Los
pastos marinos, comunes en los fondos arenosos o lodosos
de lagunas arrecifales y bahías en el Caribe, juegan
un papel importante en mantener el equilibrio en ecosistemas
costeros tropicales. Los pastos son productores primarios
y proveen sustancias para muchos organismos arrecifales.
En sus praderas se reproducen y crían peces arrecifales
y pelágicos, moluscos, langostas y otras criaturas.
Los pastos incrementan la transparencia del agua atenuando
su movimiento y ayudando al depósito de partículas
finas. Su extenso sistema de raíces y rizomas estabiliza
y retiene la arena, ayudando a prevenir la erosión
costera durante tormentas y huracanes, funcionando como
reservorio para las playas, y evitando la abrasión
sobre organismos sésiles como corales. Además,
las hojas fungen como substrato para un gran número
de epibiontes, como las algas filamentosas son otra fuente
alimenticia importante. Por estas razones, el estudio científico
de los pastos marinos es esencial para entender como prevenir
la erosión de playas, mantener pesquerías
viables y proteger a la comunidad arrecifal coralina.
Thalassia
rhizomes and shoots
La
comunidad de pastos consiste de una o más especies
así como de algas calcáreas y carnosas. Los
miembros dominantes de la comunidad son los pastos, que
son similares en estructura a muchas plantas terrestres
por tener hojas, raíces y rizomas (ramas horizontales
que crecen por debajo de la arena). El Caribe cuenta con
8 especies, siendo las más comunes (en orden de importancia)
la hierba tortuga, Thalassia testudinum, la hierba
manatí, Syringodium filiforme y Haludole
wrightii.
En
nuestro laboratorio estudiamos los procesos que controlan
e influencian a la comunidad de pastos marinos, tanto a
nivel poblacional como comunitario. La cercanía de
una pradera relativamente prístina en la laguna arrecifal
de Puerto Morelos, nos permite realizar monitoreos a largo
plazo, y llevar a cabo experimentos in situ. Actualmente
tenemos 4 áreas principales de enfoque:
1.
Programa de monitoreo
Los procesos a nivel de comunidad generalmente cubren escalas
de tiempo extensas (años o generaciones), que se
pueden discernir únicamente por medio de observaciones
a largo plazo. Parte de este programa sigue el protocolo
de CARICOMP (Caribbean Coastal Marine Productivity Program,
UNESCO). En este programa utilizamos métodos básicos
y sencillos para determinar el crecimiento y la productividad
de Thalassia testudinum. También colectamos
toda la vegetación por medio de núcleos, considerando
que la mayoría de biomasa de esta vegetación
se encuentra en el subsuelo.
Durante
los últimos 12 años, no habíamos detectados
cambios drásticos en los pastizales, sin embargo,
en el presente hay varios indicios de eutroficación
(aportación de nutrientes al sistema), tales como
un aumento en Nitrógeno y Fósforo total en
los tejidos de los pastos cercanos a "ojos de agua"
(manantiales submarinos), además de un aumento en
las densidades de algas carnosas. La aportación de
nutrientes no es favorable para un sistema lagunar que requiere
de condiciones bajas en nutrientes para mantenerse en óptimas
condiciones.
2.
Simulando perturbaciones
Los programas de monitoreo permiten observar cambios a largo
plazo en la vegetación, sin embargo, para discernir
los mecanismos responsables de la variabilidad necesitamos
manipular las condiciones ambientales experimentalmente.
Por ejemplo, simulamos lo que sucede cuando un huracán
pasa por encima de un pastizal, enterrando parches de pastos
con sedimentos y removiendo éstos de otras áreas.
Hasta ahora hemos encontrado que dos agentes estructurales
mayores de esta comunidad, Thalassia testudinum y
el alga calcárea Halimeda spp. son bastante
resistentes a ser enterradas por sedimento y remoción,
mientras que otros pastos y macro-algas desaparecen casi
completamente. Esto implica que después de huracanes
mayores, algunas plantas sobreviven (resistencia), otras
se recuperan rápidamente (resiliencia), mientras
otras requieren mucho tiempo (años) para volver a
colonizar. Por lo tanto, la comunidad puede cambiar drásticamente
después de una perturbación dependiendo de
la resistencia y resiliencia de las especies que la componen.
Experimento
| Experiment
3.
Desarrollo vegetal
Estudiar como las plantas crecen y forman órganos
nuevos es esencial para entender cómo se mantienen
o colonizan áreas vírgenes y cómo llegan
a cubrir miles de kilómetros cuadrados del fondo
marino. Todos los pastos marinos dependen de meristemos
activos para su crecimiento, y para estudiarlos debemos
recurrir al análisis de anatomía vegetal.
Meristem
En
colaboración con la Dra. Márquez (Fac. of
Science, UNAM), encontramos que los meristemos apicales
de los haces pueden desactivarse y activarse como respuesta
a los recursos disponibles—un mecanismo que confiere
enorme flexibilidad en el control de la densidad de hojas.
Otro ejemplo es el desarrollo de estructuras reproductivas
y su importancia en procesos evolutivos. Los pastos marinos
son un grupo muy particular de angiospermas (plantas con
flores), porque re-invadieron el océano a partir
de ancestros terrestres y requirieron de adaptaciones especiales
en términos de polinización y desarrollo de
los embriones. Encontramos que las flores masculinas de
las dos especies "gemelas", Thalassia testudinum
en el Atlántico y Thalassia hemprichii
en el Indopacífico, muestran diferencias substanciales
desde del punta de vista ontológico, apoyando la
hipótesis de que estas especies se diferenciaron
hace millones de años, posiblemente desde del tiempo
en que el continente de Gondwana se dividió (hace
más de 60 millones de años).
