La hoja plegada de un roble, de un amarillo desvaído, salpicada de manchas oscuras. Recogemos la información contenida en las hojas casi inconscientemente cuando paseamos por el bosque.
por Stéphanie Hegelbach, Universidad de Zúrich
Pero los investigadores de los Laboratorios de Detección Remota de UZH están llevando esta capacidad al siguiente nivel.
Usando un espectrómetro, miden la luz reflejada por las hojas, lo que les da una idea de las propiedades químicas y estructurales de las plantas, incluso desde el espacio exterior. “El espectro es como una huella dactilar única para cada planta”, explica Meredith Schuman, profesora de genética espacial en el Departamento de Geografía.
El seguimiento de la vida vegetal mediante satélites, aviones y drones se conoce como teledetección y podría convertirse en una herramienta importante para contrarrestar la crisis de la biodiversidad. La teledetección permite monitorear la salud y la composición de especies de los ecosistemas, casi en tiempo real. Esto podría ayudar a los gobiernos a identificar áreas que requieren protección en una etapa temprana y brindar retroalimentación directa sobre las medidas de conservación .
Calibración mediante mediciones de campo
«Estamos en el proceso de averiguar qué aspectos de la biodiversidad de las plantas se pueden medir con la teledetección», explica Anna Schweiger, investigadora del Laboratorio de Teledetección de la UZH. Schweiger y Schuman necesitan datos de referencia del campo para asegurarse de que están interpretando los datos espectrales correctamente. Los modelos informáticos les ayudan a identificar la concordancia entre los datos espectrales y de campo y proporcionan información sobre cómo leer la información espectral que han obtenido. «Los pigmentos como la clorofila verde son los más fáciles de identificar, ya que absorben longitudes de onda específicas», explica Schuman.
Sin embargo, la espectrometría no se limita solo a la luz visible: también incluye partes adicionales del espectro electromagnético, como la luz infrarroja. Las hojas reflejan los rayos infrarrojos en el borde del espectro de luz visible , el espectro infrarrojo cercano, con especial intensidad. «Llamamos a esta área de transición el ‘borde rojo'», dice Schuman. «Este patrón de reflexión proporciona información sobre el contenido de clorofila y la capa cerosa en la superficie de las hojas».
Su grupo está trabajando en el uso de datos espectrales para obtener información sobre los perfiles genéticos de las plantas, lo que permitiría a los investigadores estudiar las diferencias genéticas dentro de las especies y sacar conclusiones sobre la diversidad genética . Un estudio a largo plazo de hayas en la cordillera de Lägern dirigido por la estudiante de doctorado Ewa Czyz mostró que los puntos de datos espectrales relacionados con el contenido de agua , fenoles, pigmentos y composición de cera son indicadores adecuados para obtener información sobre la estructura genética de la flora.
Uno de los objetivos del equipo es mejorar su comprensión de estas relaciones. La variación genética dentro de una especie es particularmente importante para la biodiversidad, ya que un gran acervo genético da a las plantas más libertad para reaccionar ante factores ambientales negativos, como plagas o sequías. «Si perdemos la diversidad genética y la diversidad de especies, los ecosistemas pierden su capacidad para absorber impactos externos», explica Schweiger.
Los investigadores de la unidad de Schuman, principalmente el grupo 4D Forests dirigido por Felix Morsdorf, combinan la espectroscopia con el escaneo láser , lo que implica medir un rayo láser reflejado por el suelo o las plantas y registrar la topografía y la altura de la vegetación. «Los modelos 3D que calculamos a partir de esto brindan información sobre la macroestructura, la estructura de las plantas visibles a simple vista, y cómo esto influye en los datos espectrales», dice Schuman. La combinación de escaneo láser y espectroscopia se considera muy prometedora, ya que estos datos permiten a los investigadores calcular la biomasa y la cantidad de carbono almacenado, por ejemplo.
Diversas comunidades vegetales
Los dos investigadores no solo buscan conexiones directas entre los espectros y las características de las plantas; también están comparando los espectros entre sí. «Las plantas con características similares y especies relacionadas muestran espectros similares», explica Schweiger.
