En los ecosistemas árticos y boreales las redes tróficas se están 'oscureciendo'
Alaska está en la primera línea del cambio climático y experimenta algunas de las tasas de calentamiento más rápidas del mundo. Y cuando las temperaturas aumentan en el interior del estado (una vasta región de alta latitud que abarca 113 millones de acres), el permafrost no sólo se descongela, liberando significativas cantidades de su carbono almacenado de regreso a la atmósfera, donde acelera aún más el aumento de las temperaturas, sino que también se desintegra.
Esta descomposición tiene el potencial de infundir carbono en las redes alimentarias superficiales y subterráneas, lo que puede afectar el flujo de energía entre estos vínculos ecológicos críticos y afectar a las especies que sustentan.
Una de estas especies es el topillo nórdico (Microtus oeconomus), uno de los cuatro animales del bosque ártico o boreal que Philip Manlick, biólogo investigador de vida silvestre de la Estación de Investigación del Noroeste del Pacífico del Servicio Forestal del USDA en Juneau, Alaska, examinó como parte de su estudio.
Junto con colaboradores de la Universidad de Nuevo México y la Universidad de Texas en Austin, Manlick utilizó una novedosa técnica para cuantificar los impactos del cambio climático en el flujo de energía y flujos de carbono entre redes tróficas verdes o aéreas sostenidas por plantas y redes tróficas subterráneas o marrones impulsadas por microbios que utilizan dos especies de topillos, una musaraña y una araña como ventanas a los mundos complejos.
"Comprender cómo se mueve la energía a través de las redes alimentarias nos ayuda a saber cómo funcionan los ecosistemas y cómo los animales podrían responder a factores estresantes como el cambio climático", dijo Manlick. "En los ecosistemas árticos y boreales, es bien sabido que el clima se está calentando, el permafrost se está derritiendo y los microbios están floreciendo. Pero sabemos muy poco sobre los impactos de este proceso en las redes alimentarias terrestres y los animales que sustentan".
Imagen: Un típico pantano de abeto negro en el Bosque Experimental Bonanza Creek de Alaska. Foto del Servicio Forestal del USDA.
Una novedosa y prometedora técnica
La novedosa técnica central del estudio implicó medir "huellas dactilares" únicas de isótopos de carbono en aminoácidos esenciales que sólo las plantas, bacterias y hongos pueden producir.
Los animales sólo pueden adquirir estas moléculas a través de su dieta. Esto permitió que estos aminoácidos esenciales sirvieran como biomarcador que ayudó a los investigadores a rastrear cómo se movía el carbono entre las redes alimentarias verdes y marrones, lo que, en última instancia, les ayudó a detectar cambios.
"Los científicos a menudo discuten sobre la importancia de los animales para los procesos ecosistémicos como el ciclo del carbono, pero cuando comen recursos de diferentes redes alimentarias, mueven carbono entre depósitos de almacenamiento", dijo Manlick. "En el futuro, creemos que esta herramienta se puede utilizar para rastrear el destino del carbono a través de las redes alimentarias para comprender los roles funcionales de los animales en las funciones de los ecosistemas, como el ciclo de los nutrientes".
El estudio analizó el colágeno óseo de especímenes de museo de tundra y topillos de lomo rojo y musarañas enmascaradas del Bosque Experimental Bonanza Creek cerca de Fairbanks, Alaska, en 1990 y 2021, una muestra que representaba animales expuestos al calentamiento climático a largo plazo.
Para estudiar los efectos del calentamiento climático a corto plazo en los animales, los investigadores tomaron muestras de arañas lobo árticas cerca del lago Toolik, Alaska. Algunas de las arañas fueron reunidas como controles y otras fueron expuestas a un calentamiento de 2°C en hábitats compartimentados al aire libre llamados "mesocosmos" en los que los científicos podían aumentar la temperatura a microescala para simular el calentamiento climático.
Con poco más de 12.000 acres y que abarca bosques interiores y hábitats de llanuras aluviales, el Bosque Experimental Bonanza Creek es un sitio ideal para estudiar los impactos del cambio climático en los bosques boreales y las redes alimentarias porque proporciona un registro a largo plazo del cambio en el interior de Alaska.
