Retrospectiva del trabajo ecofisiológico por la Dra. Angélica Casanova en Antártica

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Dra. Angélica Casanova junto a sus alumnos observando las condiciones de la vegetación en isla Rey Jorge.

  Patricio Quezada. La realización de ciencia en Antártica presenta un gran desafío debido a las características de un ecosistema único, complejo y de condiciones extremas para los investigadores, sin embargo, existe un compromiso de conservación en resguardar la actividad humana para poder estudiar los efectos del cambio climático y al mismo tiempo lo que esconde la biodiversidad de este continente, por lo que es interesante conocer el trabajo de la Dra. Angélica Casanova, Ecofisióloga vegetal y parte del Núcleo de Estudios Ambientales (NEA) Universidad Católica de Temuco (UCT), quien lleva más de 20 años liderando investigaciones sobre tundra antártica terrestre, y ha colaborado con el Instituto Antártico Chileno (INACH) para lograr sus objetivos de investigación.

Durante la Expedición Científica Antártica 56, Dra. Angélica Casanova ejecutó su proyecto llamado “La influencia de colonias de pingüinos sobre el desarrollo de comunidades de tundra en la península Antártica”, con un trabajo apoyado por tres de sus alumnos. Catalina Marín, Licenciada en Biología y quien realizará Magíster en Botánica en la Universidad de Concepción, siendo su visita una exploración para su próximo trabajo. Cristóbal Araneda, realizando tesis de pregrado para obtener título de Biólogo en la Universidad de Concepción. Y Diego Segura, Licenciado en Bioquímica y realizando Maestría en Bioquímica ambiental en la Universidad de Chile.

El estado del ecosistema Antártico

El estado de la tundra terrestre en las islas Shetland del Sur es modificada por sus respuestas al calentamiento global. La diversidad biológica es la variedad de formas de vida, lo que incluye diferentes niveles de organización, como especies, sus genes, poblaciones y comunidades. La interacción de estas variedades en diferentes niveles determina colectivamente el funcionamiento de los ecosistemas y da soporte a la biósfera de nuestro planeta. Para estudiar el efecto de las pingüineras sobre la biota terrestre, el equipo recolectó muestras en isla Decepción con el apoyo de la embarcación científica “Karpuj”, realizando un trabajo exploratorio de 5 días. Este trabajo de investigación es para evaluar cómo las pingüineras están influenciando la biota terrestre por cuánto nitrógeno y otros nutrientes estén aportando al suelo.

La Antártica es un ambiente de baja cantidad de carbono y bajos nutrientes presentes en el suelo. El carbono y el nitrógeno son absorbidos en general por las plantas, por lo que se cree que los pingüinos mediante el guano (que consiste principalmente en nitrógeno orgánico) estarían incorporando dicho nutriente al ecosistema antártico. Después de procesar las muestras obtenidas durante los 5 días de trabajo en isla Decepción durante esta campaña científica, el equipo liderado por la Dra. Casanova buscará si es efectiva la entrada del nitrógeno al ecosistema de plantas y musgos. El proceso de absorción de nutrientes difiere según las especies, por ejemplo, las plantas y los pastos tienen raíces y absorben los nutrientes del suelo, en cambio, los musgos no tienen raíces (en ninguna parte del mundo tienen raíces, no solamente en Antártica), por lo que se buscará si son absorbidos a través de otras estructuras foliares.

Líquenes creciendo sobre una roca en isla Rey Jorge, Antártica.

La vegetación en las islas del océano austral depende altamente de los nutrientes proporcionados en la interacción con las aves y mamíferos marinos, y de aquellos nutrientes arrastrados por los océanos. Una de las fuentes más importantes de nitrógeno en los ecosistemas antárticos proviene del excremento de las aves que se alimentan en el mar. El 80% del nitrógeno excretado por los pingüinos en su etapa de muda de plumas es ácido úrico, y el 20% restante proteínas y amoniaco. El ácido úrico es degradado rápidamente por microorganismos aeróbicos y anaeróbicos, por lo que la vegetación en Antártica depende proporcionalmente a la actividad de las aves.

Las muestras de suelo provenientes de isla Decepción fueron extraídas de una transecta con distintos puntos de muestreo, con una vegetación distinta a medida que se alejaban de las pingüineras. En los sitios más cercanos a los pingüinos prácticamente no creció vegetación, debido al pisoteo de los pingüinos y la alta cantidad de nutrientes contenidos en el guano. A diferencia, a 200 metros aproximadamente de esta zona, empiezan a aparecer patrones de vegetación que varían de acuerdo con las condiciones del suelo. Esto es debido a que el nitrógeno aportado por los pingüinos suplementaría el rol que tienen los microorganismos, como bacterias y arqueas, de transformar nitrógeno inorgánico atmosférico en moléculas orgánicas asimilables. Las muestras se separaron según sus procesamientos: proceso de secuenciación de extracción de ADN, ARN y ensayo de actividad enzimática. Las muestras para la secuenciación de ARN deben ir con preservante que le otorgue estabilidad a la molécula.

¿Existe una dependencia positiva con relación al efecto de las pingüineras y el crecimiento de vegetación en Antártica?

“Lo que estoy estudiando es la distribución del nitrógeno alrededor de las pingüineras, y si esto favorece o no a los musgos. Los pingüinos depositan sus fecas en sitios de anidación, se acumulan y se forma el guano. Por cada temporada se estima que hay una acumulación de casi 5 toneladas de guano por pingüinera. Este proceso involucra muchos procesos químicos y bioquímicos. Se escurre amoniaco, se evapora parte del nitrógeno del guano. Se volatiliza (el mal olor de las pingüineras), este se mueve con la fuerza del viento, y se va depositando sobre la tierra. A medida que se deposita, también afecta el crecimiento de la vegetación”.

Son varios factores los que impiden directamente el crecimiento de vegetación en las pingüineras, como es el pisoteo generado por casi 30mil pares de pingüinos, generando un suelo compacto debido a las pisoteadas. Se suman la acidez, nitrógeno, fósforo y amoníaco, diversos nutrientes en altísima concentración que no permiten el crecimiento de plantas y musgos. Sin embargo, ocurre que a 100-200 metros más allá del área donde están los pingüinos, se observa el inicio de vegetación. Es sabido que los pingüinos son indicadores perfectos, ya que buscan los mejores lugares para anidar y crecer en un ecosistema adverso. Buscan lugares protegidos, seguros, incluso pensando en zonas donde no sean expuestos a caídas de hielo. De la misma forma, la vegetación puede colonizar los lugares más óptimos.

Mientras los animales ocupan los espacios para anidar, parir, aparearse, se generan cambios, pisoteos, carga de fecas, carga química, carga de guano en dicho lugar. Posterior a eso, sobretodo cuando son abandonados, este espacio es habitado por vegetación y otros organismos. Cuando los pingüinos abandonen los espacios, o donde se asientan los mamíferos marinos al moverse de lugar, recién ahí estos lugares serán utilizados para estos microorganismos. Sino, no se establece la vegetación, porque no sobrevive al pisoteo. “No es que la vegetación esté creciendo donde están los mamíferos o pingüinos. La vegetación va a ocupar esos espacios cuando sean abandonados, pingüineras fósiles, restos de miles de año, ahí hay vegetación, y así ocurre el proceso de colonización y sucesión”.

