Pérdida de biodiversidad y extremos climáticos: la urgencia de una agenda científica conjunta

Mundo Nuestro. Se desarrolla en estos primeros días de diciembre en Montreal, Canadá, la reunión Convenio de las Naciones Unidas sobre la Diversidad Biológica. Por su importancia para comprender el alegato científico sobre las repercusiones que el cambio climático representa para la conservación de la biodiversidad, presentamos traducido este ensayo publicado el pasado 30 de mayo en la revista Nature.

Basta de silos: desarrollar una agenda científica conjunta para comprender las crisis globales entrelazadas del sistema de la Tierra.

Por Miguel D. Mahecha, Ana Bastos, Friedrich J. Bohn, Nico Eisenhauer, Hannes Feilhauer, Henrik Hartmann, Thomas Hickler, Heike Kalesse-Los, Mirco Migliavacca, Friederike E. L. Otto, Jian Peng,  Johannes Quaas, Ina Tegen, Alexandra Weigelt,  Manfred Wendisch &   Christian Wirth

(Foto de portadilla: Abetos muertos en Schleiden, Alemania, vistos en longitudes de onda infrarrojas. Crédito: Bernd Lauter/Getty)

A medida que los humanos calientan el planeta, la biodiversidad se desploma. Estas dos crisis globales están conectadas de múltiples maneras. Pero los detalles de los intrincados bucles de retroalimentación entre la disminución de la biodiversidad y el cambio climático están sorprendentemente poco estudiados.

Es bien sabido que los extremos climáticos, como sequías y olas de calor, pueden tener impactos devastadores en los ecosistemas y, a su vez, que los ecosistemas degradados tienen una capacidad reducida para proteger a la humanidad contra los impactos sociales y físicos de tales eventos. Sin embargo, solo unas pocas relaciones de este tipo han sido investigadas en detalle. Aún menos conocido es si los ecosistemas empobrecidos en biodiversidad también tendrán un efecto negativo sobre el clima, provocando o exacerbando los fenómenos meteorológicos extremos.

Para nosotros, un grupo de investigadores que vivimos y trabajamos principalmente en Europa Central, la llamada de atención fue la secuencia de olas de calor de 2018, 2019 y 2022. Nos pareció irreal ver un bosque de llanura aluvial sufrir estrés por sequía en Leipzig, Alemania. En toda Alemania, se han dañado más de 380 000 hectáreas de árboles (ver go.nature.com/3etrrnp; en alemán), y el sector forestal está luchando para planificar las actividades de restauración en las próximas décadas1. ¿Qué podría haber protegido estos ecosistemas contra tales extremos? ¿Y cómo afectará aún más el daño resultante a nuestro clima?

En junio de 2021, el Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC) y la Plataforma Intergubernamental de Ciencia y Política sobre Biodiversidad y Servicios de los Ecosistemas (IPBES) publicaron su primer informe conjunto2 en el que se identificó la necesidad de un trabajo más colaborativo entre estos dos dominios. Y están en marcha algunos buenos movimientos políticos: la nueva Estrategia Forestal de la UE para 2030, publicada en julio de 2021, y otras iniciativas políticas de alto nivel de la Comisión Europea, reconocen formalmente el valor multifuncional de los bosques, incluido su papel en la regulación de los procesos atmosféricos y el clima. Pero queda mucho más por hacer.

Para cuantificar a fondo el riesgo que viene, los ecologistas, los científicos del clima, los expertos en teledetección, los modeladores y los científicos de datos deben trabajar juntos. La próxima reunión del Convenio de las Naciones Unidas sobre la Diversidad Biológica en Montreal, Canadá, en diciembre es una buena oportunidad para catalizar dicha colaboración.

Búferes y respuestas

Cuando se lamenta la disminución de la biodiversidad, la mayoría de la gente piensa primero en la tragedia de las especies que se extinguen. Pero hay también cambios más sutiles en marcha.

Por ejemplo, un estudio en Alemania mostró que durante el último siglo, la cobertura de la mayoría de las especies de plantas ha disminuido, y solo unas pocas han aumentado en abundancia3. También se ve afectada la funcionalidad de las especies4: la diversidad genética y la diversidad de formas y estructuras que pueden hacer que las comunidades sean más o menos eficientes para absorber nutrientes, resistir el calor o sobrevivir a los ataques de patógenos.

Cuando se transforman ecosistemas completos, su funcionalidad a menudo se degrada. Se quedan con menos capacidad para absorber la contaminación, almacenar dióxido de carbono, absorber agua, regular la temperatura y apoyar las funciones vitales de otros organismos, incluidos los humanos5. Por el contrario, los niveles más altos de biodiversidad funcional aumentan las probabilidades de que un ecosistema haga frente a eventos inesperados, incluidos los extremos climáticos. Esto se conoce como efecto seguro6.

Este efecto está bien documentado en experimentos de campo y estudios de modelado. Y cada vez hay más evidencia de ello en las respuestas de los ecosistemas a los eventos naturales. Una síntesis global de varias condiciones de sequía mostró, por ejemplo, que los bosques eran más resilientes cuando convivían árboles con una mayor diversidad de estrategias para usar y transportar el agua7.

