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versión impresa ISSN 0378-1844

INCI v.30 n.9 Caracas sep. 2005

 

EL USO DE ISÓTOPOS ESTABLES EN BIOLOGÍA TROPICAL

Louis S. Santiago, Katia Silvera, José Luis Andrade y Todd E. Dawson

Louis S. Santiago. Doctor en Botánica, Universidad de Florida, EEUU. Postdoctorante, Departamento de Biología Integral, Universidad de California, Berkeley, EEUU. Dirección: 3060 Valley Life Sciences Building, Berkeley, CA 94720-3140, EEUU. e-mail: santiago@berkeley.edu

Katia Silvera. Maestría en Ciencias Botánicas, Universidad de Florida, EEUU. Becaria Pre-doctoral, Instituto Smithsonian de Investigaciones Tropicales, Panamá.

José Luis Andrade. Doctor en Biología, Universidad de California, Los Angeles, EEUU. Profesor Investigador, Centro de Investigación Científica de Yucatán, México.

Todd E. Dawson. Doctor en Ecología, Universidad de Washington, EEUU. Profesor, Universidad de California, Berkeley, EEUU.

Resumen

El uso de isótopos estables en biología ha aumentado en los últimos años debido al gran poder que tienen los isótopos para medir procesos que antes eran difícil o imposible de cuantificar utilizando otros métodos. A pesar de que la mayoría de los estudios con isótopos se han concentrado en zonas templadas, en años recientes han aumentado los estudios realizados en los trópicos, lo cual ha permitido entender en detalle procesos complejos. Esta revisión enfatiza aquellos estudios que utilizan la composición isotópica de hidrógeno, carbono, nitrógeno y oxígeno para estudiar procesos biogeoquímicos en ambientes tropicales, tanto a escala molecular como regional. Al detallar los avances recientes sobre estudios en los trópicos, se espera estimular más estudios en esta área. También, con base en los resultados asombrosos que se obtienen usando isótopos en biología tropical, se tiene certeza de que los isótopos estables proporcionarán avances exitantes en el futuro.

Summary

The use of stable isotopes in biology has increased in recent years because of the power of these techniques to measure processes that are difficult or impossible to quantify using other methods. Although most isotopic research has been concentrated in temperate zones, there has been an increase in isotopic studies in the tropics in recent years that have led to the understanding of detailed processes in complex ecosystems. This review highlights studies that use isotopic composition of hydrogen, carbon, nitrogen, and oxygen to study biogeochemical processes in tropical environments from molecular up to regional scales. By describing the current state of knowledge in isotopic studies in the tropics, it is hoped to stimulate more research in this area. Based on the spectacular results obtained from the use of isotopes in tropical biology, there is confidence that isotopes will lead to exciting advances in the future.

Resumo

O uso de isótopos estáveis em biologia tem aumentado nos últimos anos devido ao grande poder que têm essas técnicas para medir processos que antes eram difícil ou impossível de quantificar utilizando outros métodos. Apesar de que a maioria dos estudos com isótopos tem-se concentrado em zonas temperadas, em anos recentes tem aumentado os estudos realizados nos trópicos, o qual ha permitido entender em detalhe processos complexos. Esta revisão enfatiza aqueles estudos que utilizam a composição isotópica de hidrogênio, carbono, nitrogênio e oxigênio para estudar processos biogeoquímicos em ambientes tropicais, tanto a escala molecular como regional. Ao detalhar os avanços recentes sobre estudos nos trópicos, se espera estimular mais estudos nesta área. Também, com base nos resultados assombrosos que se obtêm usando isótopos em biologia tropical, se tem a certeza de que os isótopos estáveis proporcionarão avanços exitantes no futuro.

PALABRAS CLAVE / Carbono / Hidrógeno / Isótopos Estables / Nitrógeno / Oxígeno /

Recibido: 20/11/2004. Modificado: 18/07/2005. Aceptado: 21/07/2005.