Ecofisióloga vegetal y cambio climático

La Dra. Angélica Casanova trabaja con tundra polar, “que significa vegetación sin árboles”. Es toda vegetación terrestre que observas en Antártica. Su trabajo ha sido enfocado en la relación cambio climático-vegetación, trabajando con 3 componentes: plantas vasculares, musgos, y líquenes. Los líquenes son parte del reino fungi, y son también llamados hongos liquenizados, porque corresponden a hongos del orden Ascomycota que son capaces de hacer simbiosis mutualista con algas verdes o con cianobacterias. Son estudios para determinar cómo se expanden las poblaciones de plantas antárticas, nuevos sitios colonizados, cómo avanza la vegetación a medida que el hielo retrocede. Se han ido levantando distintas propuestas para abordarlo. Se diseñan métodos para evaluar el efecto de calentamiento sobre comunidades de plantas y musgos, efectos indirectos del calentamiento sobre invertebrados. Se cuentan las plantas, enumerando nuevas poblaciones, cuánto alcance tienen en una isla, aumento de número de sitios, aumento de poblaciones, plantas que colonizan nuevos sitios en otras islas. “Hemos contado más de 10 mil plantas en la Antártica. Podemos definir el tamaño de las poblaciones. 10 años después, regresar para evaluar si aumenta o disminuye. Por ejemplo, Deschampsia antarctica, ha aumentado su número poblacional. Hay un efecto del calentamiento bien claro sobre esta especie: la favorece. Tengo estudios que llegan hasta el circulo polar. Principalmente me focalizo en la vegetación, recorro Antártica para ver poblaciones, para ver qué tamaños tienen. Monitorear, al tener distintos tipos de proyectos, uno va estudiando algunas, complementando por etapas. Desde los años 90, aumentaron las poblaciones de plantas, hay menos hielo, las estaciones de crecimiento son mas calentitas. Es un fenómeno similar a lo que está pasando en el Ártico”.

Estudio de OTC para evaluar fenómenos provocados por alza en las temperaturas en especies vegetales

La Dra. Angélica Casanova fue la primera científica chilena en instalar experimentos de cambio climático en Antártica, por allá en el año 2008, por lo que lleva casi 12 años evaluando tundra polar y su respuesta al calentamiento global. Para ello se usan dispositivos, tipo invernaderos pequeños, llamados Open Top Chambers, “OTC”, que son cámaras de calentamiento pasivo que aumentan la temperatura en los días de mayor radiación solar. Como todo experimento científico, existen ventajas y desventajas. Generalmente, el estudio de los efectos de temperatura sobre plantas y organismos son trabajados dentro de laboratorios en cámaras climáticas que simulan los cambios de temperatura, sin embargo, como las condiciones en Antártica son adversas y es imposible llevar electricidad a las zonas de investigación, se utilizan instrumentos como la OTC acompañada de una estación meteorológica en condiciones donde crecen comunidades, y así concentrar en las cámaras hexagonales el calor provocado de manera natural, y estudiar las respuestas ecofisiológicas. Como ventaja, la utilización de OTC mantienen las interacciones entre plantas, musgos y líquenes y su ambiente, así como con invertebrados. Una desventaja, al ser un ambiente antártico, las cámaras se llenan de nieve y la vegetación es cubierta por más agua de lo que sucedería en condiciones normales. Se diseña un experimento con el fin de resolver dichas desventajas con sistemas de medición de temperatura, humedad, datos obtenidos con la estación meteorológica. El diseño experimental siempre presenta los llamados “artefactos”, que son esas variables que no podemos simular completamente como en el ambiente natural, pero que se pueden cuantificar. Por otra parte, los estudios de Cambio Climático con OTC han sido ampliamente usados en el ártico y en la alta montaña, generando un gran conocimiento con dispositivos de bajo precio.

cámara OTC en isla Rey Jorge. Se construyen de acrílico en forma hexagonal.

Alguno de los resultados obtenidos determina que plantas vasculares crecen más dentro de las cámaras OTC. Esto indica que, si en la península Antártica siguen aumentando las temperaturas, este tipo de vegetación favorecería su respuesta biológica. Angélica ha observado que la temperatura aumenta casi 2 grados, y con este cambio, hay especies más favorecidas que otras. La Deschampsia antarctica, pasto antártico, produce más hojas, más espigas, y más semillas. En el caso de los musgos, no se han visto grandes cambios desde su crecimiento, pero si desde su fisiología. Han podido observar que los musgos dentro de las OTC disminuyen la producción de antioxidantes. Los musgos que no producen esporofitos (estructuras reproductivas) en condiciones normales, estando dentro de las OTC si las producen. Si un organismo genera más estructuras sexuales, tendrá una mejor descendencia para adaptarse genéticamente. Tanto plantas como musgos han tenido cambios positivos.

Respecto a la competencia, aún no hay resultados que lo demuestren, sin embargo, hay plantas más hábiles que otras. El año pasado el equipo de investigación publicó resultados del estudio del efecto de la temperatura sobre los líquenes, en colaboración con un colega de República Checa, Dr. Milos Bartak, quien viajó a la Antártica como parte de un proyecto INACH y que trajo un equipo de fluorescencia, que se podía instalar directamente en el campo, a la intemperie. “Este equipo nos permitió monitorear durante unos días, la fotosíntesis de los líquenes. Fue la primera vez que pudimos demostrar que los líquenes bajo calentamiento experimentan una baja de la fotosíntesis producto del aumento de la sequedad, porque cuando se calienta, el aire se seca más, y disminuye la humedad relativa. Al suceder esto, los líquenes disminuyen su actividad fotosintética. Hemos visto que, bajo las condiciones de la OTC, los líquenes no responden muy bien, aunque todavía faltan datos experimentales, es un problema con la humedad relativa. Los líquenes no forman raíces, por lo que deben tomar agua desde la atmósfera, por lo que, al estar más seco, está más inactivo por un largo periodo, su estación de crecimiento es corta, pasa tiempo inactivo, y no alcanza a juntar toda la energía para mantenerse hasta el próximo año”.

Finalmente, quisiéramos aclarar un concepto errado que puede confundir a los lectores: las cámaras OTC no son utilizadas para estudiar los efectos elevados del CO2 (anhídrido carbónico) y de otros gases atmosféricos sobre la vegetación, sino que para evaluar su respuesta frente al calentamiento pasivo, de forma experimental. Como dato, la Dirección Meteorológica confirmó que febrero 2020 fue el verano más cálido en la historia de la península Antártica.

Una de las actividades fue retirar una de las estaciones meteorológicas de la investigación en OTC.

 Conversamos con Angélica Casanova

¿Cuál es el rol ecológico en la relación de los microorganismos y la tundra en Antártica?

En el caso de Deschampsia antarctica, hay una microbiota asociada. Hay estudios que muestran que las plantas que no tienen hongos en antártica están asociadas a muchas bacterias que están en las zonas de raíz, una cantidad increíble de microorganismos. Esta interacción en los musgos está asociado a cianobacterias que les aportan con nitrógeno. Los líquenes son simbiontes: hongos asociados a microalgas o a cianobacterias llamados en general fotobionte, porque es la parte que hace la fotosíntesis. Es una unión muy eficiente. Pueden producir su propio alimento, el fotobionte produce los carbohidratos y este es intercambiado entre el hongo y el alga, por agua y nutrientes, de una manera en que ambos organismos ganan, pues los hongos requieren los azúcares, pues no pueden sintetizarlos. Por esta razón, los líquenes son capaces de colonizar cualquier roca muy cerca del polo sur.

¿Cuáles son los desafíos de estudiar botánica en Antártica?

La colaboración, la multidisciplina, las redes. En general, en ambientes extremos uno aprende a trabajar con expertos de muchas áreas y uno entiende que, así como los organismos que colonizan y sobreviven en Antártica -lo hacen en simbiosis- nosotros como científicos debemos estar muy abiertos a favorecer la colaboración, porque es un gran esfuerzo, no sólo personal, sino que económico, pues finalmente el conocimiento que se genera es para nuestro país y para la humanidad. Por mi parte trabajo con científicos de muchos países, con los que he aprendido muchas nuevas técnicas, pero donde también mi aporte ha sido muy importante por mi conocimiento de la tundra antártica. En mi caso, por segunda vez, nos hemos  adjudicado un proyecto en donde trabajaré junto a científicos de Norteamérica, de la Universidad de Portland. Las campañas antárticas en colaboración favorecen el trabajo científico. Vamos a estudiar procesos de colonización de las morrenas de los glaciares, así como la descomposición, en musgos y líquenes, y los ciclos de nutrientes. es muy interesante, porque en Antártica tienes un laboratorio natural, donde puedes ver los procesos tempranos de la colonización biológica de la tierra. La ventaja de Antártica es que son ecosistemas simples, uno puede visualizar de mejor forma algunos parámetros y factores. Estudiar descomposición en bosques en occidente es complejo, porque hay hojas, hongos, es un conjunto complejo. Estudiar la descomposición de materia orgánica en tundra polar es más fácil de visualizar los componentes. No todo el mundo trabaja con estos microorganismos, es un trabajo muy especializado y reducido. Personalmente, me toma mucho tiempo trabajar con musgos. Verlos en terreno, tomar muestras, estar segura de que estás trabajando con el organismo que requieres, pues crecen bastante juntos y hay que tener buen ojo para distinguirlos y no mezclarlos, es un trabajo que requiere mucho tiempo. Son organismos que crecen lento, se deben diseñar buenas ideas para poder monitorear, herramientas para definir si efectivamente ocurren cambios, o hipótesis de lo que crees que va a ocurrir. Hay que saber medir musgos. Por ejemplo, estudiar flores es mucho más fácil, ya que se cuentan las flores, y se cuentan semillas, desde la literatura, uno sabe que se reproducen cuando generan más semillas. Si los musgos no tienen estructuras reproductivas es un desafío, pues crecen muy lento (unos cuantos milímetros por año), por lo que hay que abordarlos desde distintas perspectivas.

