Haciendo visibles procesos e interacciones ecológicas a través de la experimentación

Proyecto de Innovación y Mejora de la Calidad Docente Convocatoria 2015 Nº 341 Haciendo visibles procesos e interacciones ecológicas a través de la experimentación Juan Antonio Delgado Sáez Facultad de Ciencias Biológicas Departamento de Ecología 2 1. Objetivos propuestos en la presentación del proyecto La docencia de la Ecología en los grados de biología tiene como dificultad para los alumnos un nivel elevado de abstracción, cuantificación y formalización en comparación con otras materias afines. Esta dificultad no es sólo por el empleo de análisis estadísticos y modelos matemáticos sino también por el uso de conceptos que tienen difícil materialización física y que requieren que el alumno sea capaz de aprehenderlos desde una posición abstracta o a partir de una serie más o menos larga de ejemplos. Otra opción es el uso de los llamados "experimentos mentales" tan usados desde la física, pero que requieren igualmente un nivel de abstracción al que no pueden o no desean llegar los actuales estudiantes de la asignatura en 3º de Grado. Los estudiantes provienen de una cultura de la brevedad y la inmediatez, basada en formatos cortos, tanto de lectura como de vídeo, lo que hace muy difícil conseguir que se centren en explicaciones largas, ni siquiera que aborden el visionado de documentales de más de media hora de duración y mucho menos que se impliquen en lecturas de libros para completar su formación. Durante los últimos años se ha ido incluyendo en las clases experimentos mentales, vídeos de corta duración (menos de 4 minutos) desarrollando experimentos sobre fenómenos físicos y conexiones a programas online para abordar conceptos matemáticos. Sin embargo, los alumnos confiesan que sólo los ven en clase y que no los vuelven a usar para estudiar. Preguntándoles sobre cómo consideran que les resultaría más fácil aprender nos indican que haciendo cosas. Solicitan cada vez más que les enseñemos a hacer las cosas haciéndolas y no mediante lectura o el uso de fórmulas matemáticas. Es evidente que ya tienen contenidos prácticos y, aunque es posible apoyarse en la realización de prácticas para facilitar la adquisición de los conceptos abstractos a través de la experimentación y discusión de ejemplos y alternativas, el desarrollo de las mismas implicaría que sólo se podrían abordar una serie muy limitada de los mismos. Sin embargo, dado el alto contenido en prácticas de la asignatura de Ecología, nos preguntamos por qué los estudiantes no consiguen ni dominar los contenidos prácticos que les proporcionamos ni mejorar especialmente en su conocimiento sobre los conceptos teóricos que abordamos en las prácticas. Nuevamente el problema es el alto grado de abstracción que tenemos en las prácticas de la asignatura. Partiendo de que, aunque las prácticas se rehicieron para el grado, sus contenidos no difieren demasiado de cuando la asignatura se impartía en licenciatura. Nos encontramos, por tanto, con estudiantes menos maduros y con peores conocimientos de matemáticas. Consideramos, por tanto, que se hace necesario, por lo tanto, obtener material de apoyo que permita a los estudiantes trabajar sobre los conceptos abstractos a partir de formulaciones más concretas y poder hacerlo tanto en el ámbito de 3 las clases de prácticas y teoría como posteriormente en sus horas de estudio y trabajo individual. Para ello proponemos la realización de modelos de experimentación que permitan abordar conceptos abstractos en ecología a través de la selección de procedimientos experimentales necesarios para obtener las mediciones (el cómo se hace). Sobre estos procedimientos se realizará un modelo lo más real posible con todos los elementos básicos, de manera que los estudiantes puedan ver la configuración material del mismo y, sobre éste esquema discutir las limitaciones empíricas y su aportación a la generalización abstracta del proceso medido. Los modelos desarrollados podrán usarse, además en la explicación de los ámbitos de investigación que realice el Departamento a las visitas de Institutos de Secundaria. Además, se propone crear tutoriales que puedan ser puestos a disposición del público en general a través de un medio de difusión social tan ampliamente utlizado como es Youtube para que puedan visualizar los detalles del proceso cuando lo consideren necesario. El tutorial presentará el concepto, una propuesta de ensamblaje material, una visualización del procedimiento y resultados discutidos con referencias bibliográficas y apoyo teórico. Por lo tanto, los objetivos específicos propuestos en el presente proyecto eran:  Realización de modelos materiales para el estudio de procesos e interacciones ecológicas.  Realización de fichas resumen que sinteticen los contenidos y procedimientos para las visitas  Realización de tutoriales y material audiovisual empleando dichos modelos.  Evaluación de la utilidad de dichos modelos y materiales con estudiantes de la asignatura de ecología.  Publicación de material audiovisual en Youtube 2. Objetivos alcanzados No pudieron alcanzarse todos los objetivos propuestos y los conseguidos lo hicieron con modificaciones a como fueron planeados. Parte de estas desviaciones se debieron a problemas presupuestarios, pero otra parte a problemas técnicos para la realización de los modelos experimentales. Igualmente, se realizaron pequeñas adaptaciones sobre lo planeado para mejorar los experimentos o para hacerlos más sencillos y con menos requerimientos de material. A continuación discutimos el grado de consecución de cada uno de los objetivos específicos. Realización de modelos materiales para el estudio de procesos e interacciones ecológicas 4 De las tres propuestas de experimentación que teníamos previstas, sólo se pudo completar una de ellas al 100% con una ligera mejora metodológica (Transferencia de energía desde el productor primario al consumidor primario). Se decidió gastar el presupuesto concedidos en terrarios de calidad para garantizar la supervivencia de los animales de experimentación. Especialmente al dejarlos sin supervisión durante los fines de semana. Esto permitía, además, un expositor adecuado para mostrar la experimentación. Aunque la segunda propuesta de experimentación (Influencia de los factores ambientales sobre los procesos de transferencia de energía) requería básicamente el mismo set experimental, necesitaba además de sistemas para controlar la temperatura en los terrarios, no consiguiéndose suficiente financiación. Los cables térmicos más baratos nos fueron desaconsejados para animales que requerían una humedad ambiental elevada. Aunque pensamos en alternativas más económicas e incluso soluciones caseras, concretamente el uso de lámparas de radiación o algún tipo de halógena que emita suficiente calor, las descartamos porque implicaban:  Peligro de cortocircuito eléctrico: Al no poder realizar el dispositivo eléctrico estanco y requerir el animal de experimentación niveles elevados de humedad que requerían de pulverizaciones de agua.  