Los análisis con isótopos estables se han convertido en una herramienta ecológica que revela cómo los recursos de animales y plantas se mueven dentro de los ecosistemas. Sin embargo, los estudios isotópicos para ambientes tropicales son escasos en comparación con la gran cantidad de estudios que han sido publicados en zonas templadas. Las proporciones de isótopos estables de hidrógeno (2H/1H), carbono (13C/12C), nitrógeno (15N/14N), y oxígeno (18O/16O) ofrecen muchas posibilidades en biología tropical, ya que pueden proveer información acerca de procesos que son difíciles de cuantificar usando otras técnicas, como lo son el origen de recursos utilizados por los organismos, procesos metabólicos dentro de los organismos, migración de animales, estudios de niveles tróficos, y ciclos biogeoquímicos, entre otros (Dawson et al., 2002). En esta revisión, se detallan ejemplos de los tipos de descubrimientos que se han hecho en ecosistemas tropicales usando los isótopos estables de hidrógeno (H), carbono (C), nitrógeno (N), y oxígeno (O). También se trata de incentivar más estudios en ambientes tropicales que utilicen isótopos estables, dirigiendo al lector a información más detallada sobre métodos y tópicos de interés.

Los isótopos son átomos de un elemento que tienen las mismas propiedades químicas pero diferentes masas. Muchos procesos naturales causan una distribución desigual de isótopos pesados y livianos entre compuestos, y esta distribución puede dar información acerca de la física, la química y los procesos metabólicos que ocurren en transformaciones isotópicas. Las transformaciones isotópicas que llevan a cambios en la abundancia relativa de isótopos pesados y livianos entre el sustrato de la fuente y sus productos son llamados fraccionamientos isotópicos. Este fraccionamiento existe debido a que los isótopos más livianos forman enlaces químicos que requieren menos energía para romperse. En reacciones químicas, los isótopos más livianos generalmente reaccionan más rápido y tienden a quedar más concentrados en los productos (Dawson y Brooks, 2001). La variación existente en el rango de valores isotópicos de materiales de interés biológico (Tabla I) puede ser utilizada para marcar y trazar elementos que se mueven en ciclos biogeoquímicos complejos, tanto en plantas como en dietas de animales. En esta revisión se intenta estimular el uso de los isótopos estables en biología tropical, ya que el poder de esta herramienta para estimar el movimiento de recursos a lo largo de sistemas biológicos complejos parece especialmente apropiado en ambientes tropicales.

Mediciones de Isótopos Estables

Los análisis automatizados en espectrometría de masas de isótopos y el desarrollo de laboratorios que brindan este servicio, han llevado a un rápido aumento en el número de estudios ecológicos que aplican análisis con isótopos estables. Para medir los isótopos estables, generalmente se toman muestras de material conocido, como aire, suelo, agua y/o tejido de plantas o animales. Las muestras son convertidas a forma gaseosa por combustión. Las muestras gaseosas son luego introducidas al espectrómetro de masas, ionizadas, y sus moléculas separadas de acuerdo a su masa. Luego, la proporción de masa/carga es medida de acuerdo a la proporción (R) de isótopos pesados (p.e. 15N) a liviano (p.e. 14N) de la muestra (Dawson y Brooks, 2001). Estas proporciones son luego convertidas a valores de delta (d), en partes por mil, mediante la fórmula

donde Restándar se refiere a una proporción estándar de material aceptada internacionalmente, la cual es específica y diferente para cada isótopo analizado. De esta manera se asegura que los datos entre diferentes estudios y diferentes laboratorios sean comparables (Werner y Brand, 2001). Un mayor valor de proporción isotópica, o d, generalmente indica que la muestra es más pesada y, consecuentemente, más positiva en su valor d relativo al material estándar. Cabe destacar que en la literatura, los términos "enriquecido" o "empobrecido" son comúnmente utilizados para referirse al isótopo más pesado o al más raro (p.e. "La muestra estaba empobrecida en 13C...").

Carbono

El carbono entra a la biósfera en forma de CO2 atmosférico que luego es fijado por las plantas mediante el proceso de fotosíntesis. La materia orgánica que es producida durante la fotosíntesis tiene un valor d13C indicativo de la ruta metabólica de la planta. Las diferencias existentes en d13C de las plantas están íntimamente relacionadas con el grado de discriminación en contra del 13C de las enzimas carboxilasas (mayormente por rubisco en plantas C3 y por PEP-carboxilasa en plantas C4 y CAM). Estas diferencias permiten discernir entre las diferentes rutas metabólicas mayormente utilizadas por las plantas, basándose en una simple medición isotópica de C. Así, las plantas que tienen una ruta metabólica C3 presentan un valor d13C entre -20 y -35‰; las plantas que tienen una ruta metabólica C4 tienen un valor d13C entre -9 y -17‰; y las plantas que tienen metabolismo ácido de las crasuláceas (CAM) presentan valores d13C que abarcan el rango de las plantas C3 y C4 (-10 a -22‰) y parecen estar relacionados con la proporción relativa de fijación C3 y C4 (Bender, 1971; Osmond, 1978). Esta proporción suele estar determinada por el estrés ambiental que experimentan las plantas CAM (Winter et al., 1978; Farquhar et al., 1989).

Las variaciones de d13C en plantas han sido utilizadas para estudiar la distribución de rutas metabólicas en comunidades de plantas o en grupos de especies emparentadas, como una forma de entender la evolución de las rutas fotosintéticas en taxones relacionados. Especies con rutas metabólicas C3 y C4 pueden ser fácilmente diferenciadas utilizando isótopos de C porque sus rangos de abundancia natural de d13C no se sobreponen (Cerling et al., 1999). Es importante señalar que se puede subestimar el número de especies con fotosíntesis CAM en estudios que utilizan solamente valores de d13C para determinar esta ruta fotosintética (Pierce et al., 2002; Winter y Holtum, 2002; Silvera et al., 2005). Los valores d13C han sido utilizados en combinación con la acumulación de acidez nocturna medida por titulación para estimar, por ejemplo, que el 51% de especies de orquídeas de Panamá tienen metabolismo CAM (Silvera et al., 2005). En otro estudio, los valores isotópicos d13C fueron utilizados para distinguir entre herbáceas con rutas fotosintéticas C3 versus C4 (Miranda et al., 1997). Los valores d13C también han sido utilizados junto con análisis filogenéticos para estimar el origen múltiple de fotosíntesis CAM en las familias Bromeliaceae (Crayn et al., 2004) y Orchidaceae (Silvera et al., 2003). Los análisis con d13C han sido utilizados como una herramienta importante en estudios de ecología y distribución evolutiva de rutas metabólicas (Keeley y Rundel, 2003).

Los valores d13C en plantas también pueden tener importancia biológica cuando son comparados entre especies que tienen la misma ruta fotosintética (Farquhar et al., 1982). Por ejemplo, la difusión de CO2 puede afectar la discriminación de isótopos de C durante la fotosíntesis C3. Farquar et al. (1982) han desarrollado un modelo que describe la relación entre la concentración intercelular de CO2 (ci), la concentración de CO2 del ambiente (ca) y la discriminación contra el 13C durante la fotosíntesis. Ya que la diferencia entre ci y ca es proporcional al CO2 asimilado fotosintéticamente/conductancia estomática (A/gs: eficiencia de uso de agua; Farquhar y Sharkey, 1982), las mediciones foliares de d13C en plantas C3 reflejan una medida integral de la eficiencia del uso de agua a través del tiempo en que fue asimilado el tejido foliar. Así, las medidas de d13C se convierten en una herramienta importante para investigar la forma en que las plantas ajustan su metabolismo de intercambio gaseoso, estrategias para el uso de recursos y los rasgos de historia de vida (Ehleringer y Cooper, 1988; Farquhar et al., 1989; Ehleringer, 1993). En ecosistemas templados se ha observado que el d13C en las plantas varía con la humedad del suelo, la humedad del ambiente, la disponibilidad de nutrimentos, la temperatura, la salinidad y la concentración de CO2 atmosférico (revisión de Dawson et al., 2002). En bosques tropicales, se ha mostrado que el d13C foliar varía con la distancia al borde del bosque, la altura del bosque y el estado sucesional de las especies (Medina y Minchin, 1980; Medina et al., 1991; Kapos et al., 1993; Huc et al., 1994; Ometto et al., 2002). Los isótopos de C pueden ser utilizados para evaluar los rasgos relacionados con la fotosíntesis, la conductancia estomática, el potencial hídrico, la concentración de N foliar, el grosor de la hoja, la fenología y la tasa de crecimiento relativo debido a las respuestas integrales del d13C con las funciones fisiológicas de las plantas (Farquhar y Richards, 1984; Mooney et al., 1989; Vitousek et al., 1990; Meinzer et al., 1992; Poorter y Farquhar, 1994; Schulze et al., 1998; Bonal et al., 2000). Sin embargo, en bosques tropicales, la interpretación del d13C se complica debido a que el d13CO2 es reciclado del CO2 respirado dentro del dosel del bosque (Sternberg et al., 1989; Broadmeadow et al., 1992; Yakir y Sternberg, 2000).

Las medidas y análisis de d13C del CO2 atmosférico y del CO2 dentro del dosel de un bosque pueden dar información integral, tanto espacial como temporal, de las fuentes de C respirado si se usan los llamados "Keeling plots" o gráficos de Keeling (Keeling, 1958; Quay et al., 1989; Flanagan y Ehleringer, 1998). En la Figura 1 se muestra como la ordenada en el origen del gráfico de Keeling da el promedio del valor de d13C del CO2 respirado por el ecosistema (dr). Varios ejemplos de las fuentes que contribuyen al valor total de dr demuestran el potencial para separar las contribuciones a la respiración del ecosistema (Tu y Dawson, 2005). Debido a la diferencia en el rango de d13C en plantas C3 y C4 (ver arriba), es posible discernir la contribución de dos fuentes distintas a la respiración del ecosistema. Por ejemplo, en un bosque del cerrado brasileño, los análisis de dr demuestran que el 40% del C respirado fue producido por gramíneas C4, mientras que el 60% de la respiración del ecosistema fue producido por árboles y palmas C3 (Miranda et al., 1997). En un bosque amazónico de Manaus en Brasil, el fuego removió la mayoría de la vegetación C3 y favoreció un incremento en la dominancia de gramíneas C4, lo que resultó en un valor dr mayor, correspondiente a una proporción más alta del C derivado de la materia orgánica C4 (Ometto et al., 2002). En un bosque de tierras bajas en Panamá, el dr fue utilizado para monitorear la contribución de la regeneración de la vegetación de un bosque C3 en la respiración total del ecosistema luego del abandono de pastizales que fueron previamente dominados por gramíneas C4 (Pendall et al., 2003). En un bosque viejo del Amazonas en Brasil, el dr es similar a los valores d13C de hojas de sol de especies dominantes de árboles, a pesar de la gran estratificación vertical del d13C foliar (9‰). Esto indica que la mayoría del C que ha sido recientemente respirado en estos bosques fue fijado por las hojas de sol en la parte superior del dosel del bosque (Ometto et al., 2002). En algunos bosques tropicales, el dr varía con los cambios de precipitación y temperatura (Ometto et al., 2002), mientras que en otros bosques, el dr no parece ser diferente entre la estación lluviosa y la seca (Buchmann et al., 1997). Es claro que se necesita más investigaciones que caractericen patrones tan complejos de respiración en ecosistemas tropicales. Sin embargo, es evidente que el uso de los isótopos estables ha producido avances importantes y descubrimientos en el área de los ciclos de C en ecosistemas, y es muy probable que en el futuro aumente nuestra comprensión de la contribución de la vegetación en bosques tropicales a los ciclos globales de carbono.