Respecto a tus estudios en el desierto de Atacama y en Antártica, ¿están buscando comparaciones?

En el desierto no trabajo con calentamiento. Mis estudios en el desierto son mas básicos, ya que estoy empezando recién. Es una investigación centrada en los líquenes que es lo que más hay. Estamos estudiando los mecanismos de resistencia de sequía en líquenes. Aún no tengo resultados claros en estos dos años que llevamos trabajando, ya que ha sido bastante duro. No hay información de líquenes. Seleccionamos especies factibles de estudiar. Cuando uno empieza un nuevo estudio, se trata de entender lo que uno observa, se seleccionan especies que se contrastan. Es interesante. Es un ambiente extremo de características similares a Antártica. Es un ambiente de laboratorio experimental, un laboratorio natural. La idea es poder entender si los mecanismos de resistencia a la sequía son similares a los mecanismos que tienen los líquenes en la Antártica para resistir la pérdida de agua. Hay que señalar, que el congelamiento también produce deshidratación. Es como si pusieras una lechuga al congelador, y se congela y luego, al descongelarla, pierde toda el agua porque se destruye la estructura celular por el hielo. En el caso de los líquenes antárticos, estos presentan una alta resistencia a la congelación, donde además se impide la pérdida del agua. Por eso es tan interesante comparar los mecanismos de ambos grupos de líquenes en ambientes extremos. Este trabajo estamos realizando como parte de un proyecto financiado por INACH y en colaboración con el Dr. Kazimierz Strzalka, del Centro de Biotecnología, de la Universidad Jaguellonica de Polonia.

Recordando cuando encontramos restos de vidrios en un área de gran vegetación y presencia de aves marinas, ¿cómo afectaría el microplástico a la vegetación, no solo en Antártica sino en cualquier parte del mundo?

Dependiendo del tipo de plástico, sus restos pueden caer sobre un lugar con vegetación. Se vería afectada, por ejemplo, si el plástico fuese obscuro y no permitiera la llegada de luz a la planta, por lo que no podría realizar fotosíntesis. En este momento, el mayor problema que tenemos con estos plásticos es que cambian las condiciones del ambiente en donde caen. Si un plástico cae en un lugar, no crece lo mismo. Cambian las condiciones, deja una marca, todo lo que esta ahí puede morir. El traspaso químico ocurre desde el microplástico a los organismos que lo ingieren, como los invertebrados del suelo o las especies marinas. Las plantas no ingieren, solo absorben agua y nutrientes. Una planta se vería afectada por efecto mecánico: si el plástico cae encima y no la deje crecer.

Encontramos diferentes trozos de vidrios sobre una de las colinas en isla Rey Jorge, cerca del lugar donde desinstalamos estación meteorológica. Estos restos están ahí desde hace muchísimos años y son parte de la basura, huella del paso de la humanidad por estos ambientes. Antártica también sufre por la actividad antropogénica.