La NASA fomenta formas innovadoras de comprender la biodiversidad.

El cuco de pico amarillo tiene alas marrones suaves, un vientre blanco, una cola larga con manchas blancas y negras, y se está quedando sin lugares para vivir. La población del cuco en su área de reproducción nativa en el este de los Estados Unidos ha disminuido en las últimas décadas debido a la urbanización, las olas de calor y otros factores. El cambio climático probablemente reducirá aún más su hábitat adecuado.

Basándose en datos de múltiples misiones satelitales (no todas recopiladas al mismo tiempo), un equipo de científicos y artistas gráficos de la NASA creó capas de datos globales para todo, desde la superficie terrestre hasta el hielo marino polar y la luz reflejada por la clorofila los miles de millones de plantas microscópicas que crecen en el océano. Créditos: NASA / Goddard Space Flight Center / Reto Stöckli.

Aunque el cuco es solo una especie en un vasto mundo de flora y fauna, su historia no es única. Para estudiar y monitorear los cambios en la biodiversidad de la Tierra, o el inmenso volumen de organismos en el mundo, los científicos y científicos ciudadanos registran sus avistamientos en el campo. Al mismo tiempo, los sensores en tierra y a bordo de satélites y aviones monitorean la flora y la fauna en una escala regional a global.

La NASA ha financiado cuatro proyectos para crear nuevos portales virtuales que enfocan esta riqueza de información sobre biodiversidad para ayudar a informar a los científicos, administradores de tierras y tomadores de decisiones en todo el mundo sobre el estado y la salud de los ecosistemas terrestres.

Cada uno de estos proyectos resalta un aspecto diferente de la biodiversidad y permite a los usuarios crear mapas fáciles de usar y otros productos de información para rastrear especies sanas y vulnerables a medida que compiten por los recursos, migran a hábitats más seguros y se adaptan al cambio climático.

"Los ecosistemas saludables y la rica biodiversidad son fundamentales para la vida en la Tierra", dijo Laura Rogers, gerente de proyectos que supervisa estos esfuerzos en el Centro de Investigación Langley de la NASA en Hampton, Virginia. "Estos proyectos proporcionan información crítica a los conservacionistas y formuladores de políticas para proteger nuestro planeta", dijo Rogers.

¿Dónde están las plantas y los animales?

Si alguna vez has visto una rana verde brillante con rayas de tigre y te has preguntado qué es eso y cómo puedo encontrar más, estás de suerte. Las ranas de hoja con rayas de tigre son una de las muchas especies incluidas en el Mapa de la Vida, una base de datos virtual interactiva que rastrea mamíferos, aves, reptiles, anfibios y algunas especies de peces, insectos y plantas en todo el mundo. La base de datos también puede pronosticar dónde vivirán las especies en el futuro y ayudarlo a determinar si sus hábitats estarán protegidos por las leyes y reglamentos.

"A medida que el mundo que nos rodea cambia rápidamente, la sociedad, los encargados de formular políticas, las empresas y las personas deben tomar decisiones sobre cómo interactuar con el medio ambiente", dijo Walter Jetz, profesor de la Universidad de Yale que dirige el esfuerzo del Mapa de la Vida. "Los datos están aumentando rápidamente", dijo Jetz.

La herramienta Map of Life integra imágenes satelitales, registros de museos, salidas de modelado e información basada en agua y tierra de científicos ciudadanos. Por ejemplo, el Mapa de la Vida reúne información de los satélites de la NASA, como Landsat, que se ejecuta conjuntamente con el Servicio Geológico de EE. UU., E instrumentos como el Espectrorradiómetro de Imágenes de Resolución Moderada (MODIS) a bordo de los satélites Terra y Aqua. "Estos satélites están ofreciendo datos globales que podemos usar y combinar con datos en bruto sobre las ocurrencias de especies", dijo Jetz.

La herramienta tiene como objetivo ayudar a las agencias gubernamentales y no gubernamentales a tomar decisiones informadas mientras trabajan para conservar y proteger las especies más vulnerables de nuestro planeta. Jennifer McGowan, coordinadora técnica de planificación espacial de The Nature Conservancy, es responsable de ayudar a su organización a priorizar las acciones de conservación. "El proyecto Map of Life proporciona información a nivel de especie", dijo McGowan, que es útil para priorizar qué acciones de conservación tomar para proteger especies específicas.

"Los mapas de rango de especies del Mapa de la Vida, en particular, son invaluables" para ayudar a los esfuerzos que equilibran las oportunidades de conservación en hábitats terrestres y oceánicos de manera rentable y pragmática, dijo McGowan.

El equipo también creó una aplicación móvil de Map of Life que permite al usuario explorar sus alrededores y registrar sus propios avistamientos. Contiene información sobre más de 30,000 especies alrededor del mundo. Si alguien en Houston, Texas, quisiera descubrir libélulas locales, por ejemplo, abriría la aplicación, buscaría su ubicación y vería una foto y una descripción de los bailarines en polvo, o Argia moesta, insectos del tamaño de un mármol con alas largas y translúcidas.

Tanto la aplicación como el portal en línea revelan cómo los cambios en el uso de la tierra, como el cultivo de alimentos, la tala de árboles y la construcción de ciudades, son los principales impulsores de la configuración de la biodiversidad, dijo Jetz. Si hay un cambio en el medio ambiente, como un nuevo edificio sobre un humedal, probablemente habrá un impacto en la biodiversidad, como una disminución de las libélulas en un área en particular.

Un cuco de pico amarillo (Coccyzus americanus) se sienta en una rama. Créditos: Magnus Manske, Wikimedia

¿Cómo se ven afectadas las comunidades de especies por el cambio climático?

Los investigadores de la Universidad de Duke en Durham, Carolina del Norte, también están creando una herramienta para ayudar a identificar los cambios en la biodiversidad en América del Norte. En particular, el equipo, dirigido por Jennifer Swenson y Jim Clark, ambos profesores de Duke, quieren saber cómo una especie podría afectar a otra a medida que se traslada y compite por hábitats adecuados en un mundo en calentamiento. El equipo creó un portal web interactivo que reúne información satelital, aérea y terrestre, así como proyecciones climáticas y pronósticos ecológicos, para rastrear cómo el cambio climático afectará a las especies y comunidades de vida silvestre.

Por ejemplo, el Predicting Biodiversity with a Generalized Joint Attribution Model, o PBGJAM, utilizó la información recopilada por la Red Nacional de Observatorios Ecológicos (NEON) y los datos de la Tierra de la NASA y el clima, entre otras fuentes, para revelar dónde los pájaros carpinteros, bolsillo de desierto ratones y abetos blancos, entre muchas especies, podrían migrar bajo futuros escenarios climáticos.

"Necesitamos considerar quién vive con quién para comprender los impactos más grandes", dijo Swenson. Por ejemplo, si los ratones de bolsillo del desierto no sobreviven a una sequía, ¿encontrarán sus depredadores otras fuentes de alimentos, cambiarán de ubicación o también perecerán?

El portal PBGJAM tiene como objetivo explorar cómo una comunidad biodiversa responde al cambio climático en su conjunto para predecir con mayor precisión el impacto tanto en las especies individuales como en todo el ecosistema.

Para abordar esto, el equipo de PBGJAM se basó en su poderoso Modelo de Atribución Conjunta Generalizada, o la última parte del acrónimo, que puede obtener diferentes tipos de datos para múltiples especies. Por ejemplo, el ratón de bolsillo del desierto y otras especies de ratones se concentran actualmente en la región suroeste de los EE. UU. A medida que comienzan a perder hábitats viables con el cambio climático y el desarrollo, se verán obligados a moverse hacia el norte o el este, mientras compiten con cada uno otro para recursos y escabullirse de depredadores nuevos y viejos.

El modelo considera cuántas especies viven en una región específica y cuántos hábitats adecuados existen para especies específicas. El modelo también puede predecir cómo todo esto podría cambiar en el futuro y cómo los movimientos de una especie podrían afectar a los de otra a medida que cambian las comunidades.

PBGJAM proporciona una interfaz web que reduce la barrera de entrada para que los tomadores de decisiones, los científicos y cualquier persona interesada participe. Solo necesitan elegir un tipo de ecosistema y luego ver cómo ha cambiado, dijo Adam Wilson, profesor de la Universidad de Buffalo.

¿Cuándo florecerán las cosas?

Si bien PBGJAM adopta un enfoque amplio para estudiar los impactos del cambio climático en las comunidades de especies, el Sistema de Información Fenológica Avanzada (APIS) se centra en la dinámica estacional de las especies de plantas. Más específicamente, APIS proporciona un marco para explorar cómo el cambio climático y otros factores pueden afectar la fenología, o el estudio de eventos estacionales del ciclo de vida, tales como hojas, floración, reproducción y migración.

APIS incluye una constelación de software que se basa en millones de observaciones basadas en el campo, cámaras cercanas a la superficie y datos satelitales para explorar y sintetizar observaciones fenológicas de diferentes tiempos y en varias escalas espaciales. El esfuerzo fue codirigido por Jeff Morisette, científico jefe del Consejo Nacional de Especies Invasoras y Tom Maiersperger, científico del proyecto del Centro de Archivo Activo Distribuido de Procesos Terrestres. El centro forma parte del Sistema de Datos e Información del Sistema de Observación de la Tierra de la NASA y está ubicado en el Centro de Ciencia y Observación de los Recursos de la Tierra del Servicio Geológico de los Estados Unidos en Sioux Falls, Dakota del Sur.

APIS incluye información de MODIS, PhenoCam (una cámara digital configurada en ubicaciones fijas para capturar imágenes de lapso de tiempo y dirigida por investigadores de la Universidad del Norte de Arizona), la Red Nacional de Fenología de EE. UU. (USA-NPN) y NEON. El proyecto también incluye Conservation Science Partners que lideraron el desarrollo de software para desarrollar pronósticos fenológicos a corto plazo.

"Cuando ves que florece un árbol lila, puedes decir que esa es la primavera para ese árbol lila", dijo Morisette. Pero, ¿qué significa eso para el comienzo de la temporada, según lo detectado por una observación satelital?

"APIS proporciona información más completa sobre un área más amplia, a través de varias redes de monitoreo y en una gama de escalas", dijo Morisette. "En el contexto de plantas y animales invasores, es importante comprender cómo las especies compiten entre sí y cómo la dinámica del ecosistema y el clima más amplios están afectando a esas especies", dijo Morisette. "Si solo observa a escalas temporales y espaciales limitadas, es probable que se pierda algo", dijo

"Nuestro objetivo para APIS era desarrollar tecnología para hacer que los datos sean más accesibles y fáciles de integrar con los datos de otras fuentes de observación", dijo Kathy Gerst, científica de USA-NPN. Gerst trabajó con Morisette y otros para crear APIS. "APIS permite a las personas reunir datos sin problemas", dijo Gerst.

Los ecologistas, los administradores de recursos naturales y los climatólogos pueden usar APIS para observar la relación entre la fenología y el clima para ver cómo las especies amenazadas, en peligro de extinción e invasoras responden a los cambios de temperatura y lluvia, dijo Gerst.

APIS también puede ayudar a los investigadores a crear mapas para determinar si la primavera es temprana en un año en particular y estudiar los patrones a largo plazo para ver cómo cambian las tendencias con el tiempo. Por ejemplo, Gerst y otros publicaron un documento que vincula los índices de primavera, o modelos que muestran el inicio de la primavera, con la actividad fenológica real, como la floración, en 19 especies de árboles y arbustos.

Otros grupos que usan APIS incluyen los Centros de Ciencias de Adaptación Climática del Sudoeste y Norte Central del Servicio Geológico de EE. UU. Ambos centros están examinando los vínculos fenológicos con la sequía. El Servicio de Parques Nacionales de EE. UU. Está utilizando APIS para comprender mejor la vegetación y los suelos en su División de Inventario y Monitoreo, y el Zoológico de Denver y la Reserva Natural Ikh Nart en Mongolia están utilizando APIS para informar su estrategia de manejo de pastizales.

Una rana de hoja con rayas de tigre (Phyllomedusa tomopterna) se sienta en una hoja. Créditos: Jacopo Werther, Wikimedia

¿Qué nos dicen los colores de las plantas?

