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Implicaciones biológicas de las ondas internas marinas. | Imprimir |
Escrito por Adriana Castillo Blancarte on Miércoles, 14 de Diciembre de 2011 20:42   

ondasanmiguelLa Dra. Lydia Ladah, investigadora del Departamento de Oceanografía Biológica del CICESE, junto con su equipo de colaboradores motivan su trabajo basados en la pregunta ¿Cómo las poblaciones de la costa están conectadas a procesos mar adentro?

Observemos las comunidades de balanos y erizos, cuyas poblaciones de adultos están asociadas a zonas costeras, tanto en la franja intermareal como submareal somera. Estos invertebrados, al reproducirse, originan un primer estadio en forma de larvas que, al ser pelágicas, se dirigen a mar abierto -en balanos durante dos semanas y en erizos hasta dos meses-. Para completar su ciclo de vida tienen que buscar la manera de regresar a los hábitats costeros y desarrollar la forma adulta que vive fija al sustrato.

Durante años los investigadores se preguntaron cuáles eran los mecanismos que traían de vuelta a las pequeñas larvas que lograron desarrollarse alejadas por algún tiempo de la costa. Igualmente, existen muchos productores primarios como las macroalgas (organismos fotosintetizadores capaces de producir su propio alimento a través de la energía solar) que la mayor parte del año se encuentran por encima de la termoclina, esa delgada capa de agua de mar que separa la franja superficial más cálida de la porción más fría del fondo, y que recibe suficiente luz solar.

Al estar por encima de la termoclina, las macroalgas viven en un ambiente aislado de nutrientes como los nitratos (NO3), los cuales requieren para la fotosíntesis. La Dra. Ladah se plantea: ¿Cómo es que el nitrato localizado debajo de la termoclina puede ser pulsado a las algas, especialmente en verano y otoño, que son épocas donde no hay surgencias en latitudes como las de Baja California? Las surgencias son un fenómeno oceanográfico que consiste en el movimiento vertical de las masas de agua, de niveles profundos -aguas frías, bajas en oxígeno pero ricas en nutrientes- hacia la superficie, generados estacionalmente por patrones de viento y la rotación de la Tierra. Una explicación es que ese transporte de larvas y de nutrientes se da por ondas internas.

¿Qué son las ondas internas?

ondasaereaSon perturbaciones alícuotas -proporcionales- que vienen y entran a lo largo de un fluido estratificado, que para el caso del mar costero es la termoclina. En vistas aéreas de la superficie marina se observan ondulaciones en el agua que pueden ser causadas por el viento o la marea al interactuar con el fondo del mar, transformándose así en ondas no lineales. Esas ondas pueden causar transporte tanto de masa como de partículas. También pueden pulsar nutrientes llevándolos a zonas costeras. Un tipo de ondas internas son las NLIW (nonlinear internal waves) que duran del orden de minutos a horas.

La marea interna es una onda interna que tiene la fase de marea, es decir 12 o 24 horas, dependiendo de las mareas diurna o semi-diurna.

Al adentrarse en el océano, se observan huellas causadas por zonas de convergencia y divergencia en el agua. Las zonas de convergencia causan una acumulación entre las dos celdas de la onda, es decir en sus crestas y valles, acopiando así materia orgánica, especialmente cuando sopla el viento. Esa materia orgánica produce una diferencia en la superficie de la onda que la contrasta del resto del agua en color y textura. Así, se observa una zona muy lisa y alrededor zonas rugosas; esa es la manifestación superficial de la presencia de una onda interna. Lo que resulta interesante de estas huellas es su movimiento y lo que transportan con él. Por ejemplo, si se colocan naranjas en esa huella, van a ser movidas hacia la costa. Se deduce, por lo tanto, su importancia para el plancton, donde se encuentran larvas de balanos y erizos, entre otras especies. Es decir, las ondas internas causan huellas y esas huellas pueden transportar a los organismos. En la costa rocosa donde toca la huella existe alta diversidad de invertebrados y algas. Los científicos saben que estas zonas son de transporte y retención de larvas de muchos organismos marinos.

