De mapas, especies y clima

Los mapas son una herramienta clave para ecólogos y naturalistas. ¿Cuál es su origen? ¿Qué aplicaciones pueden tener? Los fenómenos que estudia la ecología tienen una base geográfica importante, dependen del entorno espacial donde se producen. Por ello, las técnicas cartográficas en combinación con la computación y las grandes bases de datos, nos pueden ayudar a estudiar, por ejemplo, la relación entre el clima, el legado del ser humano y la distribución actual de las especies.

Para Luciana y Gerard.

En el año 2009, la profesora Pilar Utrillo y su equipo dieron a conocer el descubrimiento, en una cueva de Navarra, de una piedra del Paleolítico en la que había grabados una serie de trazos. Esta piedra, se convirtió en la primera representación cartográfica realizada por humanos (Figura 1). Se trata de una ilustración de montañas, ríos y vados con una razonable utilidad para las partidas de caza. El significado de esta curiosa piedra es más afín a los ecólogos – al ubicar la localización de recursos en un entorno natural – que a los cartularios medievales, cuya principal finalidad era orientar a los viajeros y en última instancia definir áreas de influencia política o comercial.

La cartografía detallada de orografía, costas y masas de agua, así como de vías de comunicación, alcanzó su plenitud en los siglos XIX y XX. En esa época, se constituyó en una herramienta bélica y de dominio territorial imprescindible, tal y como reconoció el ilustre geógrafo Yves Lacoste. Por su parte, los naturalistas pronto utilizaron los mapas para describir grandes unidades de vegetación y para interpretarlas. Alexander von Humboldt publicó en su Geographie der Pflanzen, en 1807, un icónico diagrama – Naturgemälde – de la distribución de la vegetación en las laderas del volcán del Chimborazo, que se considera la primera descripción ecológica del paisaje vegetal (Figura 2). Desde el siglo XIX, la botánica y la zoología han venido interpretando la distribución de las especies en el territorio, desarrollando la disciplina de la corología. Para ello, se realizaban cartografías de los lugares en los que se habían encontrado los especímenes, y se interpretaban los patrones, dando una particular relevancia a los procesos históricos y evolutivos. Surgió así la Biogeografía, una importante disciplina a caballo de la historia natural, la evolución y la ecología, que trata de la distribucion espacial de especies y taxones, junto a la interpretación de los procesos que los han generado.

Los avances tecnológicos – por ejemplo, la capacidad de computación y la disponibilidad de sensores remotos – y el desarrollo de los Sistemas de Información Geográfica (SIGs), han ampliado enormemente posibilidades de representar el mundo. Esta información, que puede cubrir con gran detalle toda la superficie de la Tierra, se ha conectado con otras fuentes precisas de información, constituyendo el conglomerado de los big data. En las áreas urbanas estas posibilidades se están desarrollando de forma exponencial, bajo la etiqueta de smart cities. El mundo rural también está incorporando esta tecnología en la gestión de cultivos y granjas. No obstante, sin pretender cuestionar la utilidad de encontrar la gasolinera más próxima, o una ruta en una ciudad desconocida, el uso indiscriminado de estas tecnologías puede hacernos subir un pico de montaña dejando de interpretar los detalles del paisaje que nos envuelve. Para un naturalista o un ecólogo éste no es un detalle menor, aunque seamos usuarios asiduos de estas herramientas.

Estimando la relación entre el clima y la distribución de las especies

Definitivamente, el uso de la información en una base cartográfica se ha popularizado. Por ejemplo, la mayoría de nosotros miramos en nuestros móviles la previsión del tiempo para cualquier población del mundo a unos días vista. Probablemente no somos muy conscientes de los algoritmos que hay detrás, y en particular de que una parte importante de los inputs que recibimos no corresponde a información real sobre el terreno, sino que se trata de interpolaciones. Aún no sabemos todo de cualquier sitio en todo momento – y seguramente, la naturaleza compleja y caótica del mundo evitará una situación tan inquietante como tediosa, como intuía J. L. Borges en sus cuentos-. Es decir, tenemos información veraz de unos cuantos puntos y con ciertos cálculos obtenemos estimaciones de valores de cualquier otro punto que se encuentre entre ellos. Estas estimaciones serán mejores cuanto más conozcamos el entorno entre los puntos y su relación con la variable medida. Por ejemplo, si queremos una estima de la lluvia y sabemos que esta depende de la altitud, podremos mejorar la predicción de lluvia entre dos estaciones meteorológicas (que proporcionan valores reales) si incorporamos los datos de elevación orográfica que hay entre esos dos puntos.