Para ayudar a proporcionar a APIS, PBGJAM y el Mapa de la Vida datos sólidos de la planta, un equipo dirigido por Phil Townsend creó el Sistema de Información Espectral Ecológica (EcoSIS). Townsend es profesor en la Universidad de Wisconsin-Madison.

Las hojas frescas y las copas de los árboles exuberantes se ven de un verde vibrante para nuestros ojos debido a los espectros o la forma en que reflejan la luz solar. Como absorben todas las longitudes de onda, excepto el verde, vemos verde. Cuando comienzan a cambiar a amarillo y rojo, las hojas reflejan las longitudes de onda de esos colores.

Estos signos reveladores, o cambios en los espectros, ayudan a los investigadores a comprender la salud de la vegetación. Aunque hay más datos espectrales que nunca antes de sensores aéreos, satelitales y terrestres, los datos no siempre son fáciles de usar.

La base de datos EcoSIS es un portal integral para agregar, descubrir y usar datos espectrales. "La información espectral es un indicador de la biodiversidad", dijo Natasha Stavros, una ingeniera que trabaja con Townsend en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA. Los datos espectrales pueden ayudarnos a comprender la diversidad genética, dijo Stavros.

Ahora que EcoSIS está en funcionamiento, el equipo está desarrollando el entorno de procesamiento de espectroscopía geoespacial en la nube (GeoSPEC), que es un prototipo para un sistema de datos centrado en el usuario que facilita el acceso y el uso de información espectral. A medida que enviamos más instrumentos al espacio y recopilamos datos de aviones y sensores terrestres, terminamos con una enorme cantidad de datos.

Para hacer que esos datos sean accesibles, GeoSPEC opera en un entorno en la nube para que los investigadores puedan acceder, trabajar y jugar con los datos sin tener que abrumar las capacidades de hardware de sus computadoras. “GeoSPEC no se trata de acceder a los datos; se trata de habilitar el acceso a la información ", dijo Stavros.

Próximos pasos.

La fenología se relaciona con el momento de los eventos periódicos del ciclo de vida de plantas y animales, como el cambio de color de las hojas en el otoño en el Monumento Nacional Canyon de Chelly en Arizona. Créditos: Servicio de Parques Nacionales

Si bien GeoSPEC se basa en EcoSIS, el equipo de PBGJAM planea crear herramientas que incorporen imágenes de detección remota para revelar la estructura, composición y función tridimensional del dosel. Muchas aves, mamíferos e insectos hacen sus hogares en el dosel de vegetación. El equipo de Map of Life planea crear una base de datos en línea que incluya productos de análisis y visualizaciones a partir de datos de biodiversidad detectados de forma remota. Estas herramientas recientemente financiadas continuarán reduciendo la barrera de entrada para que los usuarios interactúen con los datos de biodiversidad

Todos los proyectos fueron financiados por el programa de Tecnología de Sistemas de Información Avanzada (AIST) de la NASA, que es parte de la Oficina de Tecnología de Ciencias de la Tierra en la sede de la NASA. El programa AIST financia proyectos evolutivos y disruptivos que cumplen con los objetivos de la NASA para monitorear y comprender nuestro planeta de manera efectiva. El programa tiene como objetivo aumentar el acceso a los datos científicos y permitir nuevas mediciones de observación y productos de información.

"Los proyectos de AIST están definidos e impulsados ​​por la ciencia", dijo Jacqueline LeMoigne, gerente del programa AIST. Y a cambio, LeMoigne mira los proyectos para ayudar a definir nuevas metas y requisitos científicos para recolectar futuras mediciones científicas desde el espacio.

"A medida que cambia el clima, las especies y las comunidades de especies deben adaptarse o migrar a áreas con condiciones más favorables", dijo Rogers. Estos proyectos AIST ayudan a predecir y rastrear estas adaptaciones y migraciones. "A la larga, el programa también tiene como objetivo permitir futuras misiones de ciencias de la Tierra de la NASA descubriendo y madurando tecnologías informáticas, software y sistemas de información innovadores", dijo LeMoigne.

Elizabeth Goldbaum

Oficina de Tecnología de Ciencias de la Tierra de la NASA

Última actualización: 3 de junio de 2020, enlace publicación.

Editora: Elizabeth Goldbaum