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Minerales de carbonato de calcio en conchas de organismos marinos

Minerales de carbonato de calcio en conchas de organismos marinos



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Los minerales de carbonato de calcio existen en el agua de mar en dos fases principales: calcita y aragonito. Si bien la calcita es la fase más estable, es la aragonita la que precipita primero en el agua de mar debido al alto contenido de magnesio de los océanos en la actualidad. Pero para un entorno similar, por ejemplo, aguas tropicales poco profundas, algunos organismos tienen un caparazón calcítico mientras que otros tienen uno aragonítico. ¿Cómo pueden los organismos elegir qué fase compone su caparazón?


Carbonato de calcio

El carbonato de calcio es un mineral esencial y versátil que se abre camino en nuestra vida diaria.

ORÍGENES

El carbonato de calcio es uno de los minerales más abundantes en la Tierra y representa aproximadamente el 4% de la corteza terrestre. Se puede encontrar en la naturaleza en tres tipos principales de rocas: tiza, piedra caliza y mármol.

Carbonato de calcio molido (GCC): creado por la naturaleza durante millones de años

La mayoría de los depósitos de carbonato de calcio están formados por restos de organismos marinos que se han sedimentado en el fondo de un mar poco profundo. Estos organismos, como los crustáceos, las algas y los corales, absorben el carbonato de calcio del agua y lo utilizan para formar sus esqueletos y conchas. Cuando mueren, sus restos forman depósitos sedimentarios en los fondos marinos que se acumulan con el tiempo para formar rocas.

Tiza , una roca blanda, es el resultado de una roca sedimentaria de carbonato de calcio pobremente compactada, cuya diagénesis es incompleta. Una vez que se completa el proceso de sedimentación, esto da como resultado la formación de piedra caliza.

Mármol , la forma más dura de carbonato de calcio, es una roca metamórfica, que es el resultado del proceso de recristalización de la piedra caliza, en condiciones de alta presión y temperatura.

Carbonato de calcio precipitado (PCC): creado por el hombre en cuestión de horas

El carbonato de calcio también se puede producir sintéticamente en forma de carbonato de calcio precipitado (PCC). El PCC se crea mediante la conversión de piedra caliza en CaO y CO 2 y la posterior reacción de ambos componentes purificados en un reactor químico. El producto final tiene la misma composición química que GCC, pero es de mayor pureza y tiene diferentes propiedades en términos de distribución de tamaño de partícula y forma de partícula.

La alta blancura y opacidad de los carbonatos se prestan a un gran número de aplicaciones, desde materiales de construcción hasta papel y pintura, construcción y productos alimenticios.


Mineralización bioinspirada de carbonato de calcio en hidrogel peptídico

Mineralización bioinspirada. Crédito: Kazuki Murai et al., Journal of Asian Ceramic Societies, Taylor & amp Francis

Un equipo de investigadores ha desarrollado una mineralización biomimética de carbonato de calcio utilizando una plantilla de péptido multifuncional que puede autoabastecerse de fuentes minerales, que en este caso es un suministro de iones de carbonato, el precursor del carbonato de calcio. El proceso sigue el mecanismo de biosíntesis de tejidos duros por organismos vivos, llamado biomineralización, y la capacidad de formar hidrogeles, que sigue el modelo del entorno de reacción de los organismos vivos. Estudios previos sobre mineralización han discutido el mecanismo de formación de cristales inorgánicos sintetizados en plantillas con una sola función, como un sistema que suministra una fuente mineral externa o un sistema de hidrogel.

Sin embargo, los organismos vivos usan sus propias enzimas para autoabastecerse de fuentes minerales y lograr el control de la orientación, la fase cristalina y la morfología de los cristales inorgánicos mediante el uso de ensamblajes 3D con estructuras controladas como campos de reacción. Por lo tanto, dilucidar el mecanismo de formación de cristales inorgánicos en un entorno de reacción de mineralización que está más cerca del entorno biológico, como los conjuntos 3D jerárquicos similares a hidrogel y el autoabastecimiento de fuentes minerales, es importante para aclarar la verdadera relación para el control estructural. entre plantillas orgánicas y materiales inorgánicos logrados en biomineralización.

Es importante aclarar la verdadera relación para el control estructural entre las plantillas orgánicas y los materiales inorgánicos logrados en la biomineralización. El grupo de investigación dirigido por el profesor asistente Kazuki Murai del Departamento de Química y Materiales de la Universidad de Shinshu, Facultad de Ciencia y Tecnología Textil, pudo examinar los mecanismos de nucleación y crecimiento de cristales del carbonato de calcio en condiciones más similares al entorno biológico a través del autoabastecimiento. de fuentes minerales a través de la expresión de actividades similares a enzimas y la formación espontánea de hidrogeles, que es un entorno modelo para las células. Por lo tanto, los hallazgos del grupo facilitarán la comprensión de la nucleación y el crecimiento cristalino de los cristales inorgánicos en la biomineralización y el papel de las plantillas orgánicas para el control de los cristales.

El profesor asistente Murai afirma que "el conocimiento obtenido de este y otros estudios de mineralización es la base para revelar los asombrosos procesos que los organismos han adquirido a través de la evolución durante una gran cantidad de tiempo. Damos por sentado nuestros huesos y dientes en nuestra vida diaria, pero incluso ellos aún no se entienden completamente. Creo que los esfuerzos de varios investigadores, incluyéndome a mí mismo, nos llevarán a las 'soluciones' que han sido adquiridas por los organismos vivos durante miles de millones de años. Seré feliz si mi investigación puede ser un "trampolín hacia la inspiración y el descubrimiento inesperados".

Este estudio pudo aclarar tres puntos principales: que una sola molécula de péptido tiene la capacidad de autoabastecerse de minerales a través de una actividad similar a una enzima, la capacidad de controlar la fase cristalina y la morfología de los materiales inorgánicos y la capacidad de formar hidrogeles de forma espontánea. El grupo pudo investigar los mecanismos de nucleación y crecimiento de cristales del carbonato de calcio usándolo como plantilla para la mineralización. Esta estrategia de investigación para imitar el entorno de reacción de los organismos vivos será un gran avance para eventos previamente desconocidos o no aclarables.

El equipo de investigadores espera dilucidar por completo los mecanismos de formación y crecimiento de los cristales inorgánicos, además de los factores de control estructural que ocurren entre las plantillas orgánicas y los materiales inorgánicos en la biomineralización. Sin embargo, existen muchos obstáculos para adquirir estos hallazgos, incluida la necesidad de una gran cantidad de investigación y la colaboración de gran alcance de investigadores pertenecientes a diversos campos académicos.

El grupo está trabajando actualmente en el desarrollo de materiales inorgánicos que son cruciales en los campos de la ingeniería y la medicina mediante el uso de un método de síntesis de materiales que es limpio y respetuoso con el medio ambiente, además de dilucidar la nanoestructura de los materiales construidos, la complejación de orgánicos e inorgánicos. materiales, y la aclaración de la correlación entre la estructura y función de dichos materiales.


¿Qué le sucede al dióxido de carbono en el océano?

El agua pura no es ni ácida ni alcalina, tiene un pH de 7.0. Pero debido a que el agua de mar contiene muchas sustancias disueltas, en realidad es ligeramente alcalina (básica), con un pH cercano a 8.2.

La continua acumulación de dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera significa más CO2 entrando en los océanos. El dióxido de carbono se disuelve en el agua de mar para formar ácido carbónico (H2CO3). Este último se descompone rápidamente en iones de hidrógeno (H +) e iones de bicarbonato (HCO3 & # 8211), y los iones de bicarbonato se descomponen en H + y CO3 -2 iones. Más iones H + hace que el agua de mar sea más ácida, pero los científicos no creen que los mares se vuelvan verdaderamente ácidos (con un pH inferior a 7,0), sino menos alcalinos.