Fue establecido por el Servicio Forestal del USDA hace 60 años y ha sido un sitio de investigación ecológica a largo plazo de la Fundación Nacional de Ciencias desde 1987. Para Manlick, el sitio ofrece la oportunidad de estudiar cómo están afectando estos cambios en los bosques boreales a los animales que viven allí y cómo los animales mismos afectan los procesos forestales a través de la dinámica de la red alimentaria y la búsqueda de alimento.
Imagen: Topillos estudiados
Cambio significativo en la fuente de energía
A través de sus análisis de isótopos, Manlick y sus colegas detectaron cambios significativos en la asimilación de carbono en los mamíferos, en particular un cambio de redes alimentarias basadas en plantas a redes alimentarias basadas en hongos. En otras palabras, los hongos reemplazaron a las plantas como principal fuente de energía, y los pequeños mamíferos, como las musarañas, asimilaron hasta el 90% de su ingesta total de carbono procedente del carbono fúngico, un aumento de más del 40% con respecto a los especímenes históricos.
Lo mismo ocurrió con las arañas lobo del Ártico. Ellas también pasaron de las redes alimentarias basadas en plantas a las basadas en hongos como principal fuente de energía, asimilando más del 50% de carbono pardo en condiciones de calentamiento, en comparación con el 26% en los sitios de control.
"Nuestro estudio presenta evidencia clara de que el calentamiento climático altera el flujo de carbono y la dinámica de la red alimentaria entre los consumidores de la superficie de la tundra ártica y los ecosistemas de bosques boreales, en todas las especies, ecosistemas y escenarios de calentamiento a largo y corto plazo", dijo Manlick. "Y demostramos que estos cambios son la consecuencia de un cambio de redes alimentarias predominantemente verdes, basadas en plantas, a redes alimentarias marrones, basadas en microbios".
¿Qué hay detrás del cambio?
Los científicos sospechan que el carbono marrón se está transfiriendo a consumidores de la superficie, como mamíferos y arañas, en una serie de eventos de depredación conocidos como vías tróficas. El aumento del calentamiento provoca una mayor descomposición tanto del permafrost de la tundra como de los bosques boreales. Los hongos se alimentan de esta materia vegetal en descomposición y, a su vez, son consumidos por artrópodos, ácaros y lombrices de tierra que transfieren el carbono fúngico hacia arriba en la red alimentaria, donde, a su vez, son consumidos por topillos, musarañas y arañas.
"El calentamiento climático altera significativamente el flujo de energía a través de las redes alimentarias, de modo que los animales que históricamente se sustentaban en redes alimentarias basadas en plantas ahora se sustentan en redes alimentarias basadas en hongos derivadas de la descomposición subterránea", dijo Manlick.
Los animales pueden alterar el ciclo del carbono
El trabajo de Manlick y sus colegas subraya que los animales sirven como un vínculo crucial entre las redes alimentarias verdes y marrones; también muestra que el calentamiento climático altera este vínculo entre las especies del Ártico y los bosques boreales. Las posibles implicaciones de estos cambios inducidos por el clima son mayores de lo que podría implicar el pequeño tamaño de estas especies.
"Los cambios en estas interacciones pueden tener efectos indirectos sobre el ciclo de los nutrientes y la función del ecosistema", dijo Manlick.
Por ejemplo, si los topillos obtienen más energía de fuentes subterráneas, es posible que estén consumiendo menos plantas, lo que podría aumentar el almacenamiento de carbono en los ecosistemas superficiales.
"Gran parte del trabajo actual en latitudes altas se ha centrado en el 'reverdecimiento del Ártico', o la idea de que el calentamiento climático está provocando un mayor crecimiento de las plantas y ecosistemas más verdes. Encontramos exactamente el patrón opuesto: las redes tróficas se están 'oscureciendo'", afirmó.
En el futuro, Manlick planea estudiar por qué estos patrones en plantas y animales difieren y qué significan para el futuro de estos ecosistemas que cambian rápidamente.
El estudio ha sido publicado en la revista Nature Climate Change: Climate warming restructures food webs and carbon flow in high-latitude ecosystems