Quemaduras para los animales de experimentación: Los animales podían sufrir quemaduras al entrar en contacto con los elementos calefactores indevidamente protegidos.  Quemaduras para las personas que realizaran la experimentación: Poco probables, pero a tener en cuenta, especialmente si lo realizan estudiantes.  Por este motivo fue sustituida por una propuesta distinta, un modelo para la estimación de tamaños poblacionales en animales móviles basado en métodos de marcado y recaptura. Finalmente, la tercera (Transferencia de energía: la ruta de los descomponedores) requería de la compra de stickbaits que fue imposible conseguir por problemas presupuestarios. Intentamos reproducirlos nosotros, pero no conseguimos hacerlo y la prueba usando directamente material vegetal sobre soporte plástico no dio los resultados mínimos de calidad. La probabilidad de fracasar y de que no se pudiera medir nada eran demasiado elevados por lo que fue rechazada. Por estos motivos se decidió sustituirla por una experimentación alternativa que abordaba el estudio de la depredación desde el modelo de Lotka y Volterra. Realización de fichas resumen que sinteticen los contenidos y procedimientos para las visitas Se ha sustituido la ficha por un guión detallado de la práctica con aportación de la teoría necesaria para su comprensión e información adicional de qué puede salir mal en la práctica. Realización de tutoriales y material audiovisual empleando dichos modelos. 5 Se han elaborado hojas de cálculo (Excel), en ocasiones con programación de macros, conteniendo la información básica resumida sobre el desarrollo de la práctica. También presentaciones de diapositivas (PowerPoint) sobre la motivación, desarrollo e interpretación de las prácticas. Evaluación de la utilidad de dichos modelos y materiales con estudiantes de la asignatura de ecología. Las aproximaciones prácticas y la precisión de los guiones y de las hojas de cáclulo se han contrastado realizando las prácticas por parte de los profesores implicados en el Proyecto, ayudados por estudiantes colaboradores del Departamento de Ecología. Publicación de material audiovisual en Youtube Pendiente de resolver problemas de derechos de autor con las fotografías y metodologías empleadas. 3. Metodología empleada en el proyecto La metodología consistía en el diseño de experiencias prácticas con materiales fáciles de conseguir e intrumentos de medida de amplia disponibilidad. Aunque nosotros empleamos material de alta calidad material y técnica, aportamos soluciones baratas pero adecuadas para adaptarse a todos los niveles de equipación y presupuestos. Construcción de modelos materiales Transferencia de energía desde el productor primario al consumidor primario: Utilizamos una especie muy robusta y fácil de mantener en terrario, el insecto palo de Vietnam (Medauroidea extradentata). Sólo requiere terrarios altos y pulverizaciones de agua casi diaria. En terrarios de plástico, mal ventilados, puede sufrir sobrecalentamiento y problemas con hongos, por lo que se requiere buena supervisión y ventilar suficientemente. Nosotros optamos por terrarios de buena calidad constructiva y bien ventilados ya que empezamos a tener problemas con hongos al volver del fin de semana. Estima de tamaños poblacionales en animales móviles basado en métodos de marcado y recaptura: Esta práctica se daba antiguamente en la asignatura de Ecología empleando corchos numerados como población experimental. En esta nueva aproximación experimental usamos una colección de fotografías de apéndices caudales de ballena jorobada (Megaptera novaeangliae). De este modo el estudiante podrá practicar el procedimiento de fotoidentificación, muy usado en cetáceos y cada vez más en otros grupos de vertebrados al hilo del auge del fototrampeo. Estudio de la depredación desde el modelo de Lotka y Volterra: Esta práctica se impartía antiguamente en la asignatura de Ecología empleando únicamente una aplicación de ordenador y centrada en la dinámica del modelo. En esta versión utilizamos una aproximación experimental con simulación física del proceso de depredación (captura de presas artificiales con pinzas y los ojos vendados). En esta aproximación nos centramos en el significado de los parámetros del modelo y la idea de refugio de la depredación. 6 Elaboración del material audiovisual Se ha elaborado una presentación con power point y se valorará la posibilidad de pasar la misma a video. La adaptación a Youtube se realizará subtitulando en inglés y editando para que pueda ser utilizado en cualquier plataforma sin que el tamaño del archivo sea un inconveniente. Sin embargo estamos pendientes de resolver los problemas de derechos de autor con fotografías y metodologías empleadas. Se han elaborado hojas de cálculo que muestran información gráfica y explicaciones de apoyo para la actividad de depredación y de estimación de tamaños poblacionales. 4. Recursos humanos Todo el profesorado implicado en la realización de este proyecto docente pertenece al Departamento de Ecología (Facultad de Biología). El proyecto ha permitido compartir ideas a profesores senior (José Manuel Serrano Talavera y Jesús María Barandica Fernández) que ya habían participado en la construcción de prácticas de la asginatura de Ecología con otros que las habían impartido pero que no habían tenido oportunidad de participar en su creación (María Dolores Jiménez Escobar y Juan Antonio Delgado Sáez). También hay que reconocer el apoyo de Sara García Fungairiño en el cuidado de los animales de experimentación. Y de la estudiante Nathalia Hernández Pazmiño, por su colaboración en el experimento de transferencia de energía en la cadena trófica escaneando y pesando muestras. 