Una revolución en el estudio del suelo trastoca la lucha contra el cambio climático

“Para que nuestros ríos lleguen sanos al mar”

El Cambio Climático

• Desde hace años, los modelos climáticos y los planes de captura de carbono se han estado basando en cierta suposición sobre las propiedades del suelo. Ahora, esa suposición se ha demostrado errónea.

Una cucharada de café de suelo sano contiene más bacterias, hongos y otros microbios que seres humanos hay en la Tierra. Esos hambrientos organismos pueden hacer que sea difícil almacenar carbono en el suelo durante largos períodos de tiempo [Catherine Ulitsky].

La esperanza era que el suelo nos salvase. Como la civilización no para de arrojar cantidades siempre mayores de dióxido de carbono a la atmósfera, las plantas, las depuradoras del carbono en la naturaleza, quizá podrían recolectar parte de ese exceso de carbono y enterrarlo bajo tierra durante siglos, o más tiempo aún.

Esta esperanza ha alimentado planes cada vez más ambiciosos para la mitigación del cambio climático. Unos investigadores del Instituto Salk, por ejemplo, esperan someter plantas a bioingeniería para que sus raíces generen cantidades enormes de una sustancia rica en carbono y componente del corcho, la suberina. Aun tras la muerte de la planta, el carbono de la suberina seguiría enterrado en esta, según se supone en el plan, durante siglos. Esta Iniciativa del Aprovechamiento de las Plantas es seguramente la más brillante estrella de un abarrotado firmamento de soluciones contra el cambio climático basadas en esa sustancia parda que está bajo nuestros pies.

A planes así les es esencial la existencia de moléculas grandes, estables, ricas en carbono que duren cientos o miles de años bajo tierra. Estas moléculas, llamadas colectivamente humus, son desde hace mucho una piedra angular de la ciencia del suelo: tanto grandes métodos agrarios como sofisticados modelos climáticos se basan en ellas.

Pero en los últimos diez años, más o menos, la ciencia del suelo ha experimentado una revolución callada, análoga a lo que sería para la física que cayesen la relatividad o la mecánica cuántica. Solo que en este caso casi nadie se ha enterado, incluyendo a muchos que tienen la esperanza de que los suelos rescaten el clima. «Hay mucha gente que siente interés por el secuestro del carbono a la que no le ha llegado todavía», dice Margaret Torn, científica del suelo del Laboratorio Nacional Lawrence en Berkeley.

Una nueva generación de estudios del suelo, potenciados por las técnicas de creación de imágenes y los microscopios modernos, han descubierto que, sea como sea el humus, no es la sustancia de larga duración que se creía que era. Los investigadores del suelo han llegado a la conclusión de que los abundantes y voraces microbios del suelo devoran deprisa hasta las moléculas más complejas y de mayor tamaño. Puede que no exista la molécula mágica que se clava en el suelo y de la que se espera que perdure en él.

Imágenes de suelos de la isla de Hawái obtenidas con microscopio electrónico de barrido, artificialmente coloreadas [Thiago Inagaki, en colaboración con Lena Kourkoutis, Angela Possinger y Johannes Lehmann].

«Tengo delante de mí The Nature and Properties of Soils [La naturaleza y propiedades de los suelos], el manual estándar», dice Gregg Sanford, investigador del suelo de la Universidad de Wisconsin, Madison. «Se ha demostrado que la teoría de la acumulación orgánica de carbono en el suelo que se explica en este libro de texto es en su mayor parte falsa... y sin embargo seguimos enseñándola».

 Las consecuencias llegan más allá de las estrategias de secuestro del carbono. Los principales modelos climáticos, como los presentados por el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático, se basan en esa forma desfasada de entender el suelo. Varios estudios recientes indican que estos modelos subestiman la cantidad total de carbono que el suelo desprenderá en un clima que se calienta. Además, es probable que los modelos por ordenador que predicen los efectos de los gases de invernadero en los procedimientos agrícolas, predicciones que se usan en los mercados de carbono, sean demasiado optimistas por lo que se refiere a la capacidad del suelo de atrapar y retener carbono.

Puede que todavía sea posible almacenar carbono bajo el suelo a largo plazo. En efecto, las mediciones de la datación radiactiva señalan que alguna cantidad de carbono permanece en él durante siglos. Pero mientras no creen los científicos del suelo un paradigma que sustituya al antiguo, lo que está ahora en marcha, no se sabrá del todo por qué.