Técnicamente se habla de estimar la idoneidad climática de un punto geográfico para una determinada especie. Así podemos obtener estimaciones de cómo será la idoneidad climática de un territorio para una especie en un escenario de cambio climático si hacemos el cálculo con los valores climáticos que esperamos en el futuro. Es importante comprender que no predecimos donde encontraremos la especie en el futuro, sino que obtenemos una estima, con evidentes incertezas, de en qué lugares el clima será más o menos idóneo para las especies.

Este procedimiento puede aplicarse a la información ecológica que tiene una base geográfica, como es la distribución de las especies. Los botánicos y zoólogos disponen de bases de datos con la localización geográfica de todas las muestras reportadas para cada una de las especies. Esta información no es igualmente completa en todas las regiones del mundo, pero en las zonas más prospectadas se trata de una valiosa fuente de conocimiento. Por otro lado, disponemos de cartografías que informan de características ambientales – a menudo utilizando interpolaciones -, algunas de ellas como el clima, con una gran significación a la hora de explicar los procesos ecológicos. El siguiente paso es correlacionar matemáticamente las citas de las especies con las variables ambientales. Así vemos qué valores climáticos se dan en las localidades donde se han encontrado las especies.  Una vez tenemos esas funciones matemáticas, podemos estimar la probabilidad de presencia de las especies para cualquier valor climático (Figura 3).

Esta aproximación es útil de cara a la conservación de las especies. Por ejemplo, se puede estimar la distancia que tendrían que recorrer las especies desde su localización actual para encontrar unas condiciones climáticas idóneas en el futuro. No obstante, además del clima, hay otros condicionantes que explican la distribución de las especies y que deberemos tener en cuenta. Por ejemplo, en el caso anterior, las distancias que se han de recorrer para encontrar unas condiciones futuras idóneas no representan lo mismo para las especies si hay una buena conectividad en el territorio o si predomina un paisaje fragmentado.

Legado histórico de la actividad humana en la distribución de las especies

Evidentemente, este procedimiento – conocido como modelos correlativos, de nicho, o de envelope –  tiene limitaciones. Para empezar, la base de citas puede estar sesgada si hay zonas que han sido más prospectadas. Más importante aún es que la distribución de las especies, no depende sólo del clima, sino que son importantes otras variables ambientales, como el tipo de suelo para los vegetales o el tipo de vegetación para muchos animales. La distribución de las especies también depende de su capacidad de dispersión, es decir, no se encuentran en un sitio por muy idóneo que sea si aún no han sido capaces de llegar. Esto ilustra la importancia del legado histórico, que no queda reflejado en las variables climáticas. Seguramente el principal agente de ese legado es la actividad humana.

Los humanos han trasladado especies, voluntaria o involuntariamente, por todo el territorio a lo largo del tiempo, a la vez que eliminaban otras, ya fuera por sobreexplotación, porque se consideraban perjudiciales, o sencillamente para favorecer otras especies.

Hay quien afirma que la distribución de las especies forestales en Europa se explica mejor por la gestión histórica que por cualquier otra causa. En un estudio que publicamos con Pep Serra y Trevor Keenan hace unos años, observamos que los modelos predecían cierta idoneidad climática para el pino carrasco en localidades del sudeste de la península Ibérica donde otros modelos basados en la fisiología de la especie lo descartaban. La explicación es que las repoblaciones del último siglo han forzado el crecimiento de esta especie en lugares muy poco propicios. Por el contrario, los modelos fisiológicos mostraban que el pino carrasco podía crecer bien en localidades del norte peninsular, donde en realidad no se encuentra, seguramente, porque otras especies más adaptadas crecen mejor y lo excluyen. Algunas de estas limitaciones pueden ser minimizadas utilizando diferentes técnicas de tratamiento de los datos o diferentes algoritmos de cálculo. No obstante, hay que ser conscientes de ellas y reconocer que estamos ante proyecciones estadísticas y no de predicciones futuras reales.

Idoneidad climática para diferentes poblaciones y especies en episodios de sequía extrema

A pesar de esos problemas, estas técnicas permiten mejorar la caracterización de los requerimientos climáticos de las especies. Durante muchos años, esta caracterización se ha basado en unas categorías – por ejemplo, especies mediterráneas, eurosiberianas, etc. – que combinaban clima y región geográfica y que eran adjudicadas por naturalistas con experiencia. Estas categorías se siguen empleando de forma habitual, aunque probablemente en un futuro sean reemplazadas por cuantificaciones más o menos detalladas. Así se podrá decir, por ejemplo, que una localidad es climáticamente idónea para una especie con un valor determinado en una escala de 0 a 1. Esto tiene la gran ventaja de que permite estandarizar la manera como especies que conviven en un sitio experimentan de forma diferente las mismas condiciones climáticas debido a sus propias características fisiológicas. En un contexto de cambio climático, esto es importante para estimar el comportamiento de las diferentes especies de una comunidad.