Nitrógeno

El N ocurre en la naturaleza en forma orgánica e inorgánica y circula en ecosistemas terrestres a través de procesos complejos (ver la figura 2 en Dawson et al. 2002). Las reacciones que no son completadas generan una variación en los valores de abundancia natural de d15N entre las diferentes partes dentro de los ecosistemas. Debido a que muchos procesos discriminan contra el 14N y 15N, la variación natural de d15N resultante puede ser utilizada para obtener información sobre las fuentes de N utilizadas por los organismos. Sin embargo, el ciclo de N es complejo y las interpretaciones de d15N provenientes de diferentes fuentes pueden resultar erróneas (Handley y Scrimgeour, 1997). A pesar de las limitaciones para usar d15N en ecología, cuando cada fuente dentro de un sistema tiene un d15N distintivo y detectable, es posible determinar las fuentes de N de las plantas (Shearer y Kohl, 1986; Evans, 2001; Robinson, 2001) o de animales (DeNiro y Epstein, 1981; Ehleringer et al., 1986; Hobson, 1999; Herrera et al., 2002) o bien cuantificar los cambios de nutrimentos en relaciones simbióticas o relaciones mutualistas (Treseder et al., 1995; Sagers et al., 2000). Los estudios con enriquecimiento de 15N se han popularizado debido a las limitaciones ya mencionadas para investigar ciclos y fuentes de N con técnicas que utilizan la abundancia natural. Nuevas técnicas como el análisis isotópico dual que analizan el d15N y el d18N en NO3 (Durka et al., 1994) podrían distinguir entre fuentes de N de plantas y animales, y determinar con mayor precisión la entrada y salida de N de los ecosistemas. Trabajos realizados recientemente sobre redes alimenticias y dietas tienen mucho que aportar en este sentido (Koch et al., 1995; Schell et al., 1998; Hobson, 1999).

Estudios realizados en plantas asumieron que el d15N del tejido de la hoja reflejaba el d15N de la fuente de N mayormente utilizada por la planta. Ahora sabemos que esto es incorrecto, ya que la abundancia natural del d15N de la planta refleja el efecto neto de una variedad de procesos que incluyen la presencia de múltiples fuentes de N con valores diferentes de d15N, como las asociaciones con micorrizas, la variación temporal y espacial de la disponibilidad de N, y los cambios en la demanda de N por la planta (Handley y Scrimgeour, 1997; Högberg, 1997; Evans, 2001; Robinson, 2001; Dawson et al., 2002). Además de la compleja variación en los valores de d15N de las fuentes, los valores d15N de las plantas usualmente difieren de los valores de las fuentes debido a las interacciones entre las fuentes y el fraccionamiento metabólico dentro de la planta (Robinson et al., 1998; Kolb y Evans, 2002; Santiago et al., 2004). Es claro que se requieren experimentos de laboratorio para elucidar cómo las rutas metabólicas fraccionan los isótopos de N.

Los estudios de isótopos han generado nueva información sobre el uso de N en epífitas y hemiepífitas debido a que estas formas de crecimiento utilizan fuentes de N que regularmente tienen valores d15N distintivos (Hietz et al., 2002; Wania et al., 2002; Reich et al., 2003). En bosques de montaña de Costa Rica, las epífitas que crecen en ramas pequeñas y que no tienen acceso al suelo del dosel (materia en descomposición presente en las ramas de los árboles) tienen valores de d15N más bajos que epífitas enraizadas en el suelo del dosel, lo que indica que las plantas que crecen en ramas pequeñas reciben una mayor proporción de N directamente de la precipitación (Hietz et al., 2002). Reich et al. (2003) demostraron que las fuentes de N cambian durante el desarrollo ontogénico en bromeliáceas epífitas. Individuos pequeños utilizan 77-80% del N atmosférico, mientras que individuos más grandes utilizan predominantemente N que es derivado del suelo del dosel. La aplicación de 15N a tres especies hemiepífitas del género Clusia en Costa Rica demostró que las formas enraizadas, tanto epífitas como terrestres, prefirieron amonio en vez de nitrato o glicina, y que el cambio entre el hábitat enraizado del suelo del dosel y el suelo terrestre no estuvo acompañado por un cambio en la tasa de toma de N, a pesar de que la disponibilidad y la composición de N variaron grandemente entre hábitos enraizadores (Wanek et al., 2002).

