Simular la intercepción de luz de manglares

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Los bosques de manglares son la piedra angular de los ecosistemas costeros tropicales y subtropicales. Los manglares pueden crecer donde ningún otro árbol puede hacerlo, trayendo enormes beneficios a la ecología costera. Los complejos sistemas de raíces de los manglares atrapan sedimentos y contaminantes y estabilizan la costa. También proporcionan lugares de reproducción y hábitat para la vida silvestre y la vida marina y refugio de las tormentas.

Desafortunadamente, los manglares se enfrentan a numerosas amenazas, como el aumento del nivel del mar, la contaminación río arriba, la tala y la expansión urbana. Los bosques de manglares se encuentran entre los biomas más ricos en carbono y contribuyen en un promedio del 14 % al secuestro de carbono en los océanos del mundo. Pero cuando se limpian y destruyen, liberan enormes cantidades de dióxido de carbono a la atmósfera y contribuyen al cambio climático.

Se necesita con urgencia mejorar nuestra capacidad para predecir la respuesta de los manglares a estas amenazas.

El modelado por computadora se puede utilizar para comprender y predecir los impactos humanos y del cambio climático en este ecosistema vulnerable. Primero, los modelos deben desarrollarse con suficiente detalle para representar los procesos fisiológicos y estructurales únicos de los manglares.

La disposición de las hojas de una planta (filotaxia) afecta su capacidad para realizar la fotosíntesis. El posicionamiento óptimo de las hojas puede maximizar el área de superficie disponible para interceptar la luz solar. En las especies de manglares, la filotaxis es un fenómeno en gran parte inexplorado, y los modelos actuales de manglares no reflejan adecuadamente la morfología distinta de los árboles.

Dr Faustino Chi, un postdoctorado en la Georg-August-Universität Göttingen, y sus colegas reconstruyeron la arquitectura detallada de las plántulas de mangle rojo para crear un modelo que atrapa la luz.

Para recopilar datos sobre los manglares rojos, los investigadores viajaron en bote al lado noreste del atolón Turneffe, que se encuentra a más de 20 millas de la costa de Belice. Allí tomaron fotos digitales de alta resolución, en el sitio mediciones manuales y digitalización 3D realizada con seguimiento electromagnético.

Recolectar estos datos no fue fácil. Chi explica: “Algunas medidas tuvieron que tomarse durante la marea baja. También hubo desafíos en el uso del equipo de digitalización Fastrak en un entorno tropical remoto. Por ejemplo, las condiciones de viento requirieron que cosecháramos las plántulas y usáramos un enrejado cerrado, ya que las plantas tenían que estar completamente inmóviles para digitalizar. Se necesitaba un generador portátil compacto para alimentar los dispositivos de campo. También teníamos que tener mano firme durante las horas del proceso de digitalización, cuando los mosquitos y los flebótomos estaban a la caza. También era muy importante contar con contenedores impermeables o herméticos para mantener el equipo seco de la alta humedad y las lluvias repentinas en el campo”.

Las plántulas digitalizadas y las medidas manuales se utilizaron para reconstruir la arquitectura del árbol. Luego, a partir de fotografías y notas de campo, crearon un algoritmo de filotaxis (disposición de las hojas sobre un tallo). Esto permitió a los autores reconstruir digitalmente los árboles con hojas utilizando la plataforma de modelado 3D GroIMP.

Para simular la interceptación de la luz por hojas individuales, los autores utilizaron el modelo de radiación basado en el trazado de rayos estocástico integrado en GroIMP.

Los resultados preliminares permitieron a los autores evaluar y visualizar la fracción de luz absorbida por hojas individuales en todo el dosel y el efecto de cambiar el ángulo de la hoja en la radiación absorbida relativa a través del plano de la plántula. Las mediciones de la luz absorbida son necesarias para calcular las contribuciones fotosintéticas de hojas individuales en trabajos futuros.

Como siguiente paso, los autores quieren seguir desarrollando su modelo de árbol 3D. "En el futuro, planeamos integrar la simulación de otros procesos como el flujo del xilema y el floema y el comportamiento mecánico estructural en nuestro modelo de manglar", dice el Dr. Chi.

LEER EL ARTÍCULO:

Chi, F., Streit, K., Tavkhelidze, A. y Kurth, W. (2022) "Reconstrucción de la filotaxis usando el ejemplo de manglares rojos digitalizados (Deficiencia de Rhizophora) y aplicación a la simulación de atrapamiento de luz”, plantas in silico. https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac002

Este manuscrito es parte de la Edición Especial del Modelo de Planta Estructural Funcional de Planta in silico.