Árboles muertos cerca de Iserlohn, Alemania, en abril de 2020 (izquierda) y después de talarlos en junio de 2021 (derecha). Crédito: Ina Fassbender/AFP vía Getty

Sin embargo, la biodiversidad no puede proteger todos los ecosistemas contra todo tipo de impactos. En un estudio de este año en parcelas de los Estados Unidos y Canadá, por ejemplo, se demostró que la mortalidad es mayor en ecosistemas forestales diversos 8. La explicación propuesta para este resultado inesperado fue que una mayor biodiversidad también podría fomentar una mayor competencia por los recursos. Cuando los eventos extremos inducen estrés, los recursos pueden volverse escasos en áreas con alta biomasa y la competencia puede impulsar repentinamente la mortalidad, demeritando los beneficios de la convivencia. Si una mayor biodiversidad protege o no un ecosistema extremo depende en gran medida del sitio en específico.

Algunas plantas responden a la sequía reduciendo la fotosíntesis y la transpiración inmediatamente; otras pueden mantener el negocio como de como lo hacen siemepre durante mucho más tiempo, estabilizando la respuesta del ecosistema en su conjunto. Entonces, la respuesta exacta de los ecosistemas a los extremos depende de las interacciones entre el tipo de evento, las estrategias de las plantas, la composición y la estructura de la vegetación.

Es difícil predecir qué estrategias de plantas prevalecerán y depende en gran medida de la duración y la severidad del extremo climático y de los extremos anteriores9. Los investigadores no pueden explicar por completo por qué algunos bosques, especies de árboles o plantas individuales sobreviven en ciertas regiones afectadas por condiciones climáticas extremas, mientras que masas enteras desaparecen en otros lugares10. Un estudio sobre las hayas en Alemania mostró que las posibilidades de supervivencia tenían una base genómica11, pero no está claro si la variabilidad genética presente en los bosques será suficiente para hacer frente a las condiciones futuras.

Y pueden pasar años antes de que se manifiesten los impactos en el ecosistema. Los efectos de los dos años calurosos y secos consecutivos, 2018 y 2019, fueron una revelación para muchos de nosotros. En Leipzig, el crecimiento de los árboles disminuyó, los patógenos proliferaron y los fresnos y arces murieron. El doble golpe, interrumpido por un invierno suave, además de la pérdida a largo plazo de la humedad del suelo, hizo que los árboles murieran a un ritmo entre 4 y 20 veces mayor que el habitual en toda Alemania, dependiendo de la especie (ver go.nature.com/3etrrnp; en alemán). La devastación alcanzó su punto máximo en 2020.

Los cambios en los ecosistemas también pueden afectar las condiciones atmosféricas y el clima. En particular, el cambio de uso del suelo puede alterar el resplamdor (albedo) de la superficie del planeta y su capacidad de intercambio de calor. Pero hay mecanismos de influencia más complejos.

La vegetación puede ser fuente o sumidero de sustancias atmosféricas. Un estudio publicado en 2020 mostró que la vegetación bajo estrés es menos capaz de eliminar el ozono que las plantas no estresadas, lo que lleva a niveles más altos de contaminación del aire12. El polen y otras partículas biogénicas emitidas por ciertas plantas pueden afectar el punto de congelación de gotas de nubes sobreenfriadas, lo que permite que se forme hielo en las nubes a temperaturas mucho más cálidas13, con consecuencias para las lluvias14. Los cambios en la composición de las especies y el estrés pueden alterar la dinámica de estas emisiones de partículas. El estrés de las plantas también modifica la emisión de gases orgánicos volátiles biogénicos, que pueden formar partículas secundarias. Los incendios forestales, potenciados por la sequía y los monocultivos, afectan las nubes, el tiempo y el clima a través de la emisión de gases de efecto invernadero y partículas de humo. Los datos satelitales muestran que la forestación puede impulsar la formación de una capa de nubes refrescantes de bajo nivel15 al mejorar el suministro de agua a la atmósfera.

Prioridades de investigación

Una pregunta importante es si existe un circuito de retroalimentación: ¿los extremos más intensos y más frecuentes acelerarán la degradación y homogeneización de los ecosistemas, lo que a su vez, promoverá más extremos climáticos? Hasta ahora, no lo sabemos.

Una de las razones de esta falta de conocimiento es que, hasta ahora, la investigación ha sido selectiva: la mayoría de los estudios se han centrado en los impactos de las sequías y las olas de calor en los ecosistemas. Se sabe relativamente poco sobre los impactos de otros tipos de extremos, como una 'primavera falsa' causada por un período de clima cálido al comienzo de la temporada, una helada de primavera tardía, fuertes lluvias, niveles máximos de ozono o exposición a altos niveles de radiación solar durante el clima seco y despejado.

