características de tejido celular estructural fuerte y están más expuestas a los incrementos de CO2. Cuando ocurren los incrementos en CO2, éste entra rápidamente hacia el interior de la hoja saturando el proceso de fotosíntesis, y permitiendo sólo un aumento moderado en la eficiencia del uso del agua (16; 17).

Es extremadamente difícil generalizar el incremento en el crecimiento de la planta debido al incremento de CO2, sin embargo, algunas plantas tienen la capacidad de ser muy eficientes en la captura y procesamiento de CO2, y obtención de agua para la fotosíntesis. Estas son conocidas como plantas con metabolismos fotosintético C4, en las cuales un incremento de CO2 no incrementará su crecimiento. Sin embargo, si el agua llega a ser limitante, un incremento en la concentración de CO2 puede beneficiar la planta. Las plantas pierden agua a través de las hojas porque deben abrir sus estomas para obtener CO2, cuando los niveles de CO2 son altos, quiere decir que las plantas no necesitan abrir mucho sus poros reduciendo así la perdida de agua. Numerosos estudios en los cuales se ha incrementado la concentración de CO2, ha mostrado que las plantas que no son C4 han incrementado su producción cerca de 13% (18, 19). Aunque se han encontrado en ecosistemas naturales un incremento en la tasa de crecimiento de la planta, se ha observado también que éste tiende a disminuir en pocos años (20). Incrementos de CO2 a otros niveles.

Es difícil discutir el tema de incrementos en la concentración de CO2, aislado de otros factores como incrementos en la temperatura ambiental u oscilaciones en la intensidad y cantidad de precipitación. Estudios del cambio climático sugieren que la tierra y los océanos están liberando más CO2 del que puede ser absorbido (21). En el reporte de la IPCC (2001) (22) (por sus siglas en ingles Intergovernmental Panel on Climate Change) se concluye que la biosfera terrestre va a ser más una fuente que un vertedero de carbono para el final del siglo XXI. En los océanos, el incremento de CO2 esta causando la acidificación del agua. Recientes investigaciones han sugerido un incremento de casi el doble, inhibiendo el desarrollo de algunos organismos calcáreos, incluyendo algunos componentes del fitoplancton, los cuales hacen parte del complejo ecosistema marino. Esto puede resultar en una pérdida significativa de la biodiversidad, posiblemente, incluyendo algunas especies de importancia económica (23, 24).

Es claro que la concentración de dióxido de carbono atmosférico es alto y seguirá aumentando con la constante quema de combustibles fósiles; sin embargo no es totalmente claro hasta qué punto las plantas puedan beneficiarse de los incrementos en CO2, o hasta qué punto la biodiversidad disminuya significativamente. Hay que reconocer que los combustibles fósiles son y seguirán jugando un papel importante en nuestro estilo de vida y en la economía mundial, sin embargo es importante considerar opciones de producción de energía que tengan un menor impacto en el ambiente, por ejemplo sistemas energéticos basados en energía renovable o nuclear, o de generadores combustibles derivadas de hidrógeno (revisar 25 para mayor información).

Adicionalmente es importante considerar un equilibrio en el ecosistema desarrollando programas de reforestación o forestación de más áreas. Aunque este el tema de sistemas energéticos es complejo y políticamente sensible, es importante explorar las opciones disponibles para disminuir nuestro impacto en el ambiente.

Literatura

1. Borzenkova II, Turchinovich IY History of Atmospheric composition. Environmental structure and function: Climate system II.

2. Indermuhle a, Stocker TF, Joos F, et al. (1999) Holocene carbon-cycle dynamics based on CO2 trapped in ice at Taylor Dome, Antarctica. Nature 398:121–126. doi: 10.1038/18158.

3. Came RE, Eiler JM, Veizer J, et al. (2007) Coupling of surface temperatures and atmospheric CO2 concentrations during the Palaeozoic era. Nature 449:198–201. doi: 10.1038/nature06085.

4. Fung IY, Doney SC, Lindsay K, John J (2005) Evolution of carbon sinks in a changing climate. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 102:11201–11206. doi: 10.1073/pnas.0504949102

5. Raupach MR, Marland G, Ciais P, et al. (2007) Global and regional drivers of accelerating CO2 emissions. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 104:10288–10293. doi: 10.1073/pnas.0700609104.

6. Hepple RP, Benson SM (2005) Geologic storage of carbon dioxide as a climate change mitigation strategy: Performance requirements and the implications of surface seepage. Environmental Geology 47:576–585. doi: 10.1007/s00254-004-1181-2.

7. Canadell JG, Le Quéré C, Raupach MR, et al. (2007) Contributions to accelerating atmospheric CO2 growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 104:18866–18870. doi: 10.1073/pnas.0702737104.

8. Trumper K, Bertzky M, Dickson B, et al. (2009) The Natural Fix? The role of ecosystems in climate mitigation. A UNEP rapid response assessment. Director 68. doi: 978-82-7701-057-1.

9. Le Quéré C, Andres RJ, Boden T, et al. (2013) The global carbon budget 1959-2011. Earth System Science Data 5:165–185. doi: 10.5194/essd-5-165-2013.

10. Driessen P (2013) Carbon Dioxide?: The Gas of Life Tiny amounts of this miracle molecule make life on Earth possible Carbon Dioxide?: The Gas of Life.

11. Azar C, Lindgren K, Larson E, Möllersten K (2006) Carbon capture and storage from fossil fuels and biomass – Costs and potential role in stabilizing the atmosphere. Climatic Change 74:47–79. doi: 10.1007/s10584-005-3484-7.

12. Catalán H, Sánchez L (2009) Prospectiva del consumo de energia y su impacto en las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). El caso de Mexico. Economia Informa 6–21.

13. Canakci M, Gerpen JH Van (2001) The Performance and Emissions of a Diesel Engine Fueled with Biodiesel from Yellow Grease and Soybean Oil. 0300:1–17.

14. Miller SA (2007) Environmental Trade-offs. Environmental science & technology 5176–5182.

15. Melillo JM, McGuire a. D, Kicklighter DW, et al. (1993) Global climate change and terrestrial net primary production. Nature 363:234–240. doi: 10.1038/363234a0.

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18. Lobell D, Gourdji S (2012) The influence of climate change on global crop productivity. Plant Physiology 160:1686–1697. doi: 10.1104/pp.112.208298.

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20. Wang D, Heckathorn S a., Wang X, Philpott SM (2012) A meta-analysis of plant physiological and growth responses to temperature and elevated CO2. Oecologia 169:1–13. doi: 10.1007/s00442-011-2172-0.

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22. IPCC, 2001: Climate Change 2001: Mitigation, Contribution of Working Group III to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge, UK. 752 pp, ISBN: 0521015022.

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24. Doney SC, Fabry VJ, Feely R a, Kleypas J a (2009) Ocean acidification: the other CO2 problem. Annual review of marine science 1:169–192. doi: 10.1146/annurev.marine.010908.163834.

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BIOGENIC (Biólogos Genetistas Colombianos) surgió en el 2003 en Cali - Colombia, cuando un grupo de amigos que trabajábamos en el Centro Internacional de Agricultura Tropical (CIAT) nos reunimos con la idea de contribuir activamente en la divulgación y promoción de la investigación científica en el área de genética y disciplinas afines.

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