UABDivulga - Barcelona recerca i innovació

Els éssers vius estan constituïts per àtoms de diversos elements anomenats bioelements. Els bioelements més abundants inclouen l'hidrogen (H) al 59%, l'oxigen (O) al 24%, el carboni (C) a l'11%, el nitrogen (N) al 4%, el fòsfor (P) a l'1%, i el sofre (S) al 0,1%–1% (els percentatges es basen en el nombre total d'àtoms dels organismes). Aquests elements formen les molècules bàsiques i les estructures macroorgàniques de tots els éssers vius i són els principals responsables de les funcions vitals. Juntament amb aquests sis bioelements, altres, com el potassi, el magnesi, el ferro, el sodi, el níquel, el coure, el silici, el calci, el molibdè, el manganès i el zinc, estan presents en concentracions més baixes, exercint funcions més específiques com a cofactors en reaccions catalítiques de processos bioquímics i fisiològics.

L'evolució de la vida ha anat acompanyada d'un control i influència creixents sobre el cicle d'aquests elements, que operen a diverses escales, des dels petits ecosistemes fins a la biosfera global. Estudis recents han observat que la composició elemental específica de cada espècie es pot relacionar amb la filogènia i la història evolutiva. El cicle i l'estat dels elements en el continu biosfera-hidrosfera-atmosfera s'han vinculat cada vegada més a la vida al llarg de la seva evolució al nostre planeta.

Tanmateix, un dels conceptes fonamentals en ecologia, el nínxol ecològic, ha rebut suport consistent a través de l'evidència del nínxol biogeoquímic. Aquest concepte es basa en la idea que cada grup o genotip taxonòmic té una composició elemental diferent, amb diferències que augmenten amb la distància taxonòmica i el temps evolutiu. Aquesta hipòtesi s'ha confirmat en plantes, animals i microbis, demostrant el vincle entre la composició elemental i les estructures morfològiques i funcions corresponents.

El nostre grup s’ha fixat en  aquests conceptes i descobriments recents per a obrir la porta a un nou enfocament per estudiar els ecosistemes, l'anomenada "ecologia atòmica". Aquest enfocament destaca la interconnexió entre la presència i disponibilitat d'àtoms essencials en ecosistemes diversos i trets ecològics fonamentals com la capacitat de producció, la composició d'espècies i l'estructura tròfica. D’aquesta manera, ens permet comprendre els conceptes bàsics de l’ecologia com ara el nínxol ecològic, la competència, la producció, les xarxes tròfiques o la diversitat.

La transició de la composició atòmica als principals temes ecològics implica diversos passos, des dels àtoms a les molècules, de les molècules a les funcions i estructures de l'organisme, dels organismes a les comunitats i les seves relacions amb el medi i els cicles dels elements. Diversos estudis han demostrat aquestes relacions, com per exemple l'estructura de l'ecosistema canvia totalment amb el canvi en la composició elemental dels medis (aigua i sòl), per exemple sota l'eutrofització humana.

Els avenços tecnològics afavoreixen aquest esforç, ja que les anàlisis elementals d'organismes, sòls i aigua són cada cop més accessibles i hi ha grans quantitats de dades i bases de dades disponibles per als científics. Tot i que existeixen limitacions inherents a causa dels efectes aleatoris i estocàstics en la composició atòmica de les molècules i macromolècules de la vida, observem una evolució paral·lela entre la divergència de trets funcionals, estructures morfològiques i canvis en l'ús i composició dels elements durant la diversificació genotípica i filogenètica. Aquesta evolució paral·lela és el resultat d'un bucle continu de retroalimentació que implica l'intercanvi d'elements entre els organismes i els seus entorns i en el que l'estabilitat i les propietats fisicoquímiques úniques dels bioelements ens permeten entendre els processos ecològics i les respostes dels organismes i ecosistemes als canvis ambientals.

_{Esquema de l'“ecologia atòmica”: identificació del paper dels àtoms en organismes i ecosistemes destacant les seves propietats, que inclouen la seva estructura tridimensional, polaritat d'enllaç, mida i disposició conformacional. L'enfocament en les composicions atòmiques facilita la comprensió de qüestions essencials sobre la funcionalitat i característiques de la biosfera.}