Los organismos marinos necesitan iones de carbonato para construir sus caparazones, pero aunque la cantidad total de carbono en solución aumenta a medida que aumenta el CO2 se disuelve en agua de mar, la concentración CO3 2- iones en realidad disminuye. Esto sucede porque más CO2 significa más iones de hidrógeno (H +) en el agua de mar. Esos iones de H + adicionales reaccionan con (consumen) iones de carbonato para formar iones de bicarbonato.

En aguas tropicales (con temperaturas iguales o superiores a 77 ° F, o 25 ° C), como la presión parcial de CO2 (pCO2) en el agua de mar alcanza aproximadamente 1.800 partes por millón (ppm), el suministro decreciente de iones de carbonato cruza un umbral y la aragonita, la forma de carbonato de calcio que se usa comúnmente en la cáscara, se disuelve espontáneamente. La aragonita es más soluble en aguas más frías y el agua fría absorbe más dióxido de carbono de la atmósfera que el agua caliente. Como resultado, el umbral en el que la aragonita se disuelve en aguas frías ocurrirá mucho antes de que la pCO2 en los océanos alcanza las 1.800 ppm. Los científicos esperan que el frío y fértil océano Austral y el norte del Pacífico alcancen este umbral en 2070 o antes.

“El equilibrio está cambiando”, dijo Justin Ries, ex becario postdoctoral en el Ocean and Climate Change Institute de WHOI. "El cambio de pH ya se está produciendo en las aguas superficiales y es difícil de revertir". Debido a que el carbono permanece en los océanos durante mucho tiempo, para devolver CO2 niveles a los que existían antes de la Revolución Industrial, "vamos a tener que reducir el CO2 emisiones tan pronto como sea posible, y luego esperar unos cientos de años para que los océanos se ajusten ”, dijo Ries.


QUÍMICA DEL AÑO DOCE CON UNA RESPUESTA EXTENDIDA: Implicaciones del aumento de los niveles de CO2 en la formación del caparazón en los organismos acuáticos

Bajo CO experimental muy alto 2 condiciones, las conchas de almejas, ostras y algunos caracoles y erizos se disolvieron parcialmente. Pero otras especies parecían no ser dañadas, y los crustáceos, como langostas, cangrejos y langostinos, parecieron aumentar su formación de caparazones.

El nombre y la acidificación de los quotoceos & quot

El océano no es ácido y las proyecciones de modelos dicen que los océanos nunca se volverán ácidos. Entonces, ¿por qué llamarlo acidificación del océano?
La acidificación de los océanos se refiere al proceso de reducir el pH de los océanos y rsquo (es decir, aumentar la concentración de iones de hidrógeno) mediante la disolución de dióxido de carbono adicional en el agua de mar de la atmósfera. La palabra & ldquoacidificación & rdquo se refiere a reducir el pH desde cualquier punto de partida a cualquier punto final en la escala de pH. Este término se utiliza en muchas otras áreas científicas (incluidas la medicina y la ciencia de los alimentos) para referirse a la adición de un ácido a una solución, independientemente del valor de pH de la solución. Por ejemplo, a pesar de que el pH del agua de mar es superior a 7,0 (y, por lo tanto, se considera & ldquobasic & rdquo en términos de la escala de pH), el CO atmosférico aumenta 2 Los niveles siguen elevando la acidez del océano y reduciendo su pH.


Interés científico por la biomineralización

El notable control que ejerce la naturaleza en el crecimiento y desarrollo de una concha ha atraído la atención de los científicos de materiales. La forma en que se deposita el carbonato de calcio en un andamio de proteína-carbohidrato es el centro de mucha atención. La alta resistencia, la resistencia a la fractura y el valor estético de estos materiales naturales han llevado a los científicos a intentar replicar el crecimiento natural de la concha en el laboratorio.

El objetivo a largo plazo de este trabajo es desarrollar materiales, basados ​​en la naturaleza, que puedan encontrar aplicaciones para su uso en áreas tales como implantes médicos, componentes estructurales para edificios y vehículos y reemplazo de algunos tipos de plástico.


Crecimiento de la cáscara

Los moluscos suelen formar sus conchas en un trío de capas. La banda más externa, el periostracum, se deriva principalmente de proteínas, principalmente proteínas curtidas con quinonas, pero también algo de quitina, que constituye solo una proporción muy pequeña del material total de la cáscara. Las capas internas son material de carbonato de calcio. Las células especializadas constituyen el tejido del manto justo debajo del caparazón, que produce el material que crea el caparazón. El periostraco proteínico sirve en parte como base estructural para la mineralización del carbonato de calcio, que se manifiesta como caracteres cristalinos específicos o polimorfos, que incluyen calcita, aragonito o ambos. Debido a las condiciones químicas del agua de mar actual, la aragonita tiende a ser la forma en la que se precipita el carbonato de calcio en muchos, aunque no en todos, los organismos marinos.


Shell conmocionado: Impactos emergentes de nuestros mares acidificados

Los corales proporcionan la base de una comunidad única de criaturas oceánicas. Pero la acidificación de los océanos puede dificultar que los corales construyan sus hermosas estructuras.

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28 de febrero de 2019 a las 6:45 am

Esta es la séptima de una serie de 10 partes sobre los impactos globales en curso del cambio climático. Estas historias analizarán los efectos actuales de un planeta cambiante, lo que sugiere la ciencia emergente está detrás de esos cambios y lo que todos podemos hacer para adaptarnos a ellos.

Abre tu primera concha de ostra y la visión que te saluda no es tan apetitosa. El pegote gris y brillante del interior parece frío y viscoso. Pero la gente de todo el mundo está obsesionada con comer este manjar sin cáscara.

“La forma más popular de comerlos en Australia es cruda”, dice Elliot Scanes. Es biólogo marino de la Universidad de Sydney en Australia. Si bien las ostras pueden ser viscosas y "tener la textura de un moco", señala, el sabor es un ganador para mucha gente. Las ostras, dice, "saben a sushi salado". Y hay un gran negocio en estos mocos del océano.

En el noroeste del Pacífico de EE. UU., Las ostras generan $ 111 millones por año. En Australia, donde Scanes es biólogo marino en la Universidad de Sydney, asciende a 26 millones de dólares.

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Pero esos millones, y las ostras que los traen, están en peligro. En el noroeste del Pacífico, las crías de ostras se han extinguido por miles de millones. Sus diminutas conchas se disolvieron antes de que se formaran por completo. En Australia, Scanes encuentra que hay más ostras de roca de Sydney hembras y menos machos, lo que podría afectar la cantidad de ostras que llenan los platos de los futuros comensales australianos.

Explicador: acidificación del océano

La causa es Acidificación oceánica. A través de sus actividades industriales y la quema de combustibles fósiles, la gente ha estado bombeando cada vez más gases de efecto invernadero, como dióxido de carbono o CO.2, dentro del Aire. El océano absorberá aproximadamente una cuarta parte de ese gas. Allí, reaccionará con el agua de manera que hará que el océano sea un poco más ácido.

Es posible que las personas nunca noten el cambio cuando van a nadar, pero para los organismos que llaman hogar al mar, la acidificación es una fuente de estrés. Pone en riesgo muchos de los mariscos que amamos comer, como las ostras. Y la única forma de detenerlo es detener la liberación de CO2 dentro del Aire.

