Bosque de algas

bosques de algas son zonas submarinas con una alta densidad de algas, que cubren gran parte de las costas del mundo. Las áreas más pequeñas de algas ancladas se denominan lechos de algas. Son reconocidos como uno de los ecosistemas más productivos y dