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Simulación de la interceptación de la luz en los manglares

La reconstrucción en 3D de la filotaxis de los manglares a base de plantas digitalizadas arroja datos novedosos.

Los manglares son la piedra angular de los ecosistemas costeros tropicales y subtropicales. Los manglares pueden crecer donde ningún otro árbol puede hacerlo y aportan enormes beneficios a la ecología costera. Los complejos sistemas de raíces de los manglares atrapan los sedimentos y los contaminantes y estabilizan el bosque litoral. También proporcionan zonas de cría y hábitat para la vida silvestre y marina, refugio y protección contra las tormentas.

Por el contrario, los manglares se enfrentan a numerosas amenazas, como la elevación del nivel del mar, la contaminación de aguas de arriba, la extracción de madera y la expansión urbana. Los manglares son uno de los biomas más ricos en carbono, y contribuyen en un promedio del 14% a la captura de carbono en los océanos del mundo. Pero cuando se talan y destruyen, liberan cantidades masivas de dióxido de carbono a la atmósfera contribuyendo al cambio climático.

Es urgente mejorar nuestra capacidad para predecir la respuesta de los manglares a estas amenazas.

Utilizando la técnica de simulación informática nos puede servir para comprender y predecir el impacto de los seres humanos y el cambio climático en este vulnerable ecosistema. En primer lugar, los modelos deben desarrollarse con suficiente detalle para representar los procesos estructurales y fisiológicos únicos de los manglares.

La configuración de las hojas de una planta (filotaxia) afecta la capacidad de realizar la fotosíntesis al posicionar las hojas para maximizar la superficie disponible para interceptar la luz solar. En las especies de manglares, la filotaxia es un fenómeno poco explorado y los modelos actuales de manglares no representan adecuadamente la diversidad morfológica de estos árboles.

El Dr. Faustino Chi, investigador postdoctoral de la Georg-August-Universität Göttingen, y sus colegas reconstruyeron la arquitectura detallada de arbolitos del manglar rojo para crear un modelo de interceptación de la luz.

Para obtener datos sobre el mangle rojo, los investigadores viajaron en barco hasta el lado noreste del atolón Turneffe, situado a más de 20 millas de la costa de Belice. Allí tomaron fotografías digitales de alta resolución, realizaron medidas manuales “in situ” y llevaron a cabo una digitalización en 3D de arbolitos del mangle rojo mediante registro electromagnético.

La toma de datos no fue fácil. Chi explica: “Algunas medidas de los arbolitos se realizaron durante la marea baja. Lo que dificulta el uso del equipo de digitalización Fastrak en un ambiente tropical remoto; por ejemplo, las condiciones de viento obligaron a cortar unos arbolitos y a utilizar un armazón cerrado para digitalizar las plantas, ya que éstas deben estar fijas para poder digitalizarlas. Se utilizó un generador de electricidad portátil compacto para que funcionara el equipo de campo. Y por supuesto, hay que tener una mano firme durante las horas del proceso de digitalización, momento en que los mosquitos y otros insectos salen a buscarte. También era muy importante llevar contenedores resistentes al agua o impermeables para mantener el equipo seco durante el transporte y de la alta humedad y las lluvias repentinas mientras se estaba en el campo”.

Digitizing setup of R. mangle sapling
Instalación y armazón para digitalizar los arbolitos de R. mangle.

Los arbolitos digitalizados y las medidas manuales se utilizaron para reconstruir la arquitectura de los árboles. A continuación, crearon un algoritmo de filotaxis (distribución de las hojas en un tallo) a base de las fotografías y las anotaciones de campo. Esto permitió a los autores reconstruir digitalmente los árboles con hojas en 3D utilizando la plataforma GroIMP.

There are two mangrove trees. Each shows a progression of actual photo, reconstructed geometry of branch and roots, and the final simulation, which also contains leaves. The final simulation is realistic and similar to the photo.
Comparación de los arbolitos de R. mangle con el modelo de mangle ya con hojas reemplazadas. A y D: Fotografías; B y E: Modelo digitalizado; y C y F: Resultados de la simulación informática.

Para simular la intercepción de la luz por parte de las hojas individuales, los autores emplearon el modelo “stochastic raytracing-based radiation” incorporado en GroIMP.

Los resultados preliminares permitieron a los autores evaluar y visualizar la proporción de luz absorbida de las hojas individuales a lo largo de la copa de los arbolitos. Y también el efecto de cambiar el ángulo de la hoja para observar la radiación absorbida relativa a nivel de todo la copa del arbolito. La medición de la luz absorbida es necesaria para futuros cálculos de las contribuciones fotosintéticas de las hojas individuales.

Visualization of absorbed light for each leaf on a whole sapling. High relative absorption at the top and low at the bottom is evident.
Estimación de la distribución de la luz en las hojas de un arbolito.

“Con el modelo de arbolito en 3D, la simulación de otros procesos, como los flujos en el xilema y el floema y el comportamiento mecánico estructural, podría basarse en dicho modelo de mangle”, dice el Dr. Chi.

Leer el artículo:
Faustino Chi, Katarína Streit, Aleksi Tavkhelidze, Winfried Kurth, Reconstruction of phyllotaxis at the example of digitized red mangrove (Rhizophora mangle) and application to light interception simulation, in silico Plants, 2022;, diac002, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac002


Traducción al español por Dr. Faustino Chi.

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