El océano se puede encender en un instante. Temperatura, pH, niveles de oxígeno y la salinidad puede variar drásticamente a lo largo de distancias de centímetros y dentro de lapsos de tiempo de minutos. Esa es la última visión revelada por las mediciones de miles de instrumentos anclados a las costas o unidos a flotadores, planeadores y barcos.
Sin embargo, muchas personas piensan en los océanos como un entorno relativamente constante. Esa idea podría haber surgido cuando los investigadores de la expedición HMS Challenger de 1872-76 rastrearon la temperatura y las corrientes del agua y bajaron los pesos para medir la profundidad en miles de sitios en los mares del mundo. La imagen global que surgió después de promediar estos datos fue de estabilidad, en la que se perdió cualquier variabilidad. Ciertamente, esa imagen fue reforzada por imágenes del siglo XX de la Tierra desde el espacio, mostrando el océano del mundo como un uniforme azul profundo.
"Como biólogos, podemos comenzar a aprovechar esta increíble tecnología que está saliendo del mundo físico".
La mayoría de los biólogos y ecologistas que intentan comprender cómo se ve afectada la biodiversidad oceánica por el cambio climático se centran en los promedios a gran escala en el espacio y el tiempo. Intentan predecir, por ejemplo, cómo un aumento medio de la temperatura global de 2 ° C podría afectar la vida marina, como las bacterias, el fitoplancton, los peces y otras criaturas. Para hacer esto, utilizan los cambios proyectados en la temperatura media del océano. Estos se basan en estimaciones de los satélites, que miden la temperatura de los primeros pocos milímetros de agua de mar.
Pero los organismos experimentan y responden a cambios locales en el "clima oceánico" que ocurren durante semanas, horas y minutos, en lugar de cambios en el clima per se, que se desarrollan a lo largo de años y décadas (aunque los cambios climáticos a largo plazo impulsan los cambios a corto plazo). Un puñado de estudios que intentan investigar cómo las condiciones físicas locales afectan a las especies (incluyendo el número de individuos y tipos de especies que se producen) están empezando a mostrar el valor de un enfoque más detallado.
Llamamos a los ecologistas a repensar sus modelos y experimentos. Esto les permitiría comenzar a vincular los cambios en la biodiversidad con los cambios en las condiciones a las escalas de espacio y tiempo que son relevantes para los organismos individuales.
Clima oceánico
Para obtener la imagen más detallada de las condiciones a lo largo de la superficie del océano y en profundidad, los científicos físicos están comenzando a combinar mediciones in situ de alta resolución de temperatura, salinidad, etc. con datos satelitales. La detección remota y la monitorización continua revelan un entorno altamente dinámico, incluso en los océanos abiertos y profundos.
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| Fuente: NOAA / NCEI World Ocean Database |
Por ejemplo, las corrientes circulares, o remolinos, ocurren a través del océano. Dependiendo de si giran en la misma dirección que la Tierra o contrarrestan, pueden proporcionar condiciones que son ricas o pobres en nutrientes, diferentes hábitats para diferentes fitoplancton y otros organismos.
Las corrientes que surgen de los remolinos se extienden entre 4.000 y 6.000 metros hacia el océano abisal, como "tormentas bentónicas". Estos resuspenden el sedimento del fondo marino, creando regiones ricas en nutrientes a profundidad. Del mismo modo, las mareas, las tormentas y las fuertes corrientes afectan la mezcla y el cambio de flotabilidad en toda la columna de agua, a través de escalas que van desde centímetros hasta algunos metros. Esto prepara el escenario para una variación considerable en la cantidad de fotosíntesis de la vida a través del espacio y el tiempo. Y eso afecta a las redes tróficas enteras.
Más cerca de la costa, la variabilidad es aún más dramática. La temperatura puede cambiar en más de 10 ° C en un ciclo de marea o cuando el viento desplaza el agua superficial y los pozos de agua fría desde abajo (afloramiento). Los niveles de oxígeno pueden oscilar entre 0% y 100%, y el pH puede cambiar en más de una unidad a medida que los microbios consumen oxígeno y a medida que el fitoplancton y las plantas lo generan. Los microsensores colocados cerca de organismos como los mejillones han revelado que los niveles de oxígeno, pH y carbono pueden ser muy variables, incluso en pequeñas escalas de menos de 1 milímetro. Los extremos de estas variables superan con creces las proyecciones hechas por el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático bajo varios escenarios para un planeta que se calienta
Fuerza de tormenta
¿Por qué los ecologistas generalmente ignoran el clima oceánico como una fuerza que da forma a la biodiversidad?
En nuestra experiencia, existe una percepción errónea entre los investigadores de que los cambios rápidos y altamente localizados son irrelevantes para comprender o predecir los cambios biológicos en los sistemas marinos. Los picos de temperatura y otras variables durante horas o minutos a menudo se descartan como "extremos" o "ruidosos". Sin embargo, una mayor barrera es obtener los datos relevantes en un formato accesible para los biólogos.
Las mediciones espaciales de la temperatura global han sido recolectadas por agencias espaciales como la NASA desde la década de 1980. Y hoy, los datos sobre las tendencias de temperatura, la lluvia, la nubosidad y otros fenómenos climáticos se pueden descargar fácilmente. Están disponibles en escalas cuadriculadas de decenas a cientos de kilómetros, y a menudo en resoluciones anuales o mensuales (ver, por ejemplo, https://data.nasa.gov ). También se encuentran disponibles datos promedios oceanográficos adaptados para cuestiones ecológicas de iniciativas como Bio-ORACLE , dirigido por un equipo de investigadores marinos en Bélgica, Portugal y Australia. Sin embargo, los datos generados por el monitoreo de alta resolución del océano son mucho más difíciles de acceder.
Tal monitoreo tiende a ser geográficamente limitado, y las encuestas más intensas se producen en aguas donde las naciones tienen intereses y acceso económicos. Incluso cuando se han recopilado los datos, muchos ecólogos no tienen las habilidades computacionales ni la infraestructura para almacenarlos y manipularlos. Cuando uno de nosotros (AEB) solicitó recientemente datos de un instituto nacional de oceanografía, por ejemplo, un oceanógrafo proporcionó un enlace a muchas carpetas. Cada carpeta contenía cientos de archivos de temperatura y otros datos recopilados de diferentes períodos de tiempo : un recurso demasiado extenso para descargar en una computadora estándar.
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| Foca del Mar de Weddell con un equipado con un sensor para medir la conductividad, la temperatura y la profundidad del océano. Crédito Dan Costa. |
Cambiar el rumbo
Este descuido del clima oceánico en teoría, el diseño experimental y el modelado están obstaculizando el progreso en al menos tres formas.
Las predicciones son incorrectas. Cuando los ecologistas intentan pronosticar el cambio mediante la ejecución de experimentos o el uso de modelos basados en simulación a escala macro, los parámetros físicos generalmente se representan mediante promedios. Tales esfuerzos pueden generar proyecciones demasiado catastróficas o excesivamente optimistas.
Los ecologistas generalmente están de acuerdo, por ejemplo, en que las especies marinas en los trópicos y polos serán más vulnerables a los efectos de un aumento en la temperatura de 2°C. Las especies tropicales ya están viviendo en los hábitats más cálidos del planeta, mientras que en los polos tienen otro lugar a donde ir. Pero los océanos no se están calentando uniformemente en los trópicos y polos. Algunas áreas incluso se están enfriando.
La heterogeneidad se pasa por alto. En general, la Tierra está perdiendo especies. Sin embargo, existen grandes diferencias en la tasa de pérdida a escala local; la biodiversidad incluso está aumentando en algunos lugares. Ciertas especies, poblaciones e individuos pueden adaptarse y adaptarse, y esto dará lugar a sorpresas. En 2017, cientos de encuestas en la Gran Barrera de Coral en Australia antes y después de un evento de blanqueamiento masivo revelaron una gran variabilidad en la respuesta de las especies de peces al calor extremo. Algunos grupos tróficos, como los herbívoros que raspan las algas, se volvieron menos comunes en los arrecifes más cálidos. Para otros, como los que se alimentan de plancton, las temperaturas más cálidas parecían beneficiar a las poblaciones.
Las oportunidades se pierden. Ignorar la variabilidad en los sistemas oceánicos podría limitar las estrategias de conservación y manejo. Por ejemplo, el concepto de refugios climáticos, donde las especies pueden protegerse de los efectos del cambio climático, se ha considerado para los paisajes terrestres más fríos como los valles de las montañas y los ríos. Sin embargo, la planificación espacial marina tiende a pasar por alto la posibilidad de que los sitios de refugio surjan, por ejemplo, del afloramiento de aguas más frías desde la profundidad, o de la sombra proporcionada por un arrecife de coral. Esto se debe en gran parte a que los ecologistas carecen de los datos a escala fina para establecer dónde existen posibles refugios.
La próxima ola
Cada avance en las ciencias físicas debería traducirse en mejoras en las predicciones de los ecologistas sobre el cambio en la biodiversidad. Los principales avances en la forma en que los científicos de la atmósfera y el clima entienden los procesos oceánicos se están desarrollando rápidamente como resultado de las mejoras en las tecnologías de monitoreo de los océanos, así como en los modelos climáticos.
Hacer progresos equivalentes en las ciencias de la vida, en conjunto, requerirá al menos tres cambios.
Aceptación.
Los ecologistas deben aceptar el hecho de que los océanos son variables y considerar con más cuidado las limitaciones y los sesgos inherentes a los datos físicos. Las temperaturas de la superficie del océano medidas por satélites, por ejemplo, arrojan poca luz sobre las condiciones de los organismos que viven en la profundidad.
En términos prácticos, esto significa incorporar variabilidad en modelos ecológicos y experimentos. Esto está empezando a suceder para los ecosistemas terrestres. En 2016, por ejemplo, los investigadores revelaron que las fluctuaciones diarias de la temperatura son un factor de predicción tan poderoso de los cambios en el rango geográfico de las ranas, lagartos y otros organismos como la variación estacional.
Computación de alto rendimiento.
Los ecologistas necesitan urgentemente formas de acceder y analizar datos de alta resolución sobre la variabilidad ambiental. Están acostumbrados a manejar megabytes de datos, pero necesitan poder manejar terabytes.
Actualmente, hay varias opciones para acceder a la informática de alto rendimiento. Los investigadores pueden solicitar becas de computación en la nube ofrecidas por Microsoft y Google. Y algunos países, como Canadá , ofrecen recursos en la nube y capacitación para permitir que las instituciones académicas adopten la investigación de grandes datos. La provisión de este tipo de infraestructura y soporte debe priorizarse de manera más amplia.
Diafonía y colaboración.
Se necesita mucho más diálogo entre ecologistas, fisiólogos y científicos del clima y los océanos para ayudar a comprender qué datos se requieren y en qué formatos. Por ejemplo, sDiv, el Centro de Síntesis de iDiv, el Centro Alemán para la Investigación Integral de la Biodiversidad en Leipzig, organiza talleres para fomentar la diafonía entre investigadores y poner en marcha nuevos enfoques. Esto y cientos de esfuerzos similares podrían ayudar a reunir a los investigadores pertinentes. La financiación específica para grupos de trabajo y para la ciencia interdisciplinaria en general será clave.
Solo a través de la colaboración global los ecologistas podrán obtener una perspectiva global del clima oceánico. Ya hay algunos buenos modelos para esto. La Red Global de Observación de la Acidificación Oceánica (GOA-ON), por ejemplo, es un esfuerzo internacional para proporcionar datos biogeoquímicos altamente resueltos en la escala de metros, para permitir a los investigadores optimizar los modelos de acidificación de los océanos.
Prevemos que cuando los biólogos interactúen con los datos físicos y biogeoquímicos que ahora están disponibles, a escalas equivalentes a las de la vida de los organismos, se producirán cambios importantes en la forma en que conceptualizamos y gestionamos los cambios de la biodiversidad en el océano.
Este descuido del clima oceánico en teoría, el diseño experimental y el modelado están obstaculizando el progreso en al menos tres formas.
Las predicciones son incorrectas. Cuando los ecologistas intentan pronosticar el cambio mediante la ejecución de experimentos o el uso de modelos basados en simulación a escala macro, los parámetros físicos generalmente se representan mediante promedios. Tales esfuerzos pueden generar proyecciones demasiado catastróficas o excesivamente optimistas.
Los ecologistas generalmente están de acuerdo, por ejemplo, en que las especies marinas en los trópicos y polos serán más vulnerables a los efectos de un aumento en la temperatura de 2°C. Las especies tropicales ya están viviendo en los hábitats más cálidos del planeta, mientras que en los polos tienen otro lugar a donde ir. Pero los océanos no se están calentando uniformemente en los trópicos y polos. Algunas áreas incluso se están enfriando.
La heterogeneidad se pasa por alto. En general, la Tierra está perdiendo especies. Sin embargo, existen grandes diferencias en la tasa de pérdida a escala local; la biodiversidad incluso está aumentando en algunos lugares. Ciertas especies, poblaciones e individuos pueden adaptarse y adaptarse, y esto dará lugar a sorpresas. En 2017, cientos de encuestas en la Gran Barrera de Coral en Australia antes y después de un evento de blanqueamiento masivo revelaron una gran variabilidad en la respuesta de las especies de peces al calor extremo. Algunos grupos tróficos, como los herbívoros que raspan las algas, se volvieron menos comunes en los arrecifes más cálidos. Para otros, como los que se alimentan de plancton, las temperaturas más cálidas parecían beneficiar a las poblaciones.
Las oportunidades se pierden. Ignorar la variabilidad en los sistemas oceánicos podría limitar las estrategias de conservación y manejo. Por ejemplo, el concepto de refugios climáticos, donde las especies pueden protegerse de los efectos del cambio climático, se ha considerado para los paisajes terrestres más fríos como los valles de las montañas y los ríos. Sin embargo, la planificación espacial marina tiende a pasar por alto la posibilidad de que los sitios de refugio surjan, por ejemplo, del afloramiento de aguas más frías desde la profundidad, o de la sombra proporcionada por un arrecife de coral. Esto se debe en gran parte a que los ecologistas carecen de los datos a escala fina para establecer dónde existen posibles refugios.
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| Los ingenieros trabajan en una boya meteorológica perteneciente al Centro Nacional de Boyas de Datos de los Estados Unidos, administrado por la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica. Crédito NOAA |
La próxima ola
Cada avance en las ciencias físicas debería traducirse en mejoras en las predicciones de los ecologistas sobre el cambio en la biodiversidad. Los principales avances en la forma en que los científicos de la atmósfera y el clima entienden los procesos oceánicos se están desarrollando rápidamente como resultado de las mejoras en las tecnologías de monitoreo de los océanos, así como en los modelos climáticos.
Hacer progresos equivalentes en las ciencias de la vida, en conjunto, requerirá al menos tres cambios.
Aceptación.
Los ecologistas deben aceptar el hecho de que los océanos son variables y considerar con más cuidado las limitaciones y los sesgos inherentes a los datos físicos. Las temperaturas de la superficie del océano medidas por satélites, por ejemplo, arrojan poca luz sobre las condiciones de los organismos que viven en la profundidad.
En términos prácticos, esto significa incorporar variabilidad en modelos ecológicos y experimentos. Esto está empezando a suceder para los ecosistemas terrestres. En 2016, por ejemplo, los investigadores revelaron que las fluctuaciones diarias de la temperatura son un factor de predicción tan poderoso de los cambios en el rango geográfico de las ranas, lagartos y otros organismos como la variación estacional.
Computación de alto rendimiento.
Los ecologistas necesitan urgentemente formas de acceder y analizar datos de alta resolución sobre la variabilidad ambiental. Están acostumbrados a manejar megabytes de datos, pero necesitan poder manejar terabytes.
Actualmente, hay varias opciones para acceder a la informática de alto rendimiento. Los investigadores pueden solicitar becas de computación en la nube ofrecidas por Microsoft y Google. Y algunos países, como Canadá , ofrecen recursos en la nube y capacitación para permitir que las instituciones académicas adopten la investigación de grandes datos. La provisión de este tipo de infraestructura y soporte debe priorizarse de manera más amplia.
Diafonía y colaboración.
Se necesita mucho más diálogo entre ecologistas, fisiólogos y científicos del clima y los océanos para ayudar a comprender qué datos se requieren y en qué formatos. Por ejemplo, sDiv, el Centro de Síntesis de iDiv, el Centro Alemán para la Investigación Integral de la Biodiversidad en Leipzig, organiza talleres para fomentar la diafonía entre investigadores y poner en marcha nuevos enfoques. Esto y cientos de esfuerzos similares podrían ayudar a reunir a los investigadores pertinentes. La financiación específica para grupos de trabajo y para la ciencia interdisciplinaria en general será clave.
Solo a través de la colaboración global los ecologistas podrán obtener una perspectiva global del clima oceánico. Ya hay algunos buenos modelos para esto. La Red Global de Observación de la Acidificación Oceánica (GOA-ON), por ejemplo, es un esfuerzo internacional para proporcionar datos biogeoquímicos altamente resueltos en la escala de metros, para permitir a los investigadores optimizar los modelos de acidificación de los océanos.
Prevemos que cuando los biólogos interactúen con los datos físicos y biogeoquímicos que ahora están disponibles, a escalas equivalentes a las de la vida de los organismos, se producirán cambios importantes en la forma en que conceptualizamos y gestionamos los cambios de la biodiversidad en el océano.
Autores: Amanda E. Bates, Brian Helmuth, Michael T. Burrows, Murray I. Duncan, Joaquim Garrabou, Tamar Guy-Haim, Fernando Lima, Ana M. Queiros, Rui Seabra, Robert Marsh, Jonathan Belmaker, Nathaniel Bensoussan, Yunwei Dong, Antonios D. Mazaris, Dan Smale, Martin Wahl & Gil Rilo
Fuente: https://www.nature.com/articles/d41586-018-05869-5?utm_source=twt_na&utm_medium=social&utm_campaign=NNPnature
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