El océano: tan básico

El océano de hoy es un poco básico o alcalino. Los científicos utilizan la escala de pH de 14 puntos para clasificar sustancias de muy ácidas a muy alcalinas. El agua pura es perfectamente neutra. 7. El ácido de la batería cae alrededor de 1. El agua con jabón tiene alrededor de 12.

El agua del océano contiene sal (cloruro de sodio) y otras sustancias químicas como calcio y boro. Las propias moléculas de agua siempre se están transformando. El h2O irrumpe en cargada negativamente hidróxido iones (oxígeno e hidrógeno) e iones de hidrógeno cargados positivamente. Esos iones de hidrógeno son la definición misma de un ácido. (Un ácido es cualquier sustancia que libera iones de hidrógeno). Una gran cantidad de átomos de hidrógeno adicionales hace que una sustancia sea ácida.

Explicador: CO2 y otros gases de efecto invernadero

Algunos de esos iones reaccionan con otras sustancias químicas del agua. Si los iones de hidrógeno superan en número a los iones de hidróxido, el agua es algo ácida. Si los iones de hidróxido superan en número a los iones de hidrógeno, es más básico. El agua del océano es ligeramente básica, con un pH de alrededor de 8,2.

O al menos, eso es lo que solía ser.

Alrededor de una cuarta parte de las emisiones de CO de la humanidad2 están siendo absorbidos por los océanos del mundo. Allí, este gas reacciona con moléculas de agua e iones de carbonato (un átomo de carbono y tres de oxígeno). El resultado es una sustancia química llamada bicarbonato y un montón de iones de hidrógeno sobrantes. Esos iones de hidrógeno se suman a los iones de hidrógeno ya presentes, lo que hace que el agua de mar sea más ácida.

Desde mediados del siglo XVIII, cuando la gente comenzó a quemar combustibles fósiles en grandes cantidades, el pH del océano global se ha reducido en una décima de punto, señala Nyssa Silbiger. Estudia la acidificación de los océanos en la Universidad Estatal de California en Northridge. Ese décimo de punto puede parecer pequeño. Pero el pH se mide en un logarítmico escala, donde cada 1 punto adicional es igual a un aumento de 10 veces. Una sustancia con un pH de 8 tiene 10 veces la cantidad de iones de hidróxido como uno con un pH de 7. Un cambio de 8.2 a 8.1, entonces, no es tan pequeño.

Pero este cambio no es el mismo en todo el océano. El cambio de 0,1 puntos, señala Silbiger, es un promedio de todo el enorme océano. Puede ser algo más alto o más bajo, según la hora y el lugar.

Montañas rusas químicas

Estudiar el pH en el vasto océano abierto no es fácil. En cambio, algunos científicos establecieron experimentos en el laboratorio. Silbiger, sin embargo, recurrió a un espacio experimental natural: las pozas de marea costeras de California.

Estos son divots en la playa que se separan del mar durante la marea baja. Pero recolectan agua cuando las olas del océano los bañan durante la marea alta. El pH del agua en estas piscinas poco profundas sube y baja. En un solo día, el pH de una piscina de marea puede oscilar entre un mínimo de 7,09 y un máximo de 8,90. Al mismo tiempo, la temperatura variará a medida que la piscina esté aislada del océano y calentada por el sol. Incluso los niveles de oxígeno de la piscina suben y bajan. Puede convertirse en un estilo de vida difícil. Aún así, muchos organismos, como estrellas de mar, erizos de mar y algas, prosperan aquí.

Las charcas de marea son una excelente oportunidad para la ciencia. "Cuando [un charco de marea está] separado del océano", dice Silbiger, "puedo contar cada organismo" y estudiar la química del agua. De esta manera, puede averiguar "cómo se relacionan los organismos con los cambios en la química".

Apilando comestibles encima del equipo de laboratorio, Silbiger y otro científico pasaron dos meses viajando por la costa oeste de los Estados Unidos en una caravana. En su viaje, probaron grupo de mareas tras grupo de mareas.

El factor más importante para el pH de una piscina de marea era lo que vivía en ella, descubrió Silbiger. Las algas, los pastos marinos y otros organismos fotosintéticos potencian su actividad con la luz solar durante el día. En el camino, consumen CO2. El resultado es un aumento del pH, lo que significa que el agua se vuelve menos ácida. Por la noche, cuando no hay sol, estos organismos ponen CO2 de vuelta al agua. Eso hace que el pH vuelva a bajar, haciéndolo más ácido.

Los animales en charcos de marea producen CO2 todo el tiempo, día y noche. Ese CO2 acidifica el charco de la marea. Cuantos más organismos fotosintéticos viven en un charco de marea, más sube el pH durante el día. Cuantos más animales haya en el charco de la marea, más bajará su pH durante la noche.

Silbiger y su colega Cascade Sorte, de la Universidad de California, Irvine, publicaron sus hallazgos el 15 de enero de 2018 en Informes científicos.

Esta montaña rusa diaria de pH se desplaza sobre los organismos que viven en las charcas de marea y las áreas poco profundas cercanas del mar. Si eres un mejillón, una almeja u otro organismo con cáscara dura, estos cambios de pH no pueden ignorarse.

Saliendo de tu caparazón

El océano no es un lugar en el que te gustaría vivir sin protección. Las olas rompen. El agua presiona por todos lados. Depredadores hambrientos deambulan.

Mejillones, ostras, corales y muchos otros organismos del océano se protegen con un caparazón resistente. Está formado a partir de carbonato de calcio. Este químico tiene un átomo de calcio enganchado a un ion carbonato.

En condiciones normales del océano, una criatura puede producir suficiente carbonato de calcio a partir de calcio y carbonato en el agua para construir su caparazón. Pero a medida que más CO2 de la atmósfera se disuelve en el océano, se forma más bicarbonato. Eso consume carbonato, dejando a los organismos formadores de cáscaras con menos carbonato de calcio formador de cáscaras.

Esa escasez puede afectar todo, desde cómo crece un coral hasta cómo se da la fecha una ostra.

Los corales y las ostras no son muy buenos para hablar de sus sentimientos. Pero Emily Rivest puede decir que están estresados. Es bióloga marina en el Instituto de Ciencias Marinas de Virginia en el College of William and Mary en Williamsburg. Allí, ella y sus estudiantes despliegan sensores y llenan acuarios con ostras de la cercana bahía de Chesapeake.

Rivest ha descubierto que los mejillones, las ostras y otros habitantes de la charca de la marea sufren en un océano más ácido. Durante el día, a medida que las plantas y otros organismos fotosintéticos aumentan el pH de los charcos de marea, los organismos que forman conchas se van acumulando. Por la noche, a medida que desciende el pH, también lo hace la formación de cáscaras. Y cuanto más bajo es el pH por la noche, menos construcción se produce, ha demostrado el equipo de Rivest. Las ostras pueden manejar los cambios de pH salvajes de la charca. Pero solo hasta cierto punto. Si las piscinas no se vuelven lo suficientemente básicas durante el día, no pueden acumular suficiente caparazón.

El término "acidificación del océano" trae a la mente visiones de agua ácida devorando una ostra pobre e indefensa. Pero ese no es realmente el caso, dice Rivest. “No es que se estén haciendo pequeños porque las ostras se estén disolviendo de afuera hacia adentro”, explica. "Es porque están creciendo más lentamente de adentro hacia afuera".

El crecimiento se ralentiza porque la ostra tiene que gastar más energía para extraer calcio y carbonato del agua para construir su caparazón. La acidificación del océano está haciendo que el animal trabaje más.