5. Desarrollo de las actividades (Máximo 3 folios) Transferencia de energía desde el productor primario al consumidor primario: Para comprobar la factibilidad de realizar esta práctica y la precisión del guión elaborado, realizamos varias veces la misma en varias semanas consecutivas. Para ello utilizamos 12 hembras de Medauroidea extradentata repartidas en dos terrarios y en varias tandas sucesivas de experimentación. Como productor primario se les proporcionaba hojas de rosal cultivado obtenido de los jardines de la Ciudad Universitaria. Las hojas eran lavadas, escaneadas y dispuestas en los terrarios sumergiendo el peciolo en un bote de plástico de 20ml con el tapón perforado para que permanecieran frescas durante todo el experimento. Tras un periodo mínimo de 24 horas y máximo de 72 se retiraban las hojas para volver a escanearlas y poder estimar la cantidad que han sido comidas. Hay que recoger los posibles fragmentos que hayan quedado en el suelo del terrario que pueden ser muy pequeños. En este trabajo se asume que los animales no consumen el peciolo, por lo que se deshechó para realizar las medidas de peso y superficie. Esta asunción se cumplió para todas las experimentaciones que realizamos lo que, en parte, se debe a que tenían muy poco acceso al peciolo. En los terrarios comunes, ya fuera de la experimentación podían comer los tallos de forma ocasional y siempre una cantidad mínima. Aunque la idea original era pesar los individuos para ver cuánto habían engordado, al usar hembras que ponen huevos decidimos estimar la producción secundaria a través de los huevos que ponen ya que una vez que son adultos no crecen. Esta técnica se usa para medir la producción del 7 pláncton, donde pesar los individuos es imposible. Con esta aproximación, se considera Las pequeñas variaciones de peso que experimentan las hembras son despreciables siempre que estén en condiciones no estresantes Una vez decidido el uso de los huevos, se consideró que no en todas las circunstancias era posible pesara los huevos y los excrementos (peso seco) ya que se requiere balanzas de mucha precisión. Por lo tanto se decidió aportar factores de conversión que facilitaran la estimación de estos pesos a partir del número de huevos o excrementos. De esta forma es posible realizar la práctica cuando por problemas de equipamiento, logísticos o de organización docente no es posible realizar el pesado de los mismos. Con la experiencia obtenida del desarrollo de estas prácticas descubrimos muchos de los resultados imprevistos que nos hicieron modificar el guión. A continuación apuntamos los principales consejos:  Aunque es muy poco frecuente, de hecho sólo ocurrió en una ocasión, el papel que se situa en el terrario fue consumido en parte por el animal de experimentación. Se advierte que hay que considerarlo a la hora de interpretar los resultados.  Lo ideal es usar sólo una hembra por terrario para una mayor precisión de los resultados ya que las hembras consumen alimento a distintas tasas y pueden poner huevos a distintas tasas. Esto puede dar lugar a resultados anómales (ver más adelante).  Es posible realizar el experimento tras un sólo día, pero aconsejamos usar dos o tres días para obtener resultados más consistentes.  Resultados anómalos: En una ocasión, eficiencias de asimilación negativas, en dos ocasiones eficiencias de producción extraordinariamente altas, una incluso por encima del 100%. Las eficiencias de asimilación negativas indican que hay más peso de excrementos que peso de hoja consumido. Esto implica que la hembra casi no se alimento, pero siguió produciendo excrementos por el alimento que ya tenía en el tubo digestivo previo al experimento. Este resultado irá asociado a tasas de consumo relativo muy bajas. En el caso de tasas de producción muy elevadas el origen se debe a una alta producción de huevos en relación al peso de hoja asimilado. El herbívoro ha tirado de las reservas corporales para producir sus huevos. En ambos casos se produce una no conformidad con el supuesto de que el peso de la hembra permanece constante a lo largo del experimento. Estos problemas pueden deberse a que las hembras de insecto palo vietnamita son demasiado viejas o a condiciones ambientales inadecuadas. Lo que puede conducir a una falta de alimentación falta de alimentación o a la reducción drástica de la puesta de huevos. La falta de humedad relativa o temperaturas muy frías pueden inhibir la alimentación. Aunque es una especie muy resistente, se aconsejan temperaturas entre 18 y 33ºC y humedades relativas entre 50-70%. 8 Estima de tamaños poblacionales en animales móviles basado en métodos de marcado y recaptura En un primer momento la idea era convertir una práctica en la que primaba la realización matemática de las estimas con una fase experimental muy conceptualizada en una práctica donde se trabajaran más las habilidades que había que adquirir en el grado. En la práctica antigua, el modelo material de la población eran corchos numerados lo que hacía la tarea fácil pero poco excitante para los estudianes. En principio se pensó la posibilidad de trabajar con animales de verdad, por ejemplo, con larvas de díptero de las familias Calliphoridae, Sarcophagidae y Muscidae que se venden comercialmente bajo el nombre de asticot. O bien larvas de escarabajo de la harina (Tenebrio mollitor) también comercializadas y, en este caso fáciles de mantener y criar en cautividad. Sin ambargo, se desestimo, dado que había que utilizar grandes cantidades que habría que renovar todos los años. Esto implicaría problemas para deshechar gran cantidad de animales cada año o, en su caso, mantener grandes poblaciones en cautividad, careciendo de instalaciones adecuadas. Además, implicaría el uso de organismos cuyas poblaciones no suelen estimarse utilizando este tipo de muestreos. Por lo tanto, decidió usarse como organismo modelo una especie en la que el método de captura recaptura se utilizara para la estimación de sus tamaños poblacionales, seleccionándose la ballena jorobada o megaptera (Megaptera novaeangliae). Obviamente no podríamos traer las ballenas al laboratorio ni enviar a los estudiantes a avistar las ballenas, por lo que recurrimos a una base digital de fotografías ya existente. Concretamente, de la población de megapteras de la zona de las Bermudas, obtenidas a través de Flickr y que son parte de una base de datos mantenidas por el grupo de investigacción Allied Whale del College of the Atlantic. Aunque obviamente no utiliza objetos reales se aproxima a la realidad en tres aspectos fundamentales:  El método de marcaje y recaptura es el utilizado para esta especie  Los investigadores identifican los individuos del mismo modo en el que lo van a realizar los estudiantes.  