predice nuestro
burdo modelo
boreales, con su gran complejidad biológica y mecanismos contrapuestos (algunos que frenan el crecimiento y otros que lo aceleran), los mo- delos actuales son todavía demasiado simples para arrojar predicciones precisas.
En un artículo reciente, mi grupo intentó abordar la evolución de los arbustos de la tundra mediante un modelo sencillo de cre- cimiento de las poblaciones de arbustos y la comparación de fotografías. Esperábamos que la expansión de los arbustos calculada por el modelo se correspondería con el calentamiento del Artico desde los años setenta. Para nuestra sorpresa, el modelo indicaba que la expansión se había iniciado hacía unos 150 años, hacia el final de la Pequeña Edad del Hielo. El hecho coincidía con la aparición de los alces, esos ramoneadores patilargos de arbustos, en el talud septentrional de Alaska, así como con el avance del límite del bosque.
Los resultados del modelo apuntaban a una extensión gradual de los arbustos en respuesta a un ciclo de calentamiento natural que em- pezó mucho antes de la revolución industrial. Otros datos indican que, aunque el proceso se iniciara antes de forma natural, en la actua- lidad continúa y tiende a acelerarse a causa del calentamiento provocado por el hombre. Además, la región de propagación de los ar- bustos ha sufrido las cuatro últimas décadas un retroceso notable de los glaciares, un derre- timiento acelerado del permafrost y un avance en el inicio de la primavera (tal como indican las fechas de congelación y fusión de las aguas de ríos y lagos); todos estos fenómenos se han relacionado con el cambio climático de origen
antrópico. Desgraciadamente, es improbable que existan fotografías de inicios del siglo xx que nos permitan demostrar una expansión de los arbustos más lenta entre 1900 y 1950 que entre 1950 y la actualidad.
El mismo modelo simple predecía que ha- rán falta al menos 150 años para que las áreas donde abundan hoy los arbustos se cubran completamente de matorrales; allí donde no hay arbustos, se tardará todavía más. Sin em- bargo, el modelo no tiene en cuenta posibles acontecimientos catastróficos como los incen- dios, que pueden alterar en poco tiempo la vegetación (los arbustos tienden a prosperar en las áreas perturbadas), ni incluye efectos de retroalimentación que pueden acelerar el cambio. En mi fuero interno creo que nues- tra predicción es demasiado conservadora. El paisaje de la tundra cambiará más deprisa de lo que prevé nuestro burdo modelo.
Esa sospecha nace de la observación de las consecuencias de los incendios actuales. Por ejemplo, el mayor incendio de la tundra causado por un rayo, que duró desde julio hasta septiembre de 2007, con unas condi- ciones meteorológicas excepcionalmente secas, arrasó más de 100.000 hectáreas en el talud septentrional de Alaska. Chuck Racine visitó la zona en julio de 2009 y verificó el rebrote de los arbustos en muchos lugares. En áreas semejantes de Alaska occidental, calcinadas hacía más tiempo, el recubrimiento arbustivo se había multiplicado por ocho en 30 años. La intensificación de las tormentas eléctricas y de las condiciones secas podría provocar más incendios. Además, los arbustos, con su mayor biomasa y ramificación, aumentan la probabi- lidad de incendios en el futuro, creándose así un efecto de retroalimentación positivo.
De entre los otros mecanismos de retroali- mentación que operan en la tundra, conoce- mos al menos dos de efecto positivo relacio- nados con la cubierta de nieve en invierno. Se tiende a pensar en una escasa influencia del invierno sobre el desarrollo de los arbustos, ya que éstos crecen durante el verano. Pero los procesos invernales determinan las condicio- nes edáficas e hídricas de la siguiente estación de crecimiento. La importancia del invierno para las plantas del Artico reside en su larga duración. La tundra está cubierta de nieve durante nueve meses al año, y la taiga siete, lo que hace del blanco, y no el verde, el color predominante de esas regiones.