Las ondas internas pueden causar cambios abruptos en temperatura y concentración de nutrientes. Efecto especialmente notable en la franja de la termoclina, donde se pulsa agua fría hacia arriba y se desplaza agua caliente hacia el fondo. La Dra. Lydia Ladah ha medido temperaturas en el lapso de 9:00 a 12:00 horas en la zona de San Miguel, al norte de Ensenada, Baja California, con un sensor localizado a seis metros de profundidad fija y con lecturas cada seis segundos. De 9:00 a 10:00 hrs registró 14°C. Poco después de las 10:00, la temperatura se incrementó abruptamente a 20°C, después bajo a 14°C y en seguida se incremento nuevamente a 20°C. Esas fluctuaciones  se dan de forma continua hasta que el agua permanece caliente. Ese es el comportamiento típico de la entrada a la costa del frente de una onda interna grande, impregnada con ondas internas solitarias.

También la Dra. Ladah sabe que la temperatura y el nitrato están inversamente relacionados; es decir, en temperaturas calientes hay poco nitrato, y en temperaturas frías hay mucho. Y se pregunta ¿cómo y porqué ocurren las ondas internas? ¿Qué provocan esos cambios de corrientes, nutrientes y temperatura en la costa? Para observar las implicaciones biológicas se pregunta ¿las algas pueden aprovechar los nutrientes transportados por las fases frías de las ondas internas?, y para la zona intermareal ¿las convergencias y divergencias concentran larvas en los frentes de las ondas internas? ¿El asentamiento de las larvas en la zona de costa se incrementa en periodos de ondas internas? Con estas incógnitas por resolver, formula una hipótesis asegurando que habrá más asentamiento de larvas cuanta más actividad de ondas internas haya en la costa.

ondactdLas zonas de estudio donde trabaja este equipo de investigación son San Miguel, San Juanico, Barra de Navidad y el próximo año 2012 inician investigaciones en La Paz, Baja California Sur. La instrumentación en cada zona de estudio es similar y consiste en transmisores colocados en una boya, que toman datos cada minuto o cada seis segundos, a lo largo de la columna de agua. Al fondo colocan correntímetros ADSP y ADP que registran los movimientos y dirección de las corrientes y flujos oceánicos. También hacen transectos, desde la costa hacia mar adentro, de perfiles verticales de CTD (Conductivity, Temperature and Depth), sensores de presión, temperatura, conductividad, profundidad y oxígeno disuelto. Además colocan un asics, sensor que mide concentraciones de nitratos a partir de señales UV (ultravioleta). Así tienen un panorama completo de los parámetros oceanográficos físicos y de nitratos.

Un ejemplo concreto: las macro algas.

ondasulvaLas especies elegidas para estas investigaciones fueron Ulva, Gracilaria, Macrocystis y Ascenia, especies que cultivaron expuestas al sol con burbujeo, sin fuentes de nitrato, con el objetivo de agotarles sus reservas de nitrógeno para que, al estar expuestas a algún pulso de nutrientes, pudieran aprovecharlo y saciar sus necesidades. En esas condiciones las colocaron en el mar en bolsas de malla, ubicándolas en tres profundidades diferentes: superficie, cinco metros y 10 metros. Midieron el nitrógeno presente en los tejidos de las algas antes y después de colocarlas en el mar. Al mismo tiempo trazaron la trayectoria de los pulsos de agua fría que se dirigían de mar adentro a donde se colocaron las algas.