Los investigadores utilizan más fotos tomadas por otros (incluidas turistas implicados en actividades de avistamiento de ballenas) que las suyas propias y por supuesto que observaciones de campo. El método utilizado es a través de una hoja de cálculo (Excel) que incluye información sobre la especie, sobre la forma de realizar la identificación individual de los ejemplares de esta especie y que realiza un muestreo virtual de la población de fotos y el estudio de las mismas para estimar tamaños poblacionales de acuerdo a dos métdos, Petersen-Lincon y Schnabel. El método concreto empleado parala realización de los muestreos es una macro programada que muestrea la base de datos que permanece oculta para el usuario. Después aparecen las fotos realizdas en los sucesivos viajes de muestreo incrustadas en un comentario de revisión asignado a una determinada celda, de manera que aparecen ocultas aunque pueden ser desplegadas a voluntad. Este método, por culpa de un fallo de programación de Excel, proporciona un error si guardamos el archivo después de haber realizado el muestreo. La próxima vez que se abre da un error y restaura el archivo borrando las fotos 9 muestreadas de los comentarios. No es un inconveniente grave, el archivo puede volver a guardarse en formato normal, pero es una incomodidad para el estudiante y el desarrollo de la práctic. Por este motivo hay una indicación clara de que no puede guardarse el archivo con los cambios. Estudio de la depredación desde el modelo de Lotka y Volterra En un primer momento la idea era convertir una práctica en la que primaba el comportamiento dinámico del modelo básico y de las mejoras que se han ido incorporando al mismo en una práctica que incluyera una parte experimental de manipulación física de objetos. Se barajó la posibilidad de trabajar con animales de verdad, por ejemplo, con larvas de díptero de las familias Calliphoridae, Sarcophagidae y Muscidae que se venden comercialmente bajo el nombre de asticot. O bien larvas de escarabajo de la harina (Tenebrio mollitor) también comercializadas y, en este caso fáciles de mantener y criar en cautividad. Sin embargo el grado de manipulación requerido para simular una depredación podría dañar físicamente a los animales. Adicionalmente, estaba el problema de utilizar grandes cantidades que habría que renovar todos los años. Esto implicaría problemas para deshechar gran cantidad de animales cada año o, en su caso, mantener grandes poblaciones en cautividad, careciendo de instalaciones adecuadas. Por este motivo se desestimó el uso de animales vivos y se optó por objetos inanimados. 6. Anexos Fichas de las prácticas 16 Siendo: La eficiencia de consumo (In / Pn-1), podemos definirla como el porcentaje de la producción disponible en un nivel trófico (Pn-1) que es ingerida por el nivel trófico situado justo encima (In) EC= In/Pn-1*100 En nuestra práctica, In es el peso seco de hoja ingerido por el herbívoro y Pn-1 el peso seco de hoja proporcionado al herbívoro, es decir, el peso seco de la hoja antes de ser metida en el terrario. La eficiencia de asimilación (An / In) podemos definirla como el porcentaje de la energía ingerida como comida por en un nivel trófico (In) que es asimilada y queda disponible para crecimiento o desarrollar trabajo (An) EA= An/In*100 En nuestra práctica, An se calcula como la resta entre el peso de hoja ingerido (In) y el peso de excrementos que constituyen la biomasa ingerida pero no asimilada. La eficiencia de producción (Pn / An).podemos definirla como el porcentaje de la energía asimilada (An) que es incorporada como nueva biomasa, lo que constituye la producción de dicho nivel trófico (Pn) EP= Pn /An*100 En nuestra práctica, Pn es el peso seco de los huevos producidos durante el experimento. Valores de conversión Para la realización de esta práctica siempre es necesario usar la superficie de hoja para estimar el peso seco de la misma. Esto se debe a que no podemos obtener el peso seco de las hojas frescas que proporcionamos al herbívoro. Esta estima del peso por unidad de superficie puede realizarse con la superficie de las hojas tras sufrir la herbivoría y el peso seco de las mismas. De esta forma podemos obtener una estima del peso seco de las hojas multiplicando la superficie inicial por este factor de conversión. Eficiencia de asimilación Eficiencia de consumo Eficiencia de producción Eficiencia de transferencia = Pn / Pn-1 = (In / Pn-1) * (An / In) * (Pn / An) * * 17 Sin embargo, la realización de la práctica requiere de una balanza de precisión con una resolución elevada (0.001g) para poder pesar los huevos y los excrementos. Si no se dispone de la misma, puede usarse la siguiente tabla de conversión. Tabla1: Todos datos de ésta tabla de conversión han sido obtenidos experimentalmente Variable Peso seco (g) 1 cm2 de hoja 0.01226 1 Huevo 0.00227 1 Excremento 0.00349 EJERCICIO A REALIZAR POR EL ESTUDIANTE Una hembra de insecto palo vietnamita puede medir hasta 10 cm de longitud del cuerpo y tiene un peso seco de 0.375 g. Cada hoja de rosal tiene una superficie promedio de 43,6992 cm2 y un peso seco promedio de 0.56975 g. En nuestros experimentos, el consumo por hembra osciló entre 0.02726 y 0.10981 g de peso seco de hoja diarios (0.08027 g de media). La variabilidad es alta ya que depende de la temperatura y, en menor medida, de la humedad relativa del aire. Esto supone entre un 7.29% y un 29.28% de su peso seco. Con este consumo, cada hembra produjo entre 6 y 9 excrementos y puso entre 3 y 5 huevos. Calcula el consumo diario por hembra (%), las tres eficiciencias Ec, Ea y Ep, y la eficiencia en la transferencia para una hembra de insecto palo vietnamita, durante 48 horas a las que se la ofreció en el terrario 2 hojas completas de rosal. Variable Valor Superficie de hojas ofrecida (cm2) 83.796 (2hojas) Superficie de hojas después de consumo (cm2) 69.283 (2hojas) Superficie de hojas consumidas (cm2) 14.513 (2 días) Excrementos producidos (unidades) 10 (2 días) Huevos producidos (unidades) 8 (2 días) Peso de hojas ofrecido (g) Peso de hojas consumido Peso de excrementos producidos Peso de huevos producidos Consumo diario relativo por hembra (%) (recordar que los datos son de 2 días) Eficiencia de consumo Eficiencia de asimilación Eficiencia de producción Eficiencia de transferencia 18 ACLARACIONES METODOLOGICAS  Los cálculos para superficies y peso de hoja se han realizado considerando sólo la superficie plana de los foliolos, sin considerar el raquis ya que rara vez es consumido.  Las hojas se ofrecen enteras con todos los foliolos, raquis y peciolo para una mejor conservación.  