Ha desarrollado un índice de diversidad espectral que muestra la diversidad tanto dentro como entre las comunidades de plantas (diversidad alfa y beta, respectivamente). La resolución de los datos espectrales es fundamental para evaluar la diversidad de este tipo. «Necesitamos una resolución extremadamente alta para identificar plantas individuales, lo que se requiere para estimar la diversidad alfa. Esto significa que solo debe haber una planta por píxel», dice Schweiger.
Los espectrómetros de imágenes satelitales, similares a los que están desarrollando actualmente la NASA y la ESA, registran la superficie de la Tierra en fragmentos de 30 x 30 metros. «Lo que es fácil de comparar con estos píxeles grandes que capturan muchos especímenes individuales son las diferencias en la composición de especies entre las comunidades de plantas: en otras palabras, la diversidad beta», explica Schweiger.
De la hoja al suelo
La idea es que, en el futuro, las hojas incluso deberían poder proporcionar información sobre la calidad del suelo, ya que las plantas son el principal contribuyente a las características del suelo. «La vegetación muerta, por ejemplo, influye en los procesos del suelo y las actividades microbianas», dice Schweiger. Trabajó en un estudio que utilizó datos de sensores remotos para investigar qué propiedades de las plantas afectan la actividad enzimática, la diversidad de microorganismos, el contenido de carbono orgánico y el contenido de nitrógeno del suelo.
Los resultados del estudio indican que las relaciones entre la vegetación y los procesos del suelo varían según el ecosistema. «Primero, debemos comprender qué tan productivo y rico en especies es un ecosistema en particular en comparación con otros ecosistemas antes de que podamos comenzar a hacer declaraciones sobre las propiedades del suelo», agrega Schweiger. Es esta complejidad la que hace que sea un desafío analizar los datos de la teledetección, además de las grandes cantidades de información que genera la teledetección. Los puntos de datos dependen de cuándo se registraron y de las condiciones ambientales en ese momento: espectros que cambian en cuestión de segundos.
A Schuman incluso le gustaría extender la detección remota a ciertos compuestos químicos que emiten las células y los organismos para comunicarse entre sí. Los insectos pueden detectar moléculas de plantas alimenticias a varios kilómetros de distancia y usar estos olores para navegar hacia su fuente de sustento. «Para nuestra tecnología, todavía es difícil registrar este tipo de información de forma remota», dice Schuman. Schuman, genetista de formación, está particularmente intrigado por la idea de utilizar sensores remotos para registrar moléculas de este tipo, ya que tienen un vínculo directo con los genes. «Los genes contienen las instrucciones de ensamblaje de las proteínas, que a su vez unen estos compuestos químicos», explica.
El único de su tipo
Schuman y Schweiger encontraron su camino hacia su campo de investigación actual en parte gracias a las conversaciones con el presidente de UZH y experto en teledetección Michael Schaepman. Durante décadas, la Universidad de Zúrich ha estado a la vanguardia del desarrollo de tecnología de detección remota, y la universidad reconoció desde el principio la importancia de la detección remota para la biodiversidad. UZH ha sido comisionado por la NASA y la ESA para realizar vuelos de prueba con AVIRIS-NG, el último dispositivo en espectrometría de imágenes. «Este instrumento de medición es el único de su tipo en el mundo», dice Schweiger.
No siempre fue el caso que el trabajo de los dos investigadores los obligara a contemplar los cielos. Ambos pasaron mucho tiempo evaluando pequeñas parcelas de tierra en el campo, particularmente al principio de sus carreras en ecología. «Siempre me pregunté si mis hallazgos también eran válidos para los hábitats cercanos», dice Schweiger. Los métodos de teledetección permiten extrapolar las mediciones de campo a áreas más grandes y monitorear áreas más grandes más fácilmente. La teledetección también era la pieza que faltaba para Schuman. «Este método plantea nuevas preguntas y ha cambiado la forma en que investigamos los ecosistemas», dice. Queda por ver qué misterios revelarán las hojas sobre los ecosistemas de la Tierra en el futuro.