ondacorrentimetroInstalaron el correntímetro con el objetivo de registrar las corrientes asociadas a las ondas internas entrantes. Registraron 90 minutos desde la entrada de la onda interna hasta su llegada con las algas. Tomaron un transecto de 14 kilómetros de la costa hacia mar afuera, y advirtieron agua caliente en la superficie y fría en el fondo. Observaron los movimientos de las parcelas de agua tanto en distancias horizontales como verticales. Los resultados reportaron que los cambios fueron en la vertical de 20 metros y en la horizontal de casi siete kilómetros en 10 horas. También notaron que el agua caliente de la superficie se movió hacia mar adentro y el agua fría del fondo emergió a la superficie. Lo que indica que se trata de un ambiente muy dinámico y revela un empujón de agua fría hacia la costa. Así concluyeron que estaban en presencia de una onda interna típica de la marea interna. Al observar el traslado de las aguas frías hacia la plataforma continental en aguas más someras, registraron pulsos de entrada de nitratos. En las algas observaron un incremento de nitratos de 0.5 a 5 micro molar en unas horas y un cambio en el bombeo de nitratos en la vertical de 20 metros. La termoclina, por lo tanto, sufre movimientos de arriba hacia abajo provocados por este bombeo de agua.

En mediciones por medio de lances verticales a 30 metros realizados de forma continua de 9:00 a 15:00 horas en un punto fijo, registraron un empujón de agua fría profunda a la superficie; también vieron cambio de color en esa masa de agua a tonos mas oscuros. El nitrato fue en gradiente de casi nulo a 25 metros, a 10 micromolar en la superficie. La temperatura del fondo fue de 16°C constante por las seis horas, a diferencia de la mitad de la columna de agua de registro, donde al inicio la temperatura fue de 16°C, luego bajó a menos de 16 ° C por media hora, y finalmente subió a 18°C.

En los tejidos de las algas cuando hubo agua cálida no se presentaron cambios en las concentraciones de nitratos. Sin embargo, en esa media hora en que bajó la temperatura con el pulso de agua profunda, las algas reaccionaron incrementando sus niveles de nitratos de forma significativa, lo que revela que estos macroorganismos sí aprovechan los pulsos altos en nutrientes para integrarlos a sus tejidos y alimentarse. Ulva, una alga oportunista, expuesta por seis horas a esas condiciones, fue capaz de absorber nitratos provenientes de pulsos de aguas frías de ondas internas de alta frecuencia.

Actualmente este equipo de investigación trabaja en los impactos sobre otras comunidades bióticas expuestas a los efectos de las ondas internas. Parece que hay un efecto rápido en la florescencia de clorofila en la superficie, pero aun no comprenden a qué se debe, lo que evidentemente tendría un efecto importante en las poblaciones animales asentadas en la zona de costa, al cargar el área con nutrientes.

¿Cómo afectan estos frentes la abundancia de larvas de invertebrados?

ondabalanos1Los frentes descritos tienen mucha energía asociada, que impulsa movimientos de varios metros en la vertical y traslados en la horizontal. Un modelo explica que el frente de la onda interna transporta las partículas empujándolas hacia el fondo marino, a lo que las partículas reaccionan con el impulso de nadar hacia la superficie. Tratando de reconocer este patrón en la naturaleza, la estudiante de posgrado Andrea Liévano, alumna de la Dra. Ladah, realizó sus tesis de maestría en la Bahía de Todos Santos. Trabajó con cuatro diferentes grupos de invertebrados marinos: equinodermos, balanos, briozoarios y cangrejos, grupos que tienen larvas pelágicas y formas adultas asociadas al bentos de sitios costeros. Tomaron datos en superficie, media agua y fondo -20 metros-, con muestras cada 20 minutos en cada estrato, y estableciendo una hora de diferencia para regresar al mismo estrato. Utilizaron una red de plancton con anillo de punto cinco metros y luz de malla de 150 micras. Tomaron muestras de plancton con sus réplicas antes y después del frente, en ambas fases de la onda, la fría y la caliente. Es importante hacer notar que los frentes son impredecibles y se desconoce a qué hora van a entrar a la costa, lo que implica muchas horas en panga realizando muestreos. Los resultados mostraron temperatura del agua caliente en la superficie y fría en el fondo con gran estratificación. Las corrientes fueron opuestas a los movimientos naturales del océano, con un cambio abrupto de dirección en el frente de la onda, lo que reveló la presencia de la onda interna durante los muestreos. Observaron altas concentraciones de larvas antes y durante el frente, y después de él las concentraciones de larvas bajaron. Para cangrejos sí se registró un incremento larval durante el frente de la onda interna.ondacangrejo

 