Lo ideal es usar sólo una hembra por terrario para una mayor precisión de los resultados  Es posible realizar el experimento tras un sólo día, pero aconsejamos usar dos o tres días para obtener resultados más consistentes.  A lo largo de nuestras experiencias hemos encontrado resultados aparentemente anómalos. Por ejemplo, eficiencias de asimilación negativas o eficiencias de producción extraordinariamente altas, incluso por encima del 100%. En el caso de las eficiencias de asimilación negativas indican que hay más peso de excrementos que peso de hoja consumido. Esto implica que el herbívoro casi no se ha alimentado. Pero que ha producido excrementos por el alimento que ya tenía en el tubo digestivo previo al experimento. Este resultado irá asociado a tasas de consumo relativo muy bajas. En el caso de tasas de producción muy elevadas el origen se debe a una alta producción de huevos en relación al peso de hoja asimilado. El herbívoro ha tirado de las reservas corporales para producir sus huevos. En ambos casos se produce una no conformidad con el supuesto de que el peso de la hembra permanece constante a lo largo del experimento.  Otro problema detectado es la falta de alimentación o de puesta de huevos. Puede deberse a que las hembras de insecto palo vietnamita son demasiado viejas o a condiciones ambientales inadecuadas. La falta de humedad relativa o temperaturas muy frías pueden inhibir la alimentación. Aunque es una especie muy resistente, se aconsejan temperaturas entre 18 y 33ºC y humedades relativas entre 50-70%. Referencias Begon, M., Harper, J. L., & Townsend, C. R. (1999). Ecología: individuos, poblaciones y comunidades (No. 04; QH541, B43y 1999.). ^ eBarcelona Barcelona: Omega. Odum, H.T. 1957. Trophic Structure and Productivity of Silver Springs, Florida. Ecological Monographs, Vol. 27, No. 1:55–112. Lindeman, R.L. 1942. The Trophic-Dynamic Aspect of Ecology. Ecology, Vol. 23, No. 4: 399-417. 19 PRACTICA 2: Estimación del tamaño poblacional por el método de captura y recaptura José Manuel Serrano Jesús Barandica Mª Dolores Jiménez Escobar Juan Antonio Delgado Sáez Departamento de Ecología UCM 20 ESTIMACIÓN DEL TAMAÑO POBLACIONAL POR EL MÉTODO DE CAPTURA Y RECAPTURA Introducción Conocer el número de individuos de una población animales es un conocimiento básico para, por ejemplo, conocer su estado de conservación, realizar estudios de producción secundaria o estudiar su dinámica poblacional. Contar animales que no sean sésiles es una tarea difícil, especialmente si permanecen escondidos y se ocultan del investigador. En la mayoría de las especies el recuento directo de los individuos para estimar el tamaño poblacional es imposible o, al menos, poco práctico por la cantidad de recursos que precisaría. Por ello, lo más habitual es recurrir a muestreos y técnicas de marcado y recaptura. Hay muchas variaciones de esta técnica, que van desde el marcado y recaptura únicas hasta la captura y recaptura múltiples. Sin embargo, todas se basan en un principio básico: "La probabilidad de capturar todos y cada uno de los individuos de la población es siempre la misma, independientemente de si están marcados o no. El procedimiento más elemental consiste en la captura de un determinado número de individuos de la población que serán marcados (Nm) y, posteriormente, liberados. De esta forma, tendremos en la población una proporción de individuos marcados (Nm/Ntotal), donde conoceremos el valor de Nm, número de individuos marcados, mientras que el valor de Ntotal, número de individuos de la población, será la incógnita. Tras esperar un tiempo, necesario para permitir que los individuos marcados se entremezclen con el resto de los individuos de la población, se procede a realizar una segunda captura. De los individuos obtenidos en esta segunda captura (Nc), parte de ellos estarán marcados, lo que indica que son individuos recapturados (Nr). Por lo tanto, tendremos una proporción de individuos marcados en la segunda captura (Nr/Nc), donde conocemos el valor de los dos términos. Si en todo momento la probabilidad de captura de todos y cada uno de los individuos es la misma, la proporción de individuos marcados en esta segunda captura (Nr/Nc) ha de ser igual a la proporción de individuos marcados en la primera captura (Nm/Ntotal): Nr/Nc= Nm/Ntotal En esta ecuación, la única incógnita es Ntotal, por lo que podemos obtener su valor despejando de la ecuación: Ntotal = Nm*Nc/ Nr Para que se cumpla el principio básico de que todos los individuos presenten la misma probabilidad de ser capturados, el tamaño de la población no debe modificarse entre las dos capturas. Es decir, no debe haber nacimientos, muertes ni migraciones mientras dure el procedimiento de marcado y recaptura. Además, el método de marcaje utilizado no debe afectar a la probabilidad de recaptura y las marcas no pueden perderse en las sucesivas capturas. 21 1 2 3 4 (1) Se realiza la captura de un número suficiente de individuos con un método no selectivo. (2) Se marcan todos estos individuos (Nm) con una marca que no afecte a su supervivencia ni a la probabilidad de ser capturado de nuevo. (3) Se espera un tiempo suficiente para permitir que los individuos liberados después de ser marcados se entremezclen con el resto de los individuos de la población. (4) Pasado este tiempo, se realiza una nueva captura de individuos (Nc) y se anota la proporción de individuos que están marcados y que, por tanto, se trata de individuos recapturados (Nr). Si en ambos muestreos la probabilidad de captura es la misma para todos y cada uno de los individuos, la proporción de individuos marcados en la muestra (Nr/Nc) será igual a la proporción de individuos marcados en la población (Nm/Ntotal). Cuestiones sobre el marcado de individuos Los tipos de marcaje que se utilizan en los estudios de marcaje y recaptura son muy variados. Quizás los más conocidos sean las anillas metálicas que se ponen en las patas de las aves, a veces reforzadas con anillas de plástico coloreadas o numeradas para leerlas a distancia. También se ha usado la aplicación de pintura directamente sobre el cuerpo del animal, o bien pegando o anclando las marcas a distintas partes del cuerpo. Estos métodos deben de garantizar que no se desprenden o se borran las marcas durante los muestreos. Sólo así se aseguraría la correcta estimación del tamaño poblacional. Por los mismos motivos, la presencia de las marcas no debe suponer un mayor riesgo de muerte porque haga al animal más fácil de localizar a los depredadores o que entorpezca sus movimientos. Por ejemplo, el uso de anillas metálicas en las aletas