"Sería increíble ver una ostra corriendo en busca de carbonato de calcio, pero están atrapadas en un lugar", dice Rivest. "Tienen que gastar más energía para colocar el caparazón". Recuperar esa energía significa comer más, o simplemente crecer menos.

El futuro es femenino

La acidificación del océano también puede afectar a las ostras de otras formas. De hecho, afecta la forma en que las ostras se aparean y producen más ostras, encuentra Scanes de la Universidad de Sydney.

Después de que las ostras se aparean, nacen las ostras macho. Pero las ostras hembras no nacen. Están hechos. Después de que las larvas de ostra flotan en el agua y se asientan en una superficie, pasan su primer año creciendo. Durante ese primer año, las ostras desarrollan gónadas masculinas u órganos reproductores. Luego, aparecerán por primera vez como machos, liberando nubes de esperma dentro del agua.

Las ostras vuelven a crecer sus gónadas todos los años. Para el segundo año, a algunas de estas ostras les crecen las gónadas de las hembras que producen huevos. Después de un tiempo, si las ostras no están demasiado llenas, dice Scanes, alrededor del 50 por ciento de las ostras se convertirán en hembras que liberan huevos anualmente.

Pero si el océano continúa acidificándose, el futuro de las ostras parece cada vez más femenino.

En un experimento, Scanes y sus colegas agregaron más CO2 al agua en la que vivían sus ostras. Fue para ver cómo sería la vida en un mar más ácido para estos mariscos. Agregaron suficiente CO2 para bajar el pH a 7,9. Ese pH está en el rango que el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático predice que podría ocurrir en 100 años si las personas continúan emitiendo gases de efecto invernadero como lo hacemos ahora.

Si las ostras estaban expuestas a un océano recientemente ácido durante dos meses antes de su próximo desove, era más probable que terminaran siendo hembras, encontró el equipo de Scanes. “Después de solo estas 8 semanas, [había] un 16 por ciento más de mujeres”, dice. Si esa tendencia continúa, con una mayor proporción de ostras ahora hembras, es posible que se produzcan menos crías de ostras.

Scanes y sus colegas publicaron sus resultados el 14 de febrero de 2018 en el Actas de la Royal Society: B.

Las ostras son importantes porque las comemos. Pero su valor se extiende más allá de eso. Las ostras, los mejillones y otras especies con cáscara se alimentan por filtración, limpiando el agua mientras comen. También son especies fundamentales, las que construyen estructuras en las que otros organismos pueden pasar el rato.

Las especies de cimientos más conocidas podrían ser los corales. Ellos también crean sus elaboradas estructuras a partir de carbonato de calcio. “El coral construye una compleja estructura de arrecife tridimensional que alberga a decenas de otras especies”, señala Rivest. "Sin esa estructura, no tienes esos beneficios".

Rebecca Albright describe la "calcificación" y cómo puede verse afectada en los corales expuestos a la acidificación del océano.
Academia de Ciencias de California / YouTube

Se necesita una aldea de coral

La acidificación del océano puede afectar el crecimiento de un solo coral. Pero estos organismos no son solitarios. Los corales se agrupan, produciendo arrecifes que a su vez brindan alojamiento y alimento a otras criaturas. Estos arrecifes funcionan como enormes ciudades oceánicas.

La acidificación del océano puede dañar los patines de natación

A medida que los mares se acidifican, es posible que los corales no sean los únicos organismos afectados en esas ciudades. Hay toda una comunidad de peces, microbios, invertebrados y otras cosas que viven en estos corales y cerca de ellos. Ellos también podrían verse afectados.

Esto no es algo que pueda estudiarse fácilmente en un laboratorio o en una piscina de mareas. Entonces Rebecca Albright voló al otro lado del mundo. Es bióloga de arrecifes de coral en la Academia de Ciencias de California en San Francisco. Albright formó parte de un equipo que investigó esto en la comunidad de coral más grande del mundo: la Gran Barrera de Coral.

¿La acidificación del océano está eliminando los aromas del salmón?

Investigar aquí, frente a la costa de Australia, no es muy glamoroso. En la estación de investigación de One Tree Island, toda la comida debe llevarse en avión y luego en barco. La lechuga llega tan podrida que puede gotear de la bolsa. Los científicos que se quedan allí se "bañan" con cubos de agua de mar.

Pero todo ha valido la pena para convertir el océano en rosa.

Albright y su grupo comenzaron con una pequeña piscina en el océano. El equipo recolectó 15.000 litros (casi 4.000 galones) de agua de mar, suficiente para llenar la piscina. Agregaron tinte rosa y burbujas de dióxido de carbono (CO2). “Simplemente lo hicimos burbujear como un SodaStream masivo”, dice Albright. El gas y el colorante se disolvieron en el agua de mar, haciéndola más ácida.

Luego, Albright y sus colegas soltaron el agua de mar rosada en el arrecife. Esto bajó el pH en un área pequeña. Cada tercer día durante dos meses, los científicos redujeron el pH de esta manera durante una hora. El cambio fue pequeño, una caída de 8.1 a 8.0. Pero ese pH más bajo redujo la velocidad de construcción del arrecife hasta en un tercio. Esta fue una caída mucho mayor que la que encuentran la mayoría de los estudios cuando observan los arrecifes en el laboratorio, señala Albright.

"Eso es realmente preocupante", agrega, "porque los arrecifes de coral están siendo golpeados por el blanqueamiento". El blanqueamiento es lo que ocurre cuando los corales se calientan demasiado. El calor puede hacer que desalojen las útiles algas que normalmente viven en su interior. Eso deja los corales blancos como el hueso. Los corales no están muertos, en este momento. Pero están estresados. Para recuperarse, los corales deben crecer rápidamente, dice Albright. Pero sus datos muestran que "la acidificación está ralentizando ese proceso".

Albright y sus colegas publicaron sus resultados el 14 de marzo de 2018 en la revista Naturaleza.

Para hacer las cosas más complejas, no todos los arrecifes de coral responden de la misma manera.

Andreas Andersson es oceanógrafo de la Universidad de California en San Diego. Trabaja en arrecifes en mares claros y azules frente a las Bermudas, al otro lado del planeta desde la Gran Barrera de Coral. Los arrecifes de las Bermudas se encuentran al borde de los trópicos. Eso significa que experimentan más altibajos de temperatura que los arrecifes tropicales. Aquí también se encuentran diferentes tipos de corales. "Si miras los arrecifes de las Bermudas, [son] diferentes de los arrecifes que encuentras más cerca del ecuador", dice Andersson. "[Tienen] corales más masivos, no corales ramificados".

Andersson ha descubierto que los arrecifes de las Bermudas no responden a la acidificación de los océanos como lo hacen los de Australia. "Parecen ser bastante fuertes", dice. “Hemos hecho experimentos exponiéndolos a niveles de acidez muy altos. Y no parece importarles ". De hecho, a medida que los inviernos se vuelven más cálidos, los corales de las Bermudas crecen más rápido. Debido a esto, Andersson plantea la hipótesis de que los arrecifes como los de las Bermudas podrían ser el aspecto que podrían tener los arrecifes de coral del futuro.

O no. “También podría ser que los [arrecifes] de las Bermudas [hayan] tenido suerte”, admite Andersson. Y si las aguas se calientan demasiado, incluso los duros corales de las Bermudas se blanquearán.

Regreso al futuro

A veces, para saber cómo se verá el futuro, es útil mirar hacia atrás. Es por eso que Carrie Lear y Sindia Sosdian están buscando evidencia de océanos antiguos. Ofrece contarles cómo la acidificación de los océanos podría cambiar los mares del futuro.