En entrevista la Dra. Ladah habló sobre la relación estrecha que se da entre estudiante y director de tesis para un buen desarrollo de las investigaciones científicas. Escúchalo con un clic

 

ondasplankton

 

El plancton habita en forma de parches o congregaciones, especialmente en la zona cercana a la costa, donde los parámetros oceanográficos físicos cambian mucho más rápido de lo que se puede muestrear en biología. La Dra. Lidia Ladah, en colaboración con el Dr. Miguel Lavín, investigador del Departamento de Oceanografía Física del CICESE, diseñaron una serie de bombas para trasegar agua de menos de un metro de profundidad, a cuatro metros. De esta manera bombean en sólo siete minutos la misma cantidad de agua que una red de plancton normalmente tarda 20 minutos en filtrar. Además, tomaron muestras simultáneas con réplicas. Pusieron cuatro bombas, dos a un metro de profundidad y dos a cuatro metros, bombeando al mismo tiempo mientras iban pasando los frentes. Literalmente salieron a “cazar” frentes, y muestrearon antes, durante y después, varios frentes durante el día. Los datos físicos se observan de inmediato pero para los biológicos hay que esperar. La visión oceanográfica física y biológica para la superficie ya es una realidad con este diseño. Sin embargo, bombear agua de 30 metros de profundidad a la superficie es más complicado, así que esos datos seguirán entre los misterios por develar de las ondas internas y su comportamiento océanológico.

Asentamiento de larvas durante la actividad de ondas internas.

ondabalanos2Luego de muestrear durante un año completo, en tan solo 10 días registraron el asentamiento de 50 por ciento de larvas del balano Chthamalus en la zona intermareal cercana a la costa de San Miguel, en la Bahía de Todos Santos. Para saber esto, cuantificaron el número de individuos presentes en placas previamente colocadas en marea baja y retiradas 24 horas después. Algo muy interesante, es que en los únicos 10 días del año en que hubo asentamientos, se presentó una gran actividad de ondas internas en la zona. Simultáneamente los instrumentos de registro de parámetros físicos tomaban datos cada minuto. Asociado a los pulsos de agua caliente y agua fría, hubo cambios de corrientes. Observaron que en cada ocasión que se presentaba un frente, había una masa de agua en la superficie desplazándose hacia la costa y otra masa dirigiéndose mar adentro. Pero en este punto de la investigación la Dra. Ladah se enfrentó a un problema. El muestreo de 24 horas sólo tiene un dato biológico para representar toda la actividad física asociada. Es un problema constante: no es posible medir la biología con la misma frecuencia que la física. Entonces, ¿cómo correlacionar la serie de datos físicos con un solo dato biológico?

ondachthamalusLa Dra. Ladah lo resuelve integrando los datos físicos de 24 horas, correlacionando con el número de larvas asentadas en las placas. El resultado fue que 70 por ciento de la variabilidad en el tiempo de asentamiento de las larvas se explica por tres factores clave: las corrientes con flujo del este, el cambio de temperatura y el cambio en la estratificación cerca de la costa. Cada una de estas variables está muy relacionada con los cambios asociados a la presencia de ondas internas. Estos parámetros se correlacionaron de forma altamente significativa con la presencia de larvas en la costa y con el número de larvas asentadas en las placas. Resultados que la sorprendieron, porque ella no esperaba que la intensidad de los factores físicos relacionados con la onda interna tuviera alguna relación con la cantidad de larvas asentadas. Porque puede haber mucho transporte del mar a la costa para depositar larvas en el sitio de asentamiento, pero si no hay larvas pasajeras que transportar, no habría transporte. Una relación profundamente interesante, porque no estaba documentada en la literatura científica, sino hasta ahora gracias a las investigaciones de la Dra. Ladah.

Otro aspecto a considerar es que el tipo de transporte depende mucho del comportamiento del organismo y de dónde se ubica dentro de la columna de agua de mar. Investigación que sigue su curso y promete grandes y sorprendentes resultados.

Escucha las perspectivas a futuro que la Dra. Lydia Ladah y su equipo de investigadores tienen a futuro