La muerte del humus

El suelo no revela sus secretos fácilmente. Sus constituyentes son diminutos, variados y monstruosamente numerosos. Como muy poco, lo forman minerales, materia orgánica en descomposición, aire, agua y unos ecosistemas enormemente complejos de microorganismos. Una cucharada de café de suelo sano contiene más bacterias, hongos y otros microbios que seres humanos hay en la Tierra. 

Los finos pelos que rodean las raíces están cubiertos de bacterias hambrientas; los suelos que están un poco más lejos de las raíces pueden tener un orden de magnitud menos de microbios [por cortesía de Jennifer Pett-Ridge y Erin Nuccio].

El biólogo alemán Franz Karl Achard fue uno de los primeros en darle algún sentido al caos. En un estudio de 1786 que abriría camino, extrajo de suelos cenagosos con alcalíes moléculas compuestas por largas cadenas de carbonos. A lo largo de los siglos siguientes, los científicos acabaron por creer que esas cadenas largas, colectivamente llamadas humus, constituían un gran depósito de carbono en el suelo que se resiste a la descomposición y perdura ahí. De una pequeña fracción, formada por moléculas de menor tamaño, se creía que servía de alimento para los microbios, que con su respiración enviaban dióxido de carbono hacia la atmósfera.

De vez en cuando se puso en entredicho la idea, pero para mediados de del siglo XX al paradigma del humus «ya no había quien le tosiese», dice Johannes Lehmann, científico del suelo de la Universidad Cornell. A los agricultores se les enseñaban métodos que se suponía que formaban humus. En realidad, la existencia del humus es seguramente uno de los pocos hechos de la ciencia del suelo que los profanos pueden citar.

Fue la física la que liberó a la ciencia del suelo del imperio del humus. En la segunda mitad del siglo XX, gracias a nuevos microscopios y nuevas técnicas muy potentes, como la resonancia magnética nuclear y la espectroscopía de rayos X, pudieron los científicos del suelo por primera vez mirar directamente en este y ver qué hay en él en vez de sacar de él cosas y observarlas entonces.

«No vemos en el suelo moléculas tan 'recalcitrantes'», como se dice en estas especialidades, «que no se pueda descomponerlas», dice Jennifer Pett-Ridge, científica del suelo del Laboratorio Nacional Lawrence en Livermore. «Los microbios aprenderán a descomponer lo que sea, hasta sustancias químicas bien desagradables».

Lehamann, cuyos estudios, que usan microscopía y espectroscopía avanzadas, fueron de los primeros en revelar la ausencia de humus, se ha convertido en el debelador mayor del concepto. Un artículo publicado en Nature en 2015 del que fue coautor dice que «las pruebas con que se cuenta no avalan la formación de 'sustancias húmicas' persistentes y de gran tamaño molecular». En 2019 dio una conferencia en la que presentaba una diapositiva que anunciaba de broma la muerte de «nuestro amiga, la noción de humus».

A lo largo de los últimos diez años, más o menos, la mayoría de los científicos del suelo han acabado por aceptar esta forma de ver. Sí, el suelo es enormemente variado. Y contiene mucho carbono. Pero no hay carbono en el suelo que, en principio, no pueda ser descompuesto por microorganismos y liberado en la atmósfera. La última edición de The Nature and Properties of Soils, publicada en 2016, cita el artículo de Lehmann de 2015 y admite que «nuestro conocimiento de la naturaleza y génesis del humus del suelo ha avanzado mucho desde el cambio de siglo, y de tal forma que exige que se revisen o abandonen algunas ideas que se daban por buenas desde hace mucho».

Las viejas ideas, sin embargo, sí pueden ser muy recalcitrantes. Fuera del campo de la ciencia del suelo, pocos han oído hablar del fallecimiento del humus.

Promesas enterradas

Al mismo tiempo que los científicos del suelo redescubrían qué es exactamente el suelo, los climatólogos estaban haciendo saber que las  cantidades cada vez mayores de dióxido de carbono en la atmósfera calentaban rápidamente el clima, con consecuencias que podían ser catastróficas.