En una serie de estudios en matorrales mediterráneos que han experimentado un importante decaimiento por causa de periodos de sequía, hemos comprobado que las especies son más vulnerables cuando su idoneidad climática es menor en la localidad afectada.

Las condiciones específicas de la sequía también pueden ser incorporadas en los modelos, y así podemos obtener valores de idoneidad climática durante el episodio de sequía para las diferentes especies. De hecho, suele ocurrir que estos valores son muy bajos, lo que indica que las plantas que sobreviven al episodio lo hacen gracias a las reservas acumuladas o al acceso a microambientes con algo más de disponibilidad de agua. En ese estudio pudimos observar en tiempo real cómo, en comunidades vegetales, los episodios extremos de sequía actúan como un filtro ambiental que favorecen a aquellas especies más habituadas a climas áridos. Esto es así incluso en ecosistemas como los mediterráneos, ya de por sí con un periodo de fuerte estrés hídrico.

Por otro lado, en otros estudios en los que se comparaba la variación de la idoneidad climática de una misma especie de árbol a lo largo de su área de distribución, Pinus edulis en el SW de Norteamérica (Figura 4), se observó una mayor vulnerabilidad de las poblaciones sometidas a la combinación de una baja idoneidad climática durante el periodo de sequía y una alta idoneidad en los años anteriores. Por tanto, incluso las poblaciones que viven en buenas condiciones climáticas pueden verse afectadas por la mayor variabilidad inherente al cambio climático, y en concreto, por los periodos de fuerte sequía.

Los modelos climáticos nos indican que esperamos que estos episodios de sequía, junto a los de lluvias torrenciales, serán más frecuentes e intensos en el futuro en muchas regiones, como la mediterránea.

Algún estudio reciente estima que, si actualmente la mitad de la lluvia anual cae en 12 días en promedio para toda la Tierra, en un futuro no lejano sólo se necesitarán 6 días para tener ese mismo porcentaje. La razón del comportamiento de estas poblaciones de P. edulis, es que han experimentado una aclimatación a buenas condiciones climáticas, implementando estructuras o vías metabólicas que, por el contrario, las hacen más vulnerables cuando los recursos escasean – por ejemplo, construyendo unos vasos conductores amplios que optimizan el flujo de agua, pero que los hace más vulnerables al embolismo-. Fácilmente podemos aplicar estas situaciones a las sociedades humanas, que en tiempos de abundancia generan dependencia de recursos cuya escasez temporal puede provocar grandes catástrofes.

Este tipo de aproximación que considera la idoneidad climática es susceptible de ser aplicada a diferentes procesos ecológicos en los que el clima tiene una incidencia directa en el comportamiento de las especies. Es el caso de las plagas forestales, en las cuales las condiciones de sequía hacen más vulnerables a los árboles frente al ataque de insectos perforadores – como los escolítidos – al disponer de menos recursos para su defensa. A su vez, el ataque de estos insectos hace más vulnerable a los árboles frente a la sequía, al disminuir sus superficies fotosintéticas y sus reservas – es lo que pasa también con insectos defoliadores como la procesionaria -. De hecho, en poblaciones de pino albar de Cataluña se ha observado que las poblaciones que viven en condiciones climáticas idóneas, pueden ser particularmente vulnerables a los ataques de escolítidos del género Ips cuando esas localidades son climáticamente favorables para los insectos.

Dimensión espacial de la Ecología

La ecología ha reconocido siempre que los fenómenos que estudia son muy dependientes del entorno espacial en el que se producen.

El desarrollo de las técnicas cartográficas en combinación con la computación y las grandes bases de datos han hecho posible responder a cuestiones que hace unos años parecían inabordables. Es bien sabido que el avance de la ciencia se beneficia de la fertilización entre disciplinas. Pero debemos ser conscientes de las limitaciones que entraña este trasvase entre campos del conocimiento, ya que a menudo implica simplificaciones, como cuando se aceptan premisas poco contrastadas. La capacidad para incorporar en nuestros análisis múltiples casos de un determinado fenómeno, muestra la dificultad para aplicar explicaciones genéricas sin considerar el legado histórico y el contexto espacial. Las grandes teorías de la Física nos incitan a indagar los principios universales, pero esa misma disciplina nos enseña a través del estudio de los sistemas complejos, la necesidad de considerar la complejidad espacial y temporal de los fenómenos ecológicos.