El N fijado biológicamente tiene un valor d15N similar al del N2 de la atmósfera (0‰). Por esto, plantas como las leguminosas que fijan N2 a través de relaciones simbióticas con bacterias deben tener valores d15N similares a 0‰ (Delwiche y Steyn, 1970; Shearer y Kohl, 1986), mientras que las plantas no fijadoras tienen un d15N similar al de su fuente de N, además de cualquiera de los efectos metabólicos discutidos anteriormente. Ya que el N del suelo está usualmente enriquecido en 15N (Shearer et al., 1978), es posible medir los valores d15N de plantas fijadoras y no fijadoras de N2 y usar la diferencia entre d15N del suelo y el aire para calcular el porcentaje de N que es derivado a través de la fijación simbiótica de N2 en plantas que fijan N2 (Shearer y Kohl, 1986; Shearer y Kohl, 1993; Boddey et al., 2000; Valles-Mora et al., 2003). En algunas situaciones, los valores d15N no pueden distinguir entre potenciales plantas fijadoras de N2 y plantas no fijadoras de N2 (Högberg, 1986; Pate et al., 1993; Handley et al., 1994; Guehl et al., 1998). En otras situaciones, se han obtenido estimaciones de fijación de N en ecosistemas tropicales en situaciones donde hay una diferencia significativa entre los valores d15N del suelo y del aire (Schulze et al., 1991; Roggy et al., 1999; Koponen et al., 2003). En la Guyana Francesa, por ejemplo, el porcentaje de N foliar del dosel derivado de fijación simbiótica de N2 basado en mediciones foliares de d15N, excavación de nódulos, y la contribución de especies al área basal varía en un rango de 5,5% en bosques lluviosos creciendo en oxisoles (Roggy et al., 1999) y 27,6% en pantanos de agua dulce (Koponen et al., 2003).

Curiosamente, algunas de las técnicas utilizadas para diferenciar el d15N entre leguminosas y no leguminosas fueron utilizadas para analizar huesos fósiles y determinar cuándo el frijol se convirtió en un alimento importante para los antepasados que vivieron en el Valle de Tehuacán, México (DeNiro y Epstein, 1981). Es posible estimar la contribución de diferentes fuentes de alimento a la dieta de los animales siempre y cuando estas fuentes tengan un valor isotópico distintivo. Por ejemplo, en un bosque lluvioso mexicano, se mostró que algunas especies de murciélagos frugívoros derivaron su N de frutas durante la mayoría del año, y otras especies de murciélagos cambiaron su dieta a insectos cuando la abundancia de frutos disminuyó (Herrera et al., 2002). Los análisis con d15N también han sido utilizados para separar aves de bosques lluviosos, en diferentes niveles tróficos, incluyendo a las especies que obtienen su proteína dietética principalmente de plantas, insectos o ambos, ya que el N de los insectos está más enriquecido en 15N que el N de las plantas (Herrera et al., 2003). Cabe destacar que es posible rastrear el origen nutricional y estudiar la migración en animales ya que los organismos que se mueven a lo largo de redes alimenticias tienen valores isotópicos distintivos y acarrean con ellos información sobre la localización de su previa alimentación (Hobson, 1999). Dada la diversidad de aplicaciones sobre el uso de isótopos estables en estudios dietéticos, es aparente que los estudios con isótopos llevarán a mayores avances sobre flujos de recursos a través de comunidades de animales y niveles tróficos, a través de productores primarios, y de consumidores primarios y secundarios que se alimentan de ellos.

Hidrógeno y oxígeno

La forma más abundante de intercambio entre H y O entre el ambiente y los organismos es el H2O. En el ciclo hidrológico, el flujo que ocurre por evaporación de agua de los océanos y su retorno por precipitación ocupa el 90% del ciclo (Gat, 1996). Debido a los procesos de evaporación y precipitación, las composiciones isotópicas de los diferentes componentes del ciclo del agua muestran firmas isotópicas distintivas y detectables. En las fuentes de agua dulce del planeta se ha encontrado una correlación entre d2H (comúnmente llamado deuterio o dD) y d18O que se conoce como la línea de agua meteórica global (Gat, 1996). Ésta muestra una correlación lineal entre ambos isótopos y permite utilizarlos de manera intercambiable en estudios de dinámica de absorción del agua, de transferencia entre diferentes componentes del ecosistema, y para combinar estudios de abundancia natural con enriquecimiento de alguno de los dos isótopos (Dawson et al., 2002).