Uno de los procesos de retroalimentación funciona así: los arbustos que consiguen crecer por encima de las macollas herbáceas, durante el invierno atrapan la nieve y forman ventis- queros, de modo que aumentan el espesor de la nieve a su alrededor. La nieve es un aislante ALA
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5. LAS EPOCAS DE GRANDES INCENDIOS FORESTALES en Alaska parecen sucederse ahora con mayor frecuencia, y los incendios son más intensos. Los incendios y los daños producidos por los insectos se alían para pardear el bosque boreal, antaño verde. En estas zonas quemadas proliferan los arbustos, que, con su mayor biomasa y ramificación, aumentan la probabilidad de nuevos incendios en el futuro.
Desde 1987, tras terminar su doctorado en la Universidad de Alaska en Fairbanks, Matthew Sturm es investigador del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de Estados Unidos.
INVESTIGACION Y CIENCIA, julio, 2010 51
6. EL MAPA DEL ARTICO, basado en datos de satélites recopilados y analizados
por el grupo de Scott Goetz, del Centro de Investigación de Woods Hole, refleja cambios en el estado de la tundra y del bosque boreal entre 1982 y 2005. Los análisis, concordantes con otros estudios, demuestran que el crecimiento de los arbustos había aumentado (áreas verde claro) y que el bosque había sufrido sequías y una disminución de árboles (áreas pardas).
excelente, casi tan bueno como un edre- dón de plumón (ello se debe
a que la nieve acumulada contiene
hasta un 75 por ciento de aire). Allí donde la capa de nieve es más gruesa, las temperaturas del suelo no descienden tanto. En algunas zonas de arbustos hemos registrado temperaturas en la base de la nieve 10 grados Celsius superiores a las zonas adyacentes con macollas. Las con- diciones más cálidas prolongan en invierno la actividad microbiana del suelo, que concentra así más nutrientes. En consecuencia, al llegar el verano, los arbustos crecen vigorosamente y alcanzan mayor altura, lo que les permite atrapar más nieve en los inviernos siguientes. De este modo, el ciclo se refuerza.
El otro efecto de retroalimentación deri- va del albedo (reflectividad) de la nieve. Las ramas oscuras de los matorrales altos sobre- salen de la nieve durante el invierno, y sobre todo en la primavera. Las ramas absorben más energía solar que la nieve blanca, lo bastante para causar un calentamiento local y acelerar en primavera la fusión. Como resultado, se adelanta la estación de crecimiento y los ar- bustos alcanzan aún mayor altura.
Los mecanismos de retroalimentación in- vernales son fáciles de comprender, si se con- sideran por separado. Pero puesto que no son mutuamente independientes, ni tampoco lo son respecto a los procesos estivales (algunos de ellos se conocen, pero otros no), el efecto neto es incierto. Por ejemplo, los ventisqueros más profundos producidos por los matorrales deberían, en principio, tardar más en derre- tirse en primavera que la nieve de otras zonas próximas. ¿Puede entonces el efecto del albedo contrarrestar la mayor lentitud de fusión de la nieve más espesa? La sombra y la hojarasca, dos procesos de retroalimentación estivales, no acaban de entenderse del todo. Se sabe que la sombra asociada a un recubrimiento arbusti-
vo superior disminu- ye las temperaturas del suelo en verano, oponiéndose al efecto ventajoso de los ventisqueros invernales sobre la actividad microbiana. Por otro lado, la hojarasca de los arbustos modifica la concentración de nutrientes alrededor de éstos y puede estimular su crecimiento.
Muchos investigadores intentan describir esos efectos contradictorios, o al menos con- fusos; de hecho, varios grupos desarrollan mo- delos predictivos de la evolución de la tundra y del bosque boreal. Pero una de las incógnitas clave es saber si el clima futuro traerá más o menos nieve. Siguiendo el ejemplo del estudio de la desaparición del hielo marino, para hallar la respuesta a las grandes preguntas deberemos investigar los cambios físicos actuales en el paisaje y proyectarlos en el futuro, y no única- mente aplicar modelos informáticos. No es de extrañar, pues, que los pares de fotografías de Alaska se utilicen como datos experimentales en el desarrollo de modelos.