Los investigadores no tienen una visión general, y mucho menos un catálogo global, de cómo cada dimensión de la biodiversidad interactúa con la amplitud total de los extremos climáticos en diferentes combinaciones y en múltiples escalas. En un mundo ideal, los científicos sabrían, por ejemplo, cómo la variación en la densidad del dosel, la edad de la vegetación y la diversidad de especies protege contra el daño de las tormentas; y si la diversidad de las estructuras del dosel controla los procesos atmosféricos, como la formación de nubes, como consecuencia de los extremos, y cómo lo hace. Los investigadores deben vincular los patrones espaciotemporales de la biodiversidad con las respuestas de los procesos de los ecosistemas a los extremos climáticos.

La creación de un catálogo de este tipo es un gran desafío, particularmente dada la ocurrencia más frecuente de extremos climáticos con pocos o ningún precedente16. Los científicos también deberán tener en cuenta la creciente probabilidad de acumulaciones de factores de estrés climático. Las formas en que los ecosistemas responden a eventos complejos17 podrían ser bastante diferentes. Los investigadores tendrán que estudiar qué facetas de la biodiversidad (genética, fisiológica, estructural) son necesarias para estabilizar los ecosistemas y sus funciones frente a estos embates.

Hay al menos una buena noticia: las herramientas para la recopilación y el análisis de datos están mejorando rápidamente, con grandes avances durante la última década en las observaciones satelitales para el monitoreo del clima y la biodiversidad. El programa europeo de observación de la Tierra Copernicus, por ejemplo, que incluye la flota de satélites Sentinel 1 y 2, y otras misiones lanzadas recientemente que cubren las longitudes de onda más importantes del espectro electromagnético, ofrece observaciones con resolución de escala métrica del estado bioquímico de las plantas y estructura de dosel. Los estados atmosféricos se registran con un detalle sin precedentes, verticalmente y en el tiempo.

Los científicos ahora deben hacer que estos datos sean interoperables para integrarlos con observaciones in situ. Esto último es un desafìo. Sobre el terreno, los investigadores y los científicos ciudadanos están recopilando una nueva generación de datos18. Por ejemplo, se obtienen conocimientos únicos sobre las respuestas de las plantas al estrés a partir de fotografías de lapso de tiempo de la orientación de las hojas; Se ha demostrado que las medidas del acelerómetro de los patrones de movimiento de los tallos proporcionan indicadores del estrés por sequía de los árboles19.

Se necesitan modelos de alta calidad para convertir estos datos en predicciones. El desarrollo de 'gemelos digitales' funcionales del sistema climático está ahora al alcance. Estos modelos replican procesos hidrometeorológicos a escala de metros y son lo suficientemente rápidos como para permitir el desarrollo y la prueba de escenarios con rapidez20. Los modelos análogos para ecosistemas aún se encuentran en una fase más conceptual. Los métodos de inteligencia artificial serán clave aquí, para estudiar los vínculos entre los extremos climáticos y la biodiversidad.

Los investigadores ya no pueden darse el lujo de rastrear las transformaciones globales del sistema de la Tierra en silos disciplinarios. En cambio, los ecologistas y los científicos del clima deben establecer una agenda conjunta, para que la humanidad esté debidamente advertida: de los riesgos de eliminar los amortiguadores de biodiversidad contra los extremos climáticos y del riesgo de amplificar estos extremos.

Referencias

1. Popkin, G. Science374, 1184–1189 (2021).
2. Pörtner, H.-O. et al.Scientific outcome of the IPBES-IPCC co-sponsored workshop on biodiversity and climate change (IPBES Secretariat, 2021).
3. Jandt, U. et al.Nature 611, 512–518 (2022).
4. Oliver, T. H. et al.Nature Commun. 6, 10122 (2015).
5. Isbell, F. et al.Nature 546, 65–72 (2017).
6. Loreau, M. et al. Rev. 96, 2333–2354 (2021).
7. Anderegg, W. R. et al.Nature 561, 538–541 (2018).
8. Searle, E. B., Chen, H. Y. H. & Paquette, A.  Natl Acad. Sci. USA119, e2013171119 (2022).
9. Wu, X. et al.Earths Future 10, e2021EF002530 (2022).
10. Hartmann, H. et al. Rev. Plant Biol.73, 673–702 (2022).
11. Pfenninger, M. et al.eLife10, e65532 (2021).
12. Lin, M. et al.Nature Clim. Change10, 444–451 (2020).

13. O’Sullivan, D. et al. Rep.8, 13821 (2018).
14. Mülmenstädt, J., Sourdeval, O., Delanoë, J. & Quaas, J.  Res. Lett.42, 6502–6509 (2015).
15. Duveiller, G. et al.Nature Commun.12, 4337 (2021).
16. Fischer, E. M., Sippel, S. & Knutti, R. Nature Clim. Change11, 689–695 (2021).
17. Zscheischler, J. et al.Nature Rev. Earth Environ.1, 333–347 (2020).
18. Wolf, S. et al.Nature Ecol. Evol. https://doi.org/10.1038/s41559-022-01904-x (2022).
19. Kattenborn, T., Richter, R., Guimarães-Steinicke, C., Feilhauer, H. & Wirth, C. Methods Ecol. Evol.13, 2531–2545 (2022).
20. Bauer, P., Stevens, B. & Hazeleger, W. Nature Clim. Change11, 80–83 (2021).