Las mediciones del contenido isotópico del agua del xilema ayudan a determinar cuál es la fuente de agua más utilizada por las plantas precisamente porque el contenido isotópico del agua de la planta es similar al de la fuente. Esto ocurre ya que no existe un fraccionamiento isotópico realizado por las raíces durante la absorción de agua, con la excepción de manglares (Sternberg y Swart, 1987), y porque no ocurre fraccionamiento durante el transporte de agua a través de los tejidos de la planta, excepto aquellos que transpiran, permitiendo que el contenido isotópico del agua del xilema de la planta sea similar al de la fuente (Ehleringer y Dawson, 1992). Por ejemplo, se encontró que en bosques de montaña en Costa Rica, las formas epífitas de Didymopanax pitteri utilizan predominantemente agua de nubes y agua del suelo del dosel, mientras que las formas hemiepífitas y formas ancladas en el suelo usaron predominantemente agua del suelo del bosque (Feild y Dawson, 1998).

En ecosistemas tropicales, el enriquecimiento evaporador ocurre debido a que la evaporación de agua del suelo durante la estación seca causa que el agua de las capas más superficiales del suelo se enriquezca en D y 18O, con respecto a las capas más profundas del suelo (Goldstein et al., 1996, 2002). De esta forma se puede obtener un perfil, por ejemplo, de d18O con relación a la profundidad de suelo, que permite comparar los valores de d18O del xilema de varias especies leñosas (Oliveira, 2004). La Figura 2 muestra que cuando el d18O del xilema de 27 especies de plantas de la Sabana Brasileña es comparado con el perfil vertical del suelo de d18O, se puede estimar la profundidad de las raíces de varias especies. En este ejemplo, es aparente que especies brevideciduas toman el agua de las capas más profundas, mientras que las gramíneas y herbáceas toman el agua de las capas superficiales. Sin embargo, existe una considerable variación entre diferentes formas de vida, demostrado cuando se excavan los diferentes sistemas de raíces para verificar los patrones observados con isótopos (Oliveira, 2004). En Panamá el enriquecimiento evaporador fue utilizado para mostrar que los árboles deciduos utilizan el agua de sitios superficiales del suelo mientras que los árboles perennifolios aparentemente toman el agua de profundidades mayores (Jackson et al., 1995). Entre las especies perennifolias, los árboles con diámetros menores absorben el agua preferentemente de capas más profundas que los árboles con diámetros mayores (Meinzer et al., 1999), y las lianas acceden al agua de capas más profundas que los árboles, pero también son capaces de utilizar el agua de capas aún más profundas conforme la estación seca avanza (Andrade et al., 2005). Sin embargo, el enriquecimiento evaporador en bosques húmedos de poca estacionalidad y en bosques con estaciones secas pronunciadas puede ser difícil de interpretar, en gran parte debido a la gran variabilidad isotópica existente en el perfil del suelo (Moreira et al., 2000).

En casos donde es difícil interpretar los resultados utilizando abundancia natural de isótopos, se ha utilizado fuentes de agua isotópicamente enriquecida (usualmente en D) para rastrear el movimiento de agua. Por ejemplo, la redistribución hidráulica se demostró mediante el suministro de agua marcada con D en raíces de dos especies de árboles comunes y rastreando la marca isotópica en varias especies de árboles y arbustos vecinos (Moreira et al., 2003). También, utilizando agua marcada con D en varios árboles pequeños en un bosque amazónico se pudieron encontrar raíces laterales de hasta 10m de extensión (Sternberg et al., 2002). En dos ecosistemas del Amazonas oriental, los árboles absorbían el agua a profundidades mayores que las lianas, las cuales mostraban una mayor variación estacional en profundidad de absorción de agua, en contraste con pastizales en donde las plantas tomaban el agua solo de las capas superficiales (Moreira et al., 2000).