Tuvimos la enorme fortuna de poder dispo- ner de las fotografías excepcionales realizadas por la Armada en el talud septentrional de Alaska. El hallazgo fortuito es tan importante en ciencia como en otros aspectos de la vida. Sin las fotografías quizá no hubiéramos identi- ficado tan pronto la transformación del paisaje, posiblemente tan profunda como la fusión del hielo marino. Las fotografías constituyen la prueba más gráfica y evidente del fenómeno, aunque los satélites y la tarea minuciosa de los dendrocronólogos aportan otra información muy valiosa.
Ahora el reto es diseñar un método para predecir la evolución de las tierras árticas y la velocidad con que se producirá. Aunque la complejidad de los sistemas biológicos dificulta la tarea, si anticipamos los cambios antes de que nos sorprendan podremos actuar de forma oportuna. CO RT ES IA D E S CO TT G O ET Z C entr o d e i nvesti gació n W oo ds H ole
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Bibliografía
complementaria
Océano Artico
A
finales de los años noventa del siglo pasado, Dirk G. Soenksen se cuestio- naba la manera de proceder en pato- logía. Al mismo tiempo que los patólogos se afanaban para conseguir imágenes de buena calidad con el microscopio, sus hijos jugaban con la videoconsola ante pantallas de alta reso- lución. ¿No podrían contemplarse del mismo modo las muestras de tejidos humanos?Este interrogante le llevaría a recorrer un largo camino. Tras dieciocho meses de arduo trabajo, Soenksen se erigía como director de Aperio, una compañía de patología digital afin- cada hoy en Vista, California. Sus objetivos —así como los de otras empresas jóvenes y grandes firmas sanitarias— no se limitan a trasladar de los microscopios a los ordena- dores las imágenes de tejidos afectados, sino que se enmarcan en un contexto más general: convertir la anatomía patológica (y, con ella, la interpretación de biopsias) en una cien- cia mucho más cuantitativa. Ello mejoraría la precisión de los diagnósticos y ofrecería a los médicos un seguimiento más fino de los tratamientos, lo que ayudaría a evaluar su eficacia y a introducir con rapidez cualquier modificación necesaria.
Es cierto que la mayoría de los patólogos ya emplean de un modo u otro los medios informáticos, aunque sólo sea para hacer ano- taciones en las bases de datos de pacientes. Pero sólo aquellos que se dedican a la investi- gación recurren con cierta asiduidad a muestras digitalizadas. En general, los patólogos carecen de medios para obtenerlas o para acceder a las
mismas. La Agencia Federal de Fármacos y Alimentos estadounidense (FDA) sólo autoriza el examen de muestras digitales para ciertas aplicaciones clínicas, todas ellas relacionadas con el cáncer de mama.
Hoy por hoy, los cientos de millones de muestras que se preparan cada año siguen manipulándose tal y como se hacía un siglo atrás: una muestra de tejido se secciona en finas láminas que posteriormente se tiñen para destacar rasgos concretos; después, el patólo- go coloca la muestra en el portaobjetos de un microscopio. En el caso de la biopsia de un cáncer de mama, por ejemplo, se buscan en el tejido una serie de características, tales como el número de células anómalas y el grado del tumor, que a su vez depende de particu- laridades como la estructura celular. Como señala George K. Michalopoulos, director del departamento de patología en la Universidad de Pittsburgh, tal tarea de examen punto por punto sobre el microscopio la acomete, hoy en día, el ojo humano.
Es obvio que un patólogo no puede exami- nar todos y cada uno de los puntos de cada muestra de la que dispone. En cambio, un ordenador sí puede analizar todos los píxeles de una versión digitalizada, amén de identi- ficar y cuantificar los patrones que permiten distinguir entre salud y enfermedad, como son la estructura interna, el color, la textura y la intensidad de cada píxel, célula por célula.
El recurso a medios informáticos no supon- dría prescindir de los patólogos. Más bien al contrario: una digitalización de las muestras
CONCEPTOS BASICOS Sería deseable una renovación de las técnicas en patología clínica. Los métodos de análisis de muestras son los mismos que hace cien años. Técnicas recientes permi- ten novedosas manipu- laciones de las imágenes digitalizadas de biopsias. En último término, la pa- tología digital proporcio- nará un diagnóstico más preciso de las muestras de tejidos.