de los pingüinos rey (Aptenodytes patagonicus) puede disminuir su capacidad reproductora y su supervivencia (Wilson, 2011). Los animales no parecían acostumbrarse a sus anillas y nadaban peor, lo que les hacía llegar más tarde a las áreas de cría y les hacía menos eficaces buscando comida y escapando de sus 22 enemigos. Adicionalmente, en muchas especies, la captura del animal para su marcaje le supone un estrés que puede afectar a su supervivencia. En animales grandes se hace necesario, a veces, el uso de drogas para poder manipularlo y proceder al marcaje, lo que puede ocasionarle problemas de salud e incluso la muerte. Por estos motivos, se ha desarrollado, para muchas especies animales, el uso de marcas corporales únicas como un procedimiento para la identificación individual de los componentes de la población. Aunque se han desarrollado procedimientos de foto-identificación para anfibios, aves y diversos grupos de mamíferos, el más popular es probablemente el de los cetáceos. Consiste en la obtención de fotografías de la cabeza, aleta caudal o dorsal y usar los cambios de coloración, muescas, cicatrices o disposición de organismos simbiontes para identificar cada individuo y reconocerlo en sucesivos encuentros. GUIÓN DE LA PRÁCTICA Estimación del tamaño poblacional en animales móviles Objetivo Conocer la técnica de foto-identificación usando como ejemplo las aletas caudales de la ballena jorobada (Megaptera novaengliae) y estudiar varios métodos para estimar el tamaño poblacional. Preparación de la práctica 1.-Material necesario Toda la información se aporta en un libro Excel con diversas hojas, una base de datos compuesta por tres juegos de fotografías diferentes de la aleta caudal de individuos de ballena jorobada. Las imágenes de esta práctica pertenecen a la galería "Bermuda Fluke shots", que contiene fotografías realizadas en Las Bermudas (http://www.whalesbermuda.com/home) y es parte del catálogo de más de 7.000 individuos de las poblaciones de esta especie en el Atlántico Norte que mantiene el grupo de investigación Allied Whale del College of the Atlantic (https://www.coa.edu/allied-whale/). Se incluye en el libro un macro que proporciona las fotografías de tres viajes para la toma de fotos de aletas caudales de ballena. 2.-Foto-identificación de ballenas La identificación individual de las ballenas jorobadas puede realizarse gracias a los patrones de color blanco y negro que presentan en la zona inferior de su aleta caudal. Estos patrones son únicos y permiten la identificación de los individuos de manera muy fiable. Además, puede ser útil recurrir de forma complementaria a la forma de la aleta, a la existencia de muescas en el borde, o a la presencia de cicatrices o simbiontes adheridos a la piel. Sin embargo, las fotografías no siempre reflejan adecuadamente estas características debido a cambios en la luz en los momentos en que fueron tomadas, por el ángulo de la toma o porque 23 sólo parte de la aleta caudal está fuera del agua. Lo recomendable es, por tanto, considerar el distinto ángulo en el que se ha efectuado la foto y recurrir a más de una referencia para garantizar una identificación. En la fotografía superior, se aprecia que el lóbulo derecho de la aleta caudal de este individuo presenta un conjunto de manchas característico. Por el ángulo en el que está tomada la fotografía inferior, las manchas cambian de forma. Sin embargo, la existencia de patrones de manchas similares en ambas fotografías en el lóbulo izquierdo, permite asegurar que se trata del mismo individuo. La forma de la muesca entre ambos lóbulos y la discontinuidad del borde negro (círculo grueso) garantizan esta identificación. 3.-Desarrollo de la práctica A. Marcado y recaptura únicos. Método de Petersen La técnica más sencilla de los procedimientos de captura y recaptura se basan en el índice de Lincoln o Petersen. Se precisa de una captura de individuos que son marcados, seguida de su liberación y una segunda captura de individuos, donde una proporción de los mismos estarán marcados. Las marcas no deben alterar la probabilidad de recaptura y no deben producirse cambios en el número de individuos de la población entre ambos muestreos (ni nacimientos, ni muertes, ni migración). Abrir el archivo “Captura recaptura ballenas.xlsm” y revisar la información adicional presente en las hojas “Información” y “Foto ID”. Después abrir la hoja “Muestreo_Petersen” y pulsar sobre la cámara fotográfica. Automáticamente aparecerán tres listados de fotografías correspondientes a tres viajes consecutivos. El precepto básico del método de captura-recaptura se cumple al ser escogidas las fotografías de forma aleatoria entre todos los individuos de la población. Es decir, todos y cada uno de los individuos tiene exactamente la misma probabilidad de ser escogido en cada uno de los muestreos. El método de Petersen requiere dos muestreos, considerándose el primero el dedicado al marcaje y el segundo a obtener una muestra de la población donde pueden aparecer individuos ya marcados. 24 Los individuos fotografiados en el primer viaje (1ª columna) se considerarán como los individuos marcados (Nm). Los individuos fotografiados en el segundo viaje (2ª columna) serán considerados como capturados en una segunda captura (Nc). Los individuos que hayan sido registrados en ambos viajes serán considerados como recapturados (Nr). Para averiguar el número de individuos recapturados hay que comparar las fotografías de los primeros viajes con las del siguiente. Para ello puede seguirse el siguiente procedimiento. Seleccionar la primera fotografía del primer viaje pulsando en la casilla y fijándola usando el menú superior “Revisar: Mostrar u ocultar el comentario” (alternativamente puedes usar ctrl+m para mostrar y ctrl+o para ocultar el comentario). Ya sobre la serie de fotos del segundo viaje, el procedimiento más rápido es pasar el cursor por cada celda para visualizar la fotografía y poder realizar la comparación. En nuestro caso, dado que tenemos tres series fotográficas realizadas en tres momentos temporales distintos (tres viajes), podemos usar tres combinaciones de muestreo que permitirían realizar estimas del tamaño poblacional: 1) Usando el primer viaje como marcaje y el segundo para contabilizar las recapturas. 2) Usando el primer viaje como marcaje y el tercer viaje para contabilizar las recapturas. 