4.
Genética de poblaciones
La más nueva línea de investigación
en nuestro laboratorio, aún en desarrollo, involucra
el uso de marcadores genéticos (microsatélites)
para identificar individuos dentro de la población
de T. testudinum. Usando métodos tradicionales
esta identificación es virtualmente imposible, porque
los individuos y sus clones alcanzan tamaños enormes
y sus conexiones se desintegran con el tiempo. Al ser capaces
de identificar individuos genéticamente diferentes
podremos contestar múltiples preguntas sobre la diversidad
genética de las poblaciones, los tamaños y
edades de los clones, sus patrones de distribución,
si las plantas se entrecruzan entre si (si hay "consanguinidad")
y la conectividad genética entre áreas geográficas.
Al largo plazo, este conocimiento es esencial para entender
los mecanismos de mantenimiento de las poblaciones en su
área de distribución, y por lo tanto la supervivencia
de esta especie en términos evolutivos.
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Common
in reef lagoons and sandy bays of the Caribbean, seagrass
communities play an important role in maintaining the equilibrium
of tropical coastal ecosystems. As primary producers, seagrasses
help form the foundation of the food chain and provide sustenance
for a great many reef organisms. In addition to food, seagrasses
also provide several other important services to the reef
community: they are the main spawning and nursery area for
local populations of fish, lobster and other reef creatures,
and they trap and bind sediment providing both a reservoir
for beach replenishment and a barrier against shifting sand
for immobile reef creatures such as corals. The scientific
study of seagrasses is therefore critical in understanding
how to prevent beach erosion, maintain viable fisheries, and
protect and replenish the coral-reef community.
Members of the seagrass community
The
seagrass community consists of one or more seagrass species
as well as rhizophytic calcareous and fleshy macro-algae.
The dominant members of the community are the seagrasses,
which are similar in structure to many terrestrial plants
having leaves, roots, and rhizomes (horizontal and vertical
branches growing beneath the sediment). In the Caribbean there
are 8 species of seagrasses, but the most common are turtle
grass (Thalassia testudinum), manatee grass (Syringodium filiforme),
and shoal grass (Halodule wrightii).
We
study the processes which control and influence the seagrass
community at both population and community levels. Our close
proximity to seagrass meadows in the shallow reef lagoon of
Puerto Morelos allows us to undertake regular monitoring and
in situ experiments using scuba. Presently we have 4 main
areas of focus:
1. Monitoring program
Processes at community level tend to cover large time scales
(years or generations) and can only be revealed therefore
by long term observations. Part of our observation program,
which follows the protocol of CARICOMP, uses basic leaf marking
techniques to measure seagrass growth and productivity in
core samples taken at regular intervals.
Measuring leaf density
During
our program over the last 12 years, there have been few changes
in the seagrass community in the reef lagoon. But increased
nutrients in seagrasses near submarine springs, and an increase
in fleshy algae, indicate that this lagoon is very slowly
becoming more nutrient rich. This eutrophication is not good
for reef systems which normally thrive under nutrient poor
conditions. To address these changes we are now monitoring
community structure and CNP tissue concentrations as bioindicators
of nutrient loads. Continued increases in nutrient polution
in the lagoon will likely cause a significant shift in community
composition towards one dominated by fleshy algae.
2.
Simulating disturbance
The monitoring programs allow us to observe long-term variations
in the vegetation, but in order to discern mechanisms which
are responsible for this variability we need to manipulate
environmental conditions experimentally. Presently, for example,
we are simulating what happens when a major hurricane passes
over the area by burying some seagrass patches with sediment
and removing sediment from others. So far we have found that
two major structural agents of this community, the seagrass
Thalassia testudinum and the calcareous algae Halimeda
spp., are fairly resistant to sediment burial and removal,
whereas most other seagrasses and macro-algae disappear almost
completely. This means that after a major hurricane, some
plants will survive (resistance), others will have the capacity
to recover quickly (resilience), but some will need a long
time (years) to repopulate the areas affected. Thus the community
may change drastically depending on the resistance and resilience
of individual community members and their role in the system.
3.
Plant development
Studying the way seagrasses grow is essential for an understanding
of how these species sucessfully colonize thousands of square
kms of the sea-floor. All seagrasses depend on active meristems
for vegetative growth, which can only be studied through detailed
anatomical analysis
In
collaboration with Dra. Márquez (Fac. of Science, UNAM)
we have found, for example, that the apical meristems of the
shoots can inactivate and activate in response to the available
nutrient resources—a mechanism which confers considerable
flexibility in density control. Another example is the development
of reproductive structures and their importance for evolutionary
processes. Seagrasses are an unusual group of flowering plants
in that they re-invaded the ocean from terrestrial ancestors
and therefore require special adaptations in terms of pollinization
and development of embryos.
Female flower of Thalassia
We
have found that female flowers in "twin species"
between major ocean provinces (T. testudinum in the
Atlantic and T. hemprichii in the Indo Pacific) show
substantial differences in the reproductive system from an
ontological point of view, supporting the hypothesis that
these plants have been separated for at least millions of
years.
4. Population genetics
The newest line of research in our laboratory, which is still
under development, involves using genetic markers (microsatellites)
to identify individuals within the T. testudinum population.
Using traditional methods, such identification is impossible
because individuals and their clones can reach sizes of hundreds
of meters, and their connections break up through time. Being
able to genetically differentiate individuals will help us
answer many questions concerning population diversity, clone
size and distribution, and genetic connectivity between geographical
areas, (ie. whether populations are out-crossing or inbreeding,
etc). In the long term, such knowledge is essential in understanding
mechanisms of population maintenance and colonization, and
therefore the survival of this species in evolutionary terms.
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