Los estudios que utilizan isótopos de agua a nivel de ecosistemas han sido utilizados para entender el efecto de cambios ambientales regionales en el ciclo hidrológico. Por ejemplo, al usar los gráficos de Keeling para el d18O del vapor de agua se mostró que, en la región amazónica, el vapor de agua que viene de la transpiración es mucho mayor en una cubierta forestal que en un pastizal (Moreira et al., 1997). También, se encontró que la precipitación muestra cambios en las abundancias de 18O y D debido a la deforestación (Henderson-Sellers et al., 2002) y que la composición isotópica de los ríos está afectada por las actividades humanas de la región (Martinelli et al., 2004). Esta área de investigación tiene un alto potencial como puente para estudios entre el uso de agua por las plantas y los ciclos hidrológicos regionales y globales.

Las investigaciones con D y 18O tienen un gran potencial para entender procesos bioquímicos y fisicoquímicos que ocurren durante la transpiración, la fijación de CO2 y las reacciones bioquímicas durante la síntesis de celulosa en tejidos no fotosintéticos (DeNiro y Epstein, 1979; Cernusak et al., 2003; Sternberg et al., 2003). En particular, el d18O de la precipitación tiene una alta correlación con la temperatura media anual y es claro que también debe haber una correlación entre los valores de d18O en la celulosa de los anillos de crecimiento de los árboles y la temperatura media anual de ciertas regiones (Burk y Stuiver, 1981). Estudios más finos han incorporado las diferentes señales isotópicas de 18O del agua foliar y del agua del suelo en la celulosa del tallo de las plantas (Roden et al., 2000; Sternberg et al., 2003), lo que incrementa la precisión en las predicciones de climas pasados. Esta metodología incorporada en estudios de ecosistemas tropicales ayudaría a conocer la periodicidad de eventos climáticos, tales como las sequías o los huracanes, sobre todo en bosques estacionales.

En relación a los estudios de D y 18O con animales en el trópico, es evidente el uso de isótopos de agua para rastrear el origen de animales en migración, por ejemplo en aves, usando la variación geográfica y de altitud en la composición isotópica de la lluvia (Chamberlain et al., 1997; Hobson y Wassenaar, 1997; Hobson, 1999). Recientemente, un estudio en Ecuador con colibríes (Hobson et al., 2003) indica que los valores dD de las plumas de estas aves están correlacionadas con la fuente de agua a diferentes altitudes, o los valores isotópicos proveniente de la lluvia a diferentes elevaciones en los Andes. Es evidente que los estudios con isótopos llevarán a mayores avances sobre el entendimiento de movimientos de animales migratorios.

Retos del Futuro

En esta revisión se discuten hallazgos recientes en la biología tropical obtenidos con el uso de isótopos estables. Los isótopos estables permiten responder preguntas en biología tropical que antes no era posible hacer debido a la carencia de métodos apropiados. Estudios interdisciplinarios, con colaboración entre ecofisiólogos y taxónomos, o entre ecólogos de comunidades y especialistas en ecosistemas, ampliarán el alcance a nuevas áreas de investigación mediante el uso de isótopos. Igualmente, las técnicas innovadoras de isótopos, como el análisis dual de isótopos que analizan d13C y d18O en material vegetal, o d13C y d15N en material animal, aumentarán el poder para rastrear recursos e integrar procesos a lo largo de escalas múltiples. Adicionalmente, el análisis y cuantificación de la variación isotópica en compuestos específicos (de plantas y animales) podría ayudar a unir el rumbo de moléculas específicas con su destino dentro de ciclos en ecosistemas tropicales. Finalmente, la aplicación de modelos basados en fraccionamientos isotópicos ayudará a reducir la cantidad de posibles interpretaciones erróneas y revelar mecanismos básicos que aún estén sin conocer en muchos procesos ecológicos.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a R. Oliveira, K. Tu, J.C. Cervera, J. Granados, L. Cuevas y C. Medina por sugerencias y comentarios para mejorar esta revisión. Este trabajo es financiado por la Fundación Nacional para la Ciencia, EEUU (Beca Nº 0310103) y el Fondo Sectorial CONACYT-CONAFOR, México (Nº 9765).

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