3) Usando el segundo viaje como marcaje y el tercer viaje para contabilizar las recapturas. El tamaño de la población puede estimarse, por tanto, tres veces aplicando la fórmula: Ntotal = Nm*Nc/ Nr Usando estas tres estimas puede calcularse una media y una desviación estándar que proporcionan un estimador del tamaño poblacional y su variación asociada. Para calcular el intervalo de confianza al 95%, podemos multiplicar la desviación estándar por 1,96, que es el valor de la distribución normal tipificada para un 95% de probabilidad. También es posible estimar un intervalo de confianza aún haciendo una única estimación. Calculando la varianza y la desviación estándar mediante las fórmulas 3 2 2)( Nr NrNcNcNm s  2 ss  Multiplicando el valor de desviación estándar obtenido por 1,96 se obtiene el intervalo de confianza para el tamaño poblacional estimado. Cuando la probabilidad de obtener individuos recapturados es baja, ya sea porque la especie cuya población pretendemos estimar resulta difícil de capturar o, simplemente, porque la población es pequeña, el método de Petersen puede resultar poco adecuado. En efecto, para estimar el tamaño poblacional necesitamos que el número de individuos recapturados sea distinto de cero, ya que si no es así el tamaño poblacional sería indeterminado. Para evitar esto se puede utilizar una modificación de la fórmula de Petersen. La lógica utilizada es la siguiente: 25 No hemos encontrado individuos recapturados (Nr=0) por lo que no podemos estimar un tamaño poblacional, pero si hubiéramos capturado un individuo más en el segundo muestreo y éste estuviera marcado, el tamaño poblacional se podría calcular: Ntotal = Nm*(Nc+1)/ (Nr+1) Considerando que esta sería la mejor estima de la población muestreada. B. Marcado y recaptura repetidos. Método de Schnabel Dado los problemas que puede generar el método de Petersen para poblaciones pequeñas o especies difíciles de capturar, el método de Schnabel de capturas sucesivas es una alternativa más adecuada. Según aumenta el número de muestreos mejora la calidad de la estima, disminuyendo los intervalos de confianza hasta que se obtiene un ajuste que se considera adecuado. En un primer muestreo se obtiene una muestra de individuos que son marcados (Nmi) y se sueltan de nuevo para que se entremezclen con la población. En cada uno de los siguientes viajes (i), se captura una nueva muestra (Nci), se anota el número de recapturados (Nri) y se marca el resto de animales, devolviendo el total de la muestra a la población. De esta manera el número de animales marcados presentes en la población (Nmi) aumenta con el tiempo. A partir de los datos obtenidos, la estima de la población (Ntotal) para cada uno de los momentos de captura se calcula como sigue: Ntotal =S(Nmi×Nci) SNri Abrir el archivo “Captura recaptura ballenas.xlsm” y revisar la información adicional presente en las hojas “Información” y “Foto ID”. Después abrir la hoja muestreo Schnabel y pulsar sobre la cámara fotográfica. Automáticamente aparecerán 6 listados de fotografías correspondientes a 6 viajes consecutivos. Podemos usar estos tres muestreos para calcular el tamaño poblacional mediante el método de Schnabel de capturas sucesivas. El precepto básico del método de captura-recaptura se cumple al ser escogidas las fotografías de forma aleatoria entre todos los individuos de la población. Es decir, todos y cada uno de los individuos tienen exactamente la misma probabilidad de ser escogido en cada uno de los muestreos. El número de individuos de la serie de fotos del primer viaje sería el número de individuos marcados (Nmi). El número de individuos capturado (Nci) en cada uno de los siguientes viajes (i) será el número de individuos de cada muestra. Para averiguar el número de individuos recapturados (Nri) hay que comparar las fotografías de los primeros viajes con las del siguiente. Para ello, puede seguirse el siguiente procedimiento. Seleccionar la primera fotografía del primer viaje pulsando en la casilla y fijándola usando el menú superior “Revisar: Mostrar u ocultar el comentario” (alternativamente puedes usar ctrl+m para mostrar y ctrl+o para ocultar el comentario). Esta primera columna representa una muestra de animales (Nmi) que se "marca" (identifica) y se sueltan de nuevo para que se entremezclen con la población. Ya sobre la serie de fotos del segundo viaje, basta pasar el cursor por cada celda para visualizar la fotografía y poder realizar la comparación. En cada uno de los siguientes viajes (i), se captura una muestra (Nci). Se anota el número de recapturados (Nri) y se "marca" el resto de animales, devolviendo 32 El modelo predice un ciclo continuo de las poblaciones depredador presa, lo que aunque es poco realista, muestra que es posible explicar la existencia de ciclos recíprocos en poblaciones de depredadores y sus presas con modelos matemáticos sencillos. Como aportación principal a la teoría ecológica podemos destacar la sugerencia de que los ciclos poblacionales pueden producirse por la interacción entre especies sin recurrir a variables abióticas (variación climática, por ejemplo). También hay que destacar que aunque el modelo básico que aquí presentamos incluye varias asunciones poco realistas (poblaciones de crecimiento ilimitado, falta de saciado del depredador) se han realizado con éxito varias modificaciones que incluyen más realismo. GUIÓN DE LA PRÁCTICA Modelizando la depredación:Modelo depredado-presa de Lotka-Volterra Objetivo El objetivo de esta práctica es introducir al estudiante en el empleo de modelos matemáticos en ecología, mediante el modelo depredador-presa de Lotka-Volterra. Un modelo que, de forma relativamente sencilla permite estudiar la evolución de los efectivos numéricos de dos poblaciones mutuamente relacionadas a través de su relación de depredación. Concretamente se trabajará la interpretación de los diferentes parámetros del modelo para adaptarse a diferentes sistemas depredador-presa o a variaciones ambientales dentro de un mismo sistema. Preparación de la práctica 1.-Material necesario El material necesario para realizar la práctica consiste en: 60 clips metálicos de 32 mm 60 clips metálicos de 26 mm 60 chinchetas galvanizadas 2 placas de Petri de 9 cm de diámetro 5 piedras pequeñas 1 Cronómetro. Un archivo Excel que permite la simulación de la dinámica poblacional de presas y depredadores bajo diversos supuestos de variación de los parámetros 33 2.