Se pensó enseguida en usar el suelo como un gigantesco sumidero de carbono. Los suelos contienen cantidades enormes de carbono: mayores que las de la atmósfera y la vegetación juntas. Y si bien algunas prácticas, como arar, pueden agitar el carbono y sacarlo afuera (la agricultura, a lo largo de la historia humana, ha liberado en la atmósfera, se calcula, 133.000 millones de toneladas de carbono), los suelos también pueden absorber carbono, cuando las plantas mueren y sus raíces se descomponen

Hay procedimientos agrícolas, arar por ejemplo, que reducen la cantidad de carbono almacenada en el suelo [Helena].

Hay científicos que están sugiriendo ya que se reintroduzcan grandes volúmenes de carbono atmosférico en el suelo para amortiguar, revertir incluso, el daño causado por el calentamiento global.

En la práctica, se ha visto que es difícil. Una de las primeras ideas para aumentar el almacenaje de carbono (plantar vegetales sin labrar el suelo) se ha quedado casi en nada. Cuando los agricultores dejaban de labrar y en vez de ello inyectaban las semillas en el suelo, el almacenamiento de carbono aumentaba en las capas superiores del suelo pero desaparecía de las inferiores. La mayoría de los expertos creen ahora que ese procedimiento redistribuye el carbono dentro del suelo en vez de aumentarlo, si bien mejora otros factores, como la calidad y salud del suelo.

Empeños como la Iniciativa del Aprovechamiento de las Plantas representan una especie de secuestro del carbono 2.0: una intervención más directa encaminada a meter más carbono en el suelo.

La Iniciativa nació cuando a unos científicos del Instituto Salk se les ocurrió esta idea: crear plantas cuyas raíces produzcan en exceso moléculas ricas en carbono. Si se las plantase en cantidad suficiente, secuestrarían, según sus cálculos, hasta un 20 por ciento del dióxido de carbono de más que los seres humanos añaden a la atmósfera al año.

Los científicos del Instituto Salk pensaron en una molécula compleja, componente principal del corcho, llamada suberina; la producen las raíces de muchas plantas. Estudios de las décadas de 1990 y 2000 dieron a entender que la suberina y moléculas similares podrían resisir la descomposición en el suelo.

Una micrografía obtenida con un microscopio electrónico de barrido de unas células de corcho suberinizadas [José Graça].

La Iniciativa del Aprovechamiento de las Plantas concitó una gran atención gracias a una mercadotecnia espectacular. Una ronda inicial de obtención de fondos sumó en 2019 35 millones de dólares. El año pasado, el multimilmillonario Jeff Bezos aportó, por medio de su «Fondo para la Tierra», 30 millones de dólares.

Pero el proyecto, en cuanto adquirió impulso, llamó la atención también de quienes lo ponían en duda. Un grupo de investigadores señaló en 2016 que nadie había observado de verdad el proceso de descomposición de la suberina. Cuando esos autores hicieron el experimentro pertinente, vieron que muy buena parte de la suberina se descomponía enseguida.

En 2019, Joanne Chory, genetista de vegetales y una de las directoras de proyecto de la Iniciativa, describía la idea en un congreso TED. Asmeret Asefaq Berhe, científica del suelo de la Universidad de California, Merced, que habló en el mismo congreso, le indicó a Chory que según la ciencia del suelo moderna la suberina, como cualquier compuesto de carbono, se descompondría en el suelo. (Berhe, que ha sido nominada para dirigir la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos, declinó ser entrevistada).

Al mismo tiempo aproximadamente, Hanna Poffenbarger, investigadora del suelo de la Universidad de Kentucky hizo un comentario similar tras escuchar en un seminario a Wolfgang Busch, el otro director del proyecto. «Habría que incorporar científicos del suelo porque la premisa de que se pueden crear raíces más recalcitrantes podría no ser válida», recuerda Poffenbarger que le dijo a Busch.

Las dudas sobre el proyecto volvieron a salir a luz a principios de este año cuando Jonathan Sanderman, científico del suelo del Centro de Investigaciones del Clima Woodwell, en Woods Hole, Massachusetts, escribió en un tuit esto: «creía que la comunidad de los biogeoquímicos del suelo había dejado atrás la idea de que hay un mágico compuesto vegetal que es recalcitrante. ¿Me he perdido nueva bibliografía importante sobre la suberina?». Otro científico del suelo respondió: «Nada, según la bibliografía la suberina se descompondrá como cualquier otro componente orgánico vegetal. No he entendido nunca por qué el @salkinstitute ha basado su Iniciativa del Aprovechamiento de las Plantas en esa premisa».

Busch, en una entrevista, reconoce que «no hay biomoléculas que no se descompongan». Pero, citando artículos publicados sobre la resistencia de la suberina a la descomposición, dice: «Seguimos siendo muy optimistas en lo que se refiere a la suberina».

«Se ha demostrado que la teoría de la acumulación orgánica de carbono en el suelo que se explica en este libro de texto es en su mayor parte falsa... y sin embargo seguimos enseñándola».
Gregg Sanford

Menciona también una segunda iniciativa que los investigadores del Instituto Salk han emprendido junto a la potenciación de la suberina. Intentan diseñar plantas con raíces más largas que puedan depositar el carbono más profundamente en el suelo. Expertos independientes, como Sanderman, coinciden en que el carbono tiende a permanecer más tiempo en las capas profundas del suelo, con lo que esa solución tendría unos fundamentos conceptuales más sólidos.

Chory y Busch han puesto en marcha también colaboraciones con Berhe y Poffenbarger, respectivamente. Poffenbarger, por ejemplo, analizará cómo cambian las muestras de suelo que contienen raíces de plantas ricas en suberina bajo diferentes condiciones ambientales. Pero ni siquiera estos estudios responderán las preguntas acerca de la durabilidad de la suberina, dice Poffenbarger, importantes si el objetivo es retener el carbono fuera de la atmósfera el tiempo suificiente para que haga mella en el calentamiento global.

Más allá del proyecto Salk, las energías y el dinero están corriendo hacia otros proyectos climáticos que se basan en el secuestro y almacenamiento a largo plazo del carbono en los suelos. En un discurso que pronunció ante el Congreso de Estados Unidos en abril, el presidente Biden propuso que se les pagase a los agricultores para que plantasen cultivos de cobertura, los que no se plantan para cosecharlos sino para que alimenten el suelo entre cultivos de plantas comerciales. Hay indicios de que, cuando las raíces de los cultivos de cobertura se descomponen, parte de su carbono se queda en el suelo, aunque, como pasa con la suberina, cuánto dura esa estancia es una cuestión pendiente.

Poca vida hay en los programas de ordenador

El carbono recalcitrante podría estar también distorsionando la predicción climática.
En la década de 1960 se empezaron a escribir largos y complejos programas de ordenador para predecir el futuro del clima del mundo. Como el suelo tanto toma como suelta dióxido de carbono, los modelos climáticos intentan tener en cuenta las interacciones del suelo con la atmósfera. Pero el clima mundial es inmensamente complejo, y para que los programas se pudiesen ejecutar en las máquinas de aquella época hubo que simplificar. En lo que se refería al suelo, la simplificación no fue pequeña: ignoraron los microbios del suelo por completo; lo que hicieron fue, en líneas generales, dividir el carbono del suelo en un depósito a corto plazo y otro a largo, conforme al paradigma del humus.

Generaciones más recientes de modelos, entre ellos los que usa el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático en sus muy leídos informes, son en esencia palimpsestos inscritos sobre los anteriores, dice Torn. Siguen suponiendo que el carbono del suelo está en depósitos de corto y de largo plazo. Como consecuencia, es posible que estén sobrestimando la cantidad de carbono retenida en los suelos y subestimando cuánto dióxido de carbono emiten.

El verano pasado se publicó en Nature un estudio que examinaba cuánto dióxido de carbono se liberaba cuando se calentaba artificialmente el suelo de una selva húmeda panameña; el propósito era imitar los efectos a largo plazo del cambio climático. Vieron que el suelo calentado emitía un 55 por ciento más de carbono que áreas cercanas a las que no se las había calentado. Era una liberación de carbono mucho mayor que la predicha por la mayoría de los modelos climáticos. Los investigadores creen que los microbios del suelo proliferan más activamente a temperaturas más altas y que esa es la razón del incremento.

El estudio fue especialmente descorazonador porque la mayor parte del carbono de los suelos mundiales está en los trópicos y en la zona boreal. Pese a ello, los modelos del suelo imperantes se calibran con los resultados de estudios del suelo en países de clima templado, en Estados Unidos, en Europa, donde se han realizado históricamente la mayoría de los estudios. «Lo estamos haciendo bastante mal en las latitudes altas y en los trópicos», dice Lehmann.

Hasta los modelos del clima templado tienen que mejorar. Torn y sus colaboradores han comunicado este mismo año que, al contrario de lo predicho, las capas profundas de suelo de un bosque de California desprendieron alrededor de un tercio de su carbono cuando se calentaron durante cinco años.

Ultimamente, dice Torn, los modelos tendrán que representar el suelo como algo que sea más parecido a lo que realmente es: un entorno complejo, tridimensional, gobernado por una comunidad hiperdiversa de bacterias, hongos y otros seres microscópicos que engullen carbono. Pero hasta pasos más modestos serían bienvenidos. Añadir los microbios como una sola clase sería ya un gran progreso para la mayoría de los modelos, dice.

Un fundamento fértil

Si el paradigma del humus está llegando a su final, la pregunta es: ¿qué lo va a reemplazar?

Parece que un factor importante que se ha estado pasando por alto sea la estructura tridimensional del ambiente constituido por el suelo. Los científicos describen el suelo como un mundo en sí mismo, con los equivalentes de los continentes, los océanos y las cordilleras. Esta compleja microgeografía determina adónde pueden ir y adónde no los microbios, sean bacterias, sean hongos; a qué alimentos pueden acceder y cuáles no están a su alcance.

Un experimento con microfluidos muestra cómo la materia orgánica, en verde, se adhiere a la arcilla. A la mitad del experimento se inyectó una enzima que permitió a las bacterias consumir el carbono [Andy Q. Wang].

Una bacteria del suelo «puede estar a solo diez micras de un gran pedazo de materia orgánica que le encantaría, estoy seguro, descomponer, pero está al otro lado de un cúmulo de minerales», cuenta Pett-Ridge. «Es, entiéndase al pie de la letra, como si estuviese al otro lado del planeta».

Otro ingrediente de un nuevo paradigma del suelo, relacionado con lo anterior pero mal conocido,  es el destino del carbono dentro del suelo. Los investigadores creen ahora que casi todo el material orgánico que entre en el suelo será digerido por los microbios. «Ahora está realmente claro que la materia orgánica del suelo es solo ese suelto ensamblado de materia vegetal en diversos grados de descomposición», dice Sanderman. Una parte será respirada y convertida en dióxido de carbono que acaba en la atmósfera. La que quede será comida por otro microbio, y por un tercero, y así sucesivamente. O podría quedar enlazada en un pedazo de arcilla o atrapada dentro del agregado del suelo: un poroso conglomerado de partículas que, desde el punto de vista de un microscopio, podría ser tan grande como una ciudad y tan impenetrable como una fortaleza. Los estudios de los isótopos del carbono han mostrado que puede permanecer mucho carbono en el suelo durante siglos, o más tiempo aún. Si el humus no es el que se encarga de esa estabilización, quizá sean minerales y agregados los que lo hacen.

Antes de que la ciencia del suelo se asiente en una nueva teoría, habrá, sin duda, más sorpresas. Puede que una sea la que ha ofrecido hace poco un grupo de investigadores de la Universidad de Princeton. Construyeron un suelo artificial simplificado con dispositivos de microfluidos (en líneas generales, unos diminutos canales de plástico por los que se mueven pequeñas cantidades de fluido y células). Encontraron que el carbono que introdujeron en un agregado hecho con pedacitos de arcilla estaba protegido de las bacterias, pero cuando añadieron una enzima digestiva el carbono se desprendió del agregado y fue engullido rápidamente. «Para nuestra sorpresa, nadie había deducido esa conexión entre las enzimas, las bacterias y el carbono atrapado», dice Howard Stone, el ingeniero que dirigió el estudio.

Lehmann está empeñado en que se reemplace la vieja dicotomía entre el carbono estable y el inestable con un «modelo continuo del suelo», con el carbono en progresivas fases de descomposición. Pero este modelo y otros parecidos distan de estar completos; en este momento, son más conceptuales que matemáticamente predictivos.

Los investigadores concuerdan en que la ciencia del suelo está en medio de un clásico cambio de paradigma. Lo que nadie sabe con exactitud es dónde acabará como disciplina, lo que se escribirá en la edición siguiente del manual. «Estamos atravesando una revolución conceptual», dice Mark Bradford, científico del suelo de la Universidad Yale. «Todavía no tenemos una catedral nueva. Tenemos un montón de iglesias que han ido brotando».

Gabriel Popkin / Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con el permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión pública de la ciencia.

Fuente:

Septiembre, 2021