Lear estudia el paleoclima ("paleo" se refiere al pasado). Sosdian estudia el cambio climático. Ambos trabajan en la Universidad de Cardiff en Gales. Para rastrear el pH de los océanos en el pasado, los dos han estado observando los sedimentos extraídos del lecho marino. En el sedimento hay rastros de criaturas marinas unicelulares. Se les conoce como foraminíferos (For-am-in-NIF-er-uh), o foraminíferos.

Los foraminíferos tienen dos características que los hacen ideales para estudiar la acidificación. Uno: han existido por mucho tiempo. Algunas especies de ellos han estado flotando en el océano durante millones de años. Más importante aún, tienen cáscaras diminutas de carbonato de calcio. Construyen esas conchas como lo hacen las ostras y los corales. Pero cuando sorben carbonato de calcio, no son muy quisquillosos. A veces también absorben otras moléculas. Como los iones de borato. Estos son átomos de boro unidos a tres átomos de oxígeno.

Los foraminíferos absorben boratos a medida que construyen sus caparazones. Entonces Lear y Sosdian observaron pequeñas conchas de todo el mundo y se remontan a millones de años. En diferentes momentos, prevalecieron diferentes isótopos de boro, versiones de un elemento con diferentes números de partículas de neutrones en sus núcleos. La cantidad de foraminíferos de boro que sorben difiere cuando el pH del océano sube o baja. De modo que la cantidad y el tipo de boro en las conchas de los foraminíferos les dijo lo ácido que había sido el océano en varias ocasiones en el pasado.

Lear y Sisdian sentían más curiosidad por saber cuándo, en el pasado, el pH del océano fue por última vez tan bajo como 7,8. Eso es lo que podría ser el pH del océano dentro de 100 años, si la gente no reduce la cantidad de CO2 bombean a la atmósfera. Los foraminíferos de Lear y Sosdian mostraron que el pH del océano fue el último tan bajo hace 14 millones de años, una época llamada el óptimo climático del Mioceno (MY-oh-seen).

“En el clima óptimo del Mioceno, CO2 fue más alto que hoy ”, informa Sosdian ahora. "Pero fue más un fenómeno natural". Hubo un aumento en la actividad volcánica en este momento, explica. Eso arrojó mucho CO2 en el aire y el mar. Sosdian y Lear publicaron sus hallazgos el 15 de septiembre de 2018 en Cartas de ciencia terrestre y planetaria.

"Eso es una especie de"Guau"Momento", señala Sosdian, "para decir que estamos llegando a un punto que no hemos visto" en 14 millones de años. "Estamos obteniendo una apreciación de cómo esto afectará la vida marina".

Cuando el océano del Mioceno se acidificó, algunos corales y moluscos se extinguieron. Otros siguieron adelante. Algunos plancton, los pequeños organismos que se mueven a la deriva por el mar, usaban carbonato de calcio para sus conchas. No solo sobrevivieron, realmente prosperaron.

Sin embargo, la última vez que los mares fueron así de ácidos, el proceso se había producido lentamente. Así que las especies tuvieron millones de años para adaptarse. Lo que tomó millones de años entonces puede desarrollarse ahora en solo unas pocas décadas. Y la mayoría de las especies probablemente no podrán adaptarse tan rápido.

Entonces, ¿cómo podemos detener la acidificación de los océanos para salvar las ostras y los arrecifes de coral? "¡Es la pregunta más difícil!" Dice Albright. Algunas personas han sugerido arrojar productos químicos al océano para hacerlo menos ácido. Otros están desarrollando corales que pueden resistir agua más ácida.

“Se están analizando muchas cosas para tratar de ayudar a los arrecifes durante los próximos 50 a 100 años”, dice. "Pero no he conocido a una sola persona en la comunidad científica que sienta que eso va a resolver este problema". Si seguimos vertiendo CO2 en el aire y el océano a nuestro ritmo actual, señala, ninguna cantidad de coral resistente o productos químicos que elevan el pH resistirá nuestros esfuerzos.

“The only solution,” Albright says, “is stopping [climate change] in the first place.”

Correction: This article was revised on February 28, 2018 to correct the identity of the colleague traveling with Nyssa Silbiger.

Palabras de poder

ácido An adjective for materials that contain acid. These materials often are capable of eating away at some minerals such as carbonate, or preventing their formation in the first place.

acidification A process that lowers the pH of a solution. When carbon dioxide dissolves in water, it triggers chemical reactions that create carbonic acid.

algas Single-celled organisms, once considered plants (they aren’t). As aquatic organisms, they grow in water. Like green plants, they depend on sunlight to make their food.

alcalino (n. alkalinity) An adjective that describes a chemical that produces hydroxide ions (OH-) in a solution. These solutions are also referred to as basic — as in the opposite of acidic — and have a pH above 7.

amoníaco A colorless gas with a nasty smell. Ammonia is a compound made from the elements nitrogen and hydrogen. It is used to make food and applied to farm fields as a fertilizer. Secreted by the kidneys, ammonia gives urine its characteristic odor. The chemical also occurs in the atmosphere and throughout the universe.

atmósfera The envelope of gases surrounding Earth or another planet.

átomo Unidad básica de un elemento químico. Los átomos están formados por un núcleo denso que contiene protones cargados positivamente y neutrones sin carga. El núcleo está orbitado por una nube de electrones cargados negativamente.

promedio (en ciencia) Un término para la media aritmética, que es la suma de un grupo de números que luego se divide por el tamaño del grupo.

base (in chemistry) A chemical that produces hydroxide ions (OH-) in a solution. Basic solutions are also referred to as alkaline. (in genetics) A shortened version of the term nucleobase. These bases are building blocks of DNA and RNA molecules.

boron The chemical element having the atomic number 5. Its scientific symbol is B.

calcio A chemical element which is common in minerals of the Earth’s crust and in sea salt. It is also found in bone mineral and teeth, and can play a role in the movement of certain substances into and out of cells.

carbonato de calcio The main chemical compound in limestone, a rock made from the tiny shells of ancient marine organisms. Its formula is CaCO3 (meaning it contains one calcium atom, one carbon atom and three oxygen atoms). It’s also the active ingredient in some antacid medicines (ones used to neutralize stomach acids).

carbón El elemento químico que tiene el número atómico 6. Es la base física de toda la vida en la Tierra. El carbono existe libremente como grafito y diamante. Es una parte importante del carbón, la piedra caliza y el petróleo, y es capaz de autounirse, químicamente, para formar una enorme cantidad de moléculas de importancia química, biológica y comercial.

carbonate A group of minerals, including those that make up limestone, which contains carbon and oxygen.

dióxido de carbono (or CO2) Un gas incoloro e inodoro producido por todos los animales cuando el oxígeno que inhalan reacciona con los alimentos ricos en carbono que han ingerido. El dióxido de carbono también se libera cuando la materia orgánica se quema (incluidos los combustibles fósiles como el petróleo o el gas). El dióxido de carbono actúa como gas de efecto invernadero, atrapando el calor en la atmósfera terrestre. Las plantas convierten el dióxido de carbono en oxígeno durante la fotosíntesis, el proceso que utilizan para producir su propia comida.

químico Sustancia formada por dos o más átomos que se unen (enlazan) en una proporción y estructura fijas. Por ejemplo, el agua es una sustancia química que se produce cuando dos átomos de hidrógeno se unen a un átomo de oxígeno. Su fórmula química es H2O. Chemical también puede ser un adjetivo para describir las propiedades de los materiales que son el resultado de varias reacciones entre diferentes compuestos.

química The field of science that deals with the composition, structure and properties of substances and how they interact. Scientists use this knowledge to study unfamiliar substances, to reproduce large quantities of useful substances or to design and create new and useful substances. (about compounds) Chemistry also is used as a term to refer to the recipe of a compound, the way it’s produced or some of its properties. People who work in this field are known as chemists.

clima The weather conditions that typically exist in one area, in general, or over a long period.

cambio climático Long-term, significant change in the climate of Earth. It can happen naturally or in response to human activities, including the burning of fossil fuels and clearing of forests.

colega Alguien que trabaja con otro compañero de trabajo o miembro del equipo.

coral Marine animals that often produce a hard and stony exoskeleton and tend to live on reefs (the exoskeletons of dead ancestor corals).

denizen The inhabitant of a particular environment.

disolver To turn a solid into a liquid and disperse it into that starting liquid. (For instance, sugar or salt crystals, which are solids, will dissolve into water. Now the crystals are gone and the solution is a fully dispersed mix of the liquid form of the sugar or salt in water.)

huevo The unfertilized reproductive cell made by females.

ecuador An imaginary line around Earth that divides Earth into the Northern and Southern Hemispheres.

factor Something that plays a role in a particular condition or event a contributor.

filter feeder A water-dwelling animal that collects its nutrients or prey by filtering them out of the water. Some of the best known examples are bivalves, such as clams and mussels. But some whales use long plates of baleen to essentially do the same thing. They suck in water and then use their filtering structures to catch and retain edible materials that had been in the water.

Great Barrier Reef Some 2,300 kilometers (1,430 miles) long, this natural coral habitat is the largest living structure on Earth. In coastal waters off of northeastern Australia, It’s big enough to see from space. It’s home to some 3,000 coral reefs, 600 islands, and hundreds of types of 600 types corals, more jellyfish, mollusks, worms and fish. It’s also patrolled by more than 30 species of whales and dolphins.

greenhouse gas A gas that contributes to the greenhouse effect by absorbing heat. Carbon dioxide is one example of a greenhouse gas.

hidrógeno The lightest element in the universe. Como gas, es incoloro, inodoro y muy inflamable. Es una parte integral de muchos combustibles, grasas y sustancias químicas que forman los tejidos vivos. Está hecho de un solo protón (que le sirve de núcleo) orbitado por un solo electrón.

hipótesis (v. hypothesize) A proposed explanation for a phenomenon. En ciencia, una hipótesis es una idea que debe probarse rigurosamente antes de ser aceptada o rechazada.

Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático, or IPCC. This international group keeps tabs on the newest published research on climate and on how ecosystems are responding to it. The United Nations Environment Programme and the World Meteorological Organization jointly created the IPCC in 1988. Their aim was to provide the world with a clear scientific view on the current state of knowledge in climate change and its potential environmental and social impacts.

ion (adj. ionized) An atom or molecule with an electric charge due to the loss or gain of one or more electrons. An ionized gas, or plasma, is where all of the electrons have been separated from their parent atoms.

isoformas Different proteins that work in similar ways and whose structures are very similar, but not identical. These proteins are formed from the same basic set of genetic instructions, but using a somewhat different subset of those instructions. This produces a set of proteins that use the same portions of a cell’s DNA to perform different jobs.

isótopo Different forms of an element that vary somewhat in mass (and potentially in lifetime). All have the same number of protons in their nucleus, but different numbers of neutrons.

larva (plural: larvas) An immature life stage of an insect, which often has a distinctly different form as an adult. (Sometimes used to describe such a stage in the development of fish, frogs and other animals.)

logarithm (adj. logarithmic) The power (or exponent) to which one base number must be raised — multiplied by itself — to produce another number. For instance, in the base 10 system, 10 must be multiplied by 10 to produce 100. So the logarithm of 100, in a base 10 system, is 2. In base 10, the logarithm of 1,000 would be 3, the log of 10,000 would be 4, and so on.

marina Having to do with the ocean world or environment.

marine biologist A scientist who studies creatures that live in ocean water, from bacteria and shellfish to kelp and whales.

molécula Grupo de átomos eléctricamente neutro que representa la menor cantidad posible de un compuesto químico. Las moléculas pueden estar formadas por tipos únicos de átomos o de diferentes tipos. Por ejemplo, el oxígeno del aire está formado por dos átomos de oxígeno (O2), pero el agua está formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno (H2O).

moluscos Soft-bodied invertebrate animals that usually live in water and develop a hard protective shell. Examples include snails, shellfish (like clams and oysters), slugs, octopuses and squids.

monitor Para probar, probar o ver algo, especialmente de forma regular o continua.

organismo Cualquier ser vivo, desde elefantes y plantas hasta bacterias y otros tipos de vida unicelular.

oxígeno Un gas que constituye aproximadamente el 21 por ciento de la atmósfera terrestre. Todos los animales y muchos microorganismos necesitan oxígeno para impulsar su crecimiento (y metabolismo).

pH A measure of a solution’s acidity or alkalinity. A pH of 7 is perfectly neutral. Acids have a pH lower than 7 the farther from 7, the stronger the acid. Alkaline solutions, called bases, have a pH higher than 7 again, the farther above 7, the stronger the base.

fenómeno Something that is surprising or unusual.

photosynthesis (verbo: fotosintetizar) Proceso mediante el cual las plantas verdes y algunos otros organismos utilizan la luz solar para producir alimentos a partir de dióxido de carbono y agua.

plankton A small organism that drifts or floats in the sea. Depending on the species, plankton range from microscopic sizes to organisms about the size of a flea. Some are tiny animals. Others are plantlike organisms. Although individual plankton are very small, they form massive colonies, numbering in the billions. The largest animal in the world, the blue whale, lives on plankton.

predator (adjective: predatory) A creature that preys on other animals for most or all of its food.

arrecife A ridge of rock, coral or sand. It rises up from the seafloor and may come to just above or just under the water’s surface.

riesgo The chance or mathematical likelihood that some bad thing might happen. For instance, exposure to radiation poses a risk of cancer. Or the hazard — or peril — itself. (For instance: Among cancer risks that the people faced were radiation and drinking water tainted with arsenic.)

salt A compound made by combining an acid with a base (in a reaction that also creates water). The ocean contains many different salts — collectively called “sea salt.” Common table salt is a made of sodium and chlorine.

mar An ocean (or region that is part of an ocean). Unlike lakes and streams, seawater — or ocean water — is salty.

seagrass The name is a misnomer because these are not grasses, but flowering underwater plants. Like land plants, seagrasses use photosynthesis to power the production of food and the release of oxygen. Some 60 different species can be found around the world. How deeply they can grow tends to depend on how clear the water is, and therefore how far down the sunlight can penetrate.

seawater The salty water found in oceans.

sedimento Material (such as stones and sand) deposited by water, wind or glaciers.

sodio A soft, silvery metallic element that will interact explosively when added to water. It is also a basic building block of table salt (a molecule of which consists of one atom of sodium and one atom of chlorine: NaCl). It is also found in sea salt.

hidróxido de sodio A chemical that is used in the production of paper and soap. It is used to make solutions more basic (alkaline).

solución A liquid in which one chemical has been dissolved into another.

spawn To quickly cause something to come into being. (in biology) To release or fertilize eggs in an aquatic environment.

especies A group of similar organisms capable of producing offspring that can survive and reproduce.

esperma The reproductive cell produced by a male animal (or, in plants, produced by male organs). When one joins with an egg, the sperm cell initiates fertilization. This is the first step in creating a new organism.

estrella de mar A type of sea creature that is shaped like a star. Starfish, also known as sea stars, are not true fish. They are related to sand dollars, sea urchins and sea cucumbers.

estrés (in biology) A factor — such as unusual temperatures, movements, moisture or pollution — that affects the health of a species or ecosystem.