-Desarrollo de la práctica B. Obtención de las eficacias de captura. Los clips de diferentes tamaños y las chinchetas representan diferentes especies que deben ser capturadas por el depredador de una en una en un periodo de tiempo de 30 segundos (Fig 5). Las presas serán dispuestas en una placa de Petri de 9 cm de diámetro, unos 64 cm2, en números ascendentes (10, 20, 30, 40, 50, 60 y70). El estudiante que simulará al depredador deberá localizar las presas con los ojos vendados y capturarlas usando pinzas. Cada presa capturada será depositada en otra placa de Petri. Las presas que sean sacadas de la placa de Petri empujando con las pinzas o insertadas no serán válidas y se devolverán a la población. Al terminar el tiempo, se anota el número de presas capturadas y se procede a repetir la prueba con un nuevo número de presas. Con los resultados se construye una tabla que relaciona el número de presas existente en la placa de Petri y el número de presas capturadas. Esta tabla puede usarse en una hoja de cálculo (Excel, por ejemplo) para construir un gráfico de dispersión y pedir después una línea de tendencia, pidiendo que proporcione la ecuación y el R2. La pendiente de la recta que aparece en la ecuación puede usarse como estima de la eficacia de captura de presas de dicho depredador. Otra aproximación puede obtenerse dividiendo el número de presas capturadas por el total para cada prueba y obteniendo el promedio. En el experimento se considera que no existe efecto de saciado, es decir, que el depredador puede consumir todas las presas que pueda capturar. 1 2 3 4 Figura 5. Diferentes tipos de presas simuladas (1-3) sugeridas para la práctica y propuesta de aumento de la heterogeneidad espacial del hábitat (4). 34 De esta forma procedemos hasta obtener la eficacia de captura del depredador para los diferentes tipos de presa para evaluar si la eficiencia del depredador cambia con el tipo de presa. Para simular diferencias en la estructura del hábitat, se propone añadir 5 piedras a la placa de Petri junto con las presas y repetir el experimento usando al menos uno de los tipos de presa (Figura 5.4). Al igual que en el caso anterior, el depredador deberá localizar las presas y capturarlas, sin poder sacar las piedras de la placa de Petri. Estos nuevos resultados se pondrán en una gráfica y se compararán con los obtenidos para ese mismo tipo de presa en ausencia de las piedras. Esta comparación permitirá evaluar si una mayor complejidad estructural en el hábitat modifica la eficacia de captura del depredador para esa presa. Parte 2. Simulaciones de la dinámica poblacional con el modelo de Lotka-Volterra. El alumno deberá abrir la aplicación Lotka-Volterra.xlsm y leer la información que se suministra en la misma. Posteriormente, tendrá que realizar las siguientes simulaciones: Diferentes presas, un mismo depredador. Se simulan dos sistemas depredador-presa diferentes en los que el depredador es el mismo, pero las presas difieren. Las presas proporcionan la misma energía una vez capturadas (f no varía) pero la eficacia de captura (a) es diferente. Utiliza dos de las eficacias de captura estimadas en la primera parte de la práctica. Hay que dividir el valor obtenido entre 100 para ajustarlo al resto de parámetros del modelo. Las eficacias de captura son enormes en relación a lo que el modelo puede simular. Es decir, que una eficacia de captura del 0.3 (se capturan el 30% de las presas de la placa de Petri) se convierte en 0.003. Tras introducir los cambios, automáticamente se reflejarán en las gráficas que pueden ser copiadas y pegadas en una hoja de texto para conservarlas como resultados de la práctica. Misma presa y depredador, diferente estructura del hábitat Se simulan dos sistemas depredador-presa diferentes en los que el depredador y la presa son las mismas especies pero difieren en la estructura del hábitat en el que viven. Un hábitat tendrá mayor heterogeneidad espacial (situación de piedras en la placa de Petri) y, por lo tanto, proporcionará mayor refugio a las presas, disminuyendo la eficacia de captura del depredador. Re producir ambas situaciones y guardar las gráficas para comparar los resultados. Al igual que en el caso anterior, es necesario dividir entre 100 los valores obtenidos en la primera parte de la práctica. Referencias Begon, M.; Harper, J.L. & Townsend, C.R. (1999) Ecología, individuos, poblaciones y comunidades. 3ª edición. Ed Omega, Barcelona. Samo, A.J.; Garmendia, A. & Delgado, J.A. Introducción práctica a al Ecología. Ed Pearson Educación Madrid. (pags 123-130). Smith, R. L. & Smith, Th. M. (2001). Ecología. Ed. Pearson Educación. Madrid. (pág.150) 35 Créditos de las imágenes no propiedad de los autores. Fig 1.1 y 1.3. y portada: Dibujo de Antidorcas marsupialis de coloración normal. Author Yathin S Krishnappa: File:Normal Springbok.svg; From Wikimedia Commons, the free media repository. Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license. (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en). Fig 1.3. Dibujo de Antidorcas marsupialis de coloración oscura. Author Yathin S Krishnappa: File: Black Springbok.svg; From Wikimedia Commons, the free media repository. Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license. (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en). Fig 1.1 y 1.2. y Portada: Dibujo de Acinonyx jubatus (guepardo): https://pixabay.com/photo-40986/. CC0 Public Domain. Fig 1.2. Dibujo de Panthera leo (león): https://pixabay.com/photo-48382/. CC0 Public Domain. Fig 1.4. Dibujo de Neofelis nebulosa. © 2013 Project ANOULAK; Adapted from webpage: http://conservationlaos.com/felines.html. Creative Commons Attribution 3.0 License (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/). Fig 2.1. Author: J.M.Garg. File:Braconid parasitoid wasp Apanteles sp eggs & Lime Butterfly (Papilio demoleus) cat W IMG 2862.jpg; From Wikimedia Commons, the free media repository. Creative Commons Attribution 3.0 License (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/). Fig 2.2. Author: Save China's Tiger. File:Stud 327 with Blesbuck.jpg; From Wikimedia Commons, the free media repository. Creative Commons AttributionShare Alike 2.5 Generic license (https://creativecommons.org/licenses/bysa/2.5/deed.en_GB). Fig 2.3. Author: division, CSIRO; File:CSIRO ScienceImage 2357 Spotted alfalfa aphid being attacked by parasitic wasp.jpg; From Wikimedia Commons, the free media repository; Creative Commons Attribution 3.0 Unported license (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/). Fig 2.4. Autor: Fernando Flores; File:Giant anteater - Oso hormiguero (Myrmecophaga tridactyla) (8697863742).jpg; From Wikimedia Commons, the free media repository; Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Generic license (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/deed.en).