Gales One of the three components of Great Britain (the other two being England and Scotland. It’s also part of the United Kingdom (whose other members include England, Scotland and Northern Ireland).

Citas

Diario: S.M. Sosdian et al. Constraining the evolution of Neogene ocean carbonate chemistry using the boron isotope pH proxy. Cartas de ciencia terrestre y planetaria. Vol. 498. Published online September 15, 2018. doi: 10.1016/j.epsl.2018.06.017.

Diario: L.M. Parker et al. Ocean acidification but not warming alters sex determination in the Sydney rock oyster, Saccostrea glomerata. Proceedings of the Royal Society: B. Vol. 285. Published online February 14, 2018. doi: 10.1098/rspb.2017.2869.

Diario: R. Albright et al. Carbon dioxide addition to coral reef waters suppresses net community calcification. Naturaleza. Vol. 555. Published online March 14, 2018. doi: 10.1038/nature25968.

Diario: N.J. Silbiger and C.J.B. Sorte. Biophysical feedbacks mediate carbonate chemistry in coastal ecosystems across spatiotemporal gradients. Informes científicos. Vol. 8. Published online January 15, 2018. doi: 10.1038/s41598-017-18736-6.

Diario: T.G. Evans et al. Transcriptomic responses to seawater acidification among sea urchin populations inhabiting a natural pH mosaic. Ecología molecular. Vol. 26. Published online January 31, 2017. doi: 10.1111/mec.14038.

Diario: T.A. Courtney et al. Environmental controls on modern scleractinian coral and reef-scale calcification. Avances de la ciencia. Vol. 3. Published online November 8, 2017. doi: 10.1126/sciadv.1701356.

Diario: L. Kwiatkowski et al. Nighttime dissolution in a temperate coastal ocean ecosystem increases under acidification. Informes científicos. Vol. 6. Published online March 18, 2016. doi: 10.1038/srep22984.

Diario: R. Albright et al. Reversal of ocean acidification enhances net coral reef calcification. Naturaleza. Vol. 531. Published online March 17, 2016. doi: 10.1038/nature17155.

Diario: E.B. Rivest and G.E. Hofmann. Responses of the metabolism of the larvae of Pocillopora damicornis to ocean acidification and warming. MÁS UNO. Vol. 9. Published online April 25, 2014. doi: 10.1371/journal.pone.0096172.

Acerca de Bethany Brookshire

Bethany Brookshire fue escritora durante mucho tiempo en Noticias científicas para estudiantes. Tiene un doctorado. en fisiología y farmacología y le gusta escribir sobre neurociencia, biología, clima y más. Ella cree que los Porgs son una especie invasora.

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Marine Life Can Resist Ocean Acidification by Modifying Shell-Building Process at the Nanoscale

Some of the most important and diverse animals in the ocean are shell-builders, which produce calcareous shells for both growth and protection. Therefore, the process of shell production (i.e. calcification) is fundamental to maintaining their populations and hence functioning of marine ecosystems. However, with the ocean becoming more acidic due to ever-increasing carbon dioxide (CO2) emissions, the fitness and survival of shell-builders in the future have raised concerns. Based on the results of laboratory-based research, ocean acidification has been shown to reduce their shell-building capacity, weaken the mechanical strength of their shells, or hinder their population growth and survival. Nevertheless, growing evidence from the natural environments reveals that some shell-builders appear to be capable of resisting the “corrosive” effect of acidified seawater on their shells. Understanding how they can maintain their shell-building capacity in the future acidifying ocean becomes increasingly important in marine research.

Calcareous shells are primarily made up of calcium carbonate minerals and typically arranged in hierarchical structures. Unlike manufactured materials with known mechanical strength, the mechanical strength of calcareous shells can vary, subject possibly to the atomic arrangement of the calcium carbonate crystals – the building blocks. As such, the mechanical strength may be determined by the thickness and package of the carbonate crystals as well as how their nanoscale arrangements adjust to the changing environmental conditions. It is worth noting that the effects of ocean acidification also depend on the ecological and evolutionary processes that influence the adaptive mechanisms initiated by shell-builders to modify their shell-building process and leverage on the short-term negative effects. The adaptive mechanisms include adjusting the shell structural properties and packing of the calcium carbonate crystals to build durable shells.

Herein, the researchers in the University of Adelaide, Australia: Dr. Jonathan Leung, Dr. Yujie Chen, Prof. Ivan Nagelkerken, Prof. Zonghan Xie and Prof. Sean Connell, in collaboration with Prof. Sam Zhang from Southwest University, studied the response of the abundant calcifying marine snails (Eatoniella mortoni) to ocean acidification and whether they can adaptively modify their shell structural properties. This particular snail is ideal for the research objective because of its ability to inhabit natural CO2-acidified environments for multiple generations. The work is published in the research journal, Pequeña.

In their approach, the natural CO2 vents at the western Pacific were utilized. To test for any limits of structural plasticity (i.e. adaptive modifications of shell structures) to acidified seawater, the marine snails were collected across the pH gradients that represent the contemporary conditions (pH 8.1), predicted future conditions in the year 2100 (pH 7.8) and extremely acidified environment (pH 6.6). The researchers correlated the shell properties, including porosity, nanotwin thickness and organic matter content, with mechanical performance to evaluate the adjustability of the marine snails to ocean acidification.

Results showed that the marine snails were able to adaptively modify the building block of their shells to build mechanically stronger and more resilient shells under the predicted future conditions, compared to contemporary conditions. The shells were characterized by increased resistance to fracture, which was associated with reduced porosity, reduced nanotwin thickness and increased organic matter content. However, the shells became more fragile with increased porosity in the extremely acidified environment, probably attributed to the excessive corrosion by the highly acidified seawater.

In summary, the authors are the first to report the nanoscale adjustments of shell structures as part of the adaptive mechanisms exhibited by shell-builders to maintain the mechanical performance of their shells under near-future ocean acidification. The results provided critical insights into why some shell-builders may thrive in natural CO2-acidified environments. Nevertheless, the adaptive capacity of the snails had a limit as they failed to build durable and mechanically resilient shells under extreme levels of acidification. With continuous human-caused environmental changes, the information provided in this study would advance research on the adaptive responses among other shell-builders, such as corals, mussels, oysters and sea urchins. Particularly, authors explained their findings would pave the way for further understanding of the molecular adaptation of marine animals to the future acidifying ocean.

Sobre el Autor

Jonathan Y.S. Leung received his PhD degree from the University of Adelaide, Australia in 2018 and was awarded Dean’s Commendation for Doctoral Thesis Excellence. He currently works as a postdoctoral research fellow at Southwest University in China in collaboration with the University of Adelaide. His recent research focuses on how ocean acidification and warming affect the fitness and survival of marine organisms as well as their adaptation from the perspectives of physiology, geochemistry and materials science. Apart from marine biology, he is also interested in environmental chemistry to understand how anthropogenic pollutants, such as heavy metals, persistent organic pollutants and microplastics, impact human and ecosystem health.

Sobre el Autor

Yujie Chen obtained her BEng degree (first class honours) in 2011 and PhD degree in Materials Science in 2016 from the University of Sydney. Upon completion of her PhD degree, she was employed as a postdoctoral research fellow in the School of Mechanical Engineering at the University of Adelaide in Australia. She is currently a postdoctoral research fellow at Southwest University in China. Her current research involves microstructure optimization and mechanical properties enhancement of alloys and calcified tissues.

Sobre el Autor

Ivan Nagelkerken is a professor in marine ecology working in temperate and tropical coastal ecosystems, with a special focus on fishes. Over the past decade, he has examined how ecosystem connectivity affects the functioning and resilience of tropical coastal ecosystems, including coral reefs, seagrasses and mangroves. Most of this work has been conducted in the Caribbean, Eastern Africa and Australia. He held a Future Fellowship awarded by the Australian Research Council to study the effects of climate change on fishes and marine ecosystems, and he currently continues to work on this research field.

Most of his climate change research is performed in Australia and New Zealand. His work contributes directly to today’s environmental issues by providing answers to contemporary scientific questions as well as management and conservation related problems.

Sobre el Autor

Zonghan Xie is a professor in the School of Materials Science and Surface Engineering at the University of Adelaide, Australia. He received his PhD degree in Ceramic Engineering from the University of New South Wales, Australia in 2004. In the same year, he was awarded the Australian Postdoctoral Fellowship and conducted research on engineering coatings. Later, he worked as a research fellow at the University of Sydney and the Centre for Integrated Nanotechnologies of the Los Alamos National Laboratory (NM, USA) before returning to Australia in 2008 to establish and lead a materials research group at a regional university in Western Australia. He joined the University of Adelaide in 2012. His current research involves metallurgical coatings, high-strength alloys and calcified tissues.

Sobre el Autor

Professor Sam Zhang (FRSC, FTFS, FIoMMM) earned his PhD degree in Ceramics in 1991 from the University of Wisconsin-Madison, USA. He was a tenured full professor at Nanyang Technological University, Singapore. In January 2018, he joined the School of Materials and Energy at Southwest University in China. He is the founder and director of the Centre for Advanced Thin Films and Devices at Southwest University (http://fmae.swu.edu.cn/s/fmaenew/yjzx/).

His research includes energy films and coatings, biological materials and hard coatings. He has published 13 books and over 360 peer-reviewed international journal papers (h-index: 54 as at April 2021 https://publons.com/researcher/2817766/sam-zhang/). His book “Materials Characterization Techniques” has been adopted by more than 30 American and European universities as a core textbook. His two new books “Protective Thin Coatings” (CRC: 380678) and “Functional Thin Films” (CRC: 380678) are currently in press at CRC Press.

Sobre el Autor

Sean D. Connell is a professor in the School of Biological Sciences at the University of Adelaide. He received his PhD degree from the University of Sydney. As a biologist, his work involves testing biological responses to environmental change at nano-scales through to continental-scales. His work has led to improved government policies that restore coastal water quality and restore extinct ecosystems. This work has been recognised by Queen Elizabeth II Fellowship and Future Fellowship (Australian Research Council) and national awards.

Leung, J., Chen, Y., Nagelkerken, I., Zhang, S., Xie, Z., & Connell, S. (2020). Calcifiers can Adjust Shell Building at the Nanoscale to Resist Ocean Acidification. Small, 16(37), 2003186.


Calcium Carbonate

Calcio carbonate, CaCO3, is one of the most common compounds on tierra, making up about 7% of Earth's crust. It occurs in a wide variety of mineral forms, including limestone, marble, travertine, and chalk. Calcium carbonate also occurs combined with magnesium as the mineral dolomite, CaMg(CO3)2. Stalactites and stalagmites in caves are made of calcium carbonate. Una variedad de animal products are also made primarily of calcium carbonate, notably coral, sea shells, egg shells, and pearls.

Calcium carbonate has two major crystalline formstwo different geometric arrangements of the calcium ions and carbonate ions that make up the compound. These two forms are called aragonite and calcite. All calcium carbonate minerales are conglomerations of various-sized crystals of these two forms, packed together in different ways and containing various impurities. The large, transparent crystals known as Iceland spar, however, are pure calcite.

In its pure form, calcium carbonate is a white powder with a specific gravity of 2.71 in the calcite form or 2.93 in the aragonite form. When heated, it decomposes into calcium oxide (CaO) and dióxido de carbono gas (CO2). It also reacts vigorously with acids to release a froth of carbón dioxide bubbles. It is said that Cleopatra, to show her extravagance, dissolved pearls in vinegar (ácido acético).

Every year in the United States alone, tens of millions of tons of limestone are dug, cut, or blasted out of huge deposits in Indiana and elsewhere. It is used mostly for buildings and highways and in the manufacture of acero, where it is used to remove silica (silicon dioxide) and other impurities in the planchar ore the calcium carbonate decomposes to calcium oxide in the calor of the furnace, and the calcium oxide reacts with the silica to form calcium silicates (slag), which float on the molten iron and can be skimmed off.

Deposits of calcium carbonate can be formed in the oceans when calcium ions dissolved from other minerals react with dissolved carbon dioxide (carbonic acid, H2CO3). The resulting calcium carbonate is quite insoluble in agua and sinks to the bottom.

However, most of the calcium carbonate deposits that we find today were formed by sea creatures millions of years ago when oceans covered much of what is now land. From the calcium ions and carbon dioxide in the oceans, they manufactured shells and skeletons of calcium carbonate, just as clams, oysters, and corals still do today. When these animals die, their shells settle on the sea floor where, long after the seas have gone, we now find them compressed into thick deposits of limestone. The White Cliffs of Dover in England are chalk, a soft, white porous form of limestone made from the shells of microscopic sea creatures called Foraminifera that lived about 136 million years ago. Blackboard "chalk" isn't made of chalk it is mostly gypsum, CaSO4.

In pearls&mdashwhich moluscos make out of their shell-building material when they are irritated by a foreign body in their flesh&mdashand in sea shells, the individual CaCO3crystals are invisibly small, even under a microscopio. But they are laid down in such a perfect order that the result is smooth, hard, shiny, and sometimes even iridescent, as in the rainbow colors of abalone shells. In many cases, the mollusk makes its shell by laying down alternating layers: calcite, aragonite, calcite, aragonite, and so on. This gives the shell great strength, as in a sheet of plywood where the grain of the alternating madera layers runs in crossed directions.


What is ocean acidification?

Limacina helicina, a free-swimming planktonic snail. These snails, known as pteropods, form a calcium carbonate shell and are an important food source in many marine food webs. As levels of dissolved carbon dioxide in seawater rise, skeletal growth rates of pteropods and other calcium-secreting organisms will be reduced due to the effects of dissolved carbon dioxide on ocean acidity. Image courtesy of Russ Hopcroft, UAF/NOAA. Download image (jpg, 38 KB).

For many years, carbon dioxide (CO2) in Earth’s atmosphere has been increasing. Regardless of the reasons for this increase, the ocean is a “sink” for CO2, so as levels of atmospheric CO2 have increased, dissolved carbon dioxide in the ocean has increased as well.

Cuando CO2 is absorbed by seawater, chemical reactions occur that reduce seawater pH, carbonate ion concentration, and saturation states of biologically important calcium carbonate minerals. These chemical reactions are termed "ocean acidification."

Calcium carbonate minerals are an important building block for the skeletons and shells of many marine organisms. Decreases in carbonate ions can make building and maintaining shells and other calcium carbonate structures difficult for calcifying organisms such as oysters, clams, sea urchins, shallow water corals, deep-sea corals, and calcareous plankton.

Changes in ocean chemistry can affect the behavior of non-calcifying organisms as well. For example, the ability of certain fish, like pollock, to detect predators is decreased in more acidic waters, and recent studies have shown that decreased pH levels also affect the ability of larval clownfish to locate suitable habitat.

Ocean acidification is currently affecting all ocean areas, including coastal estuaries and waterways. As the pace of ocean acidification accelerates, scientists, resource managers, and policymakers continue to recognize the urgent need to strengthen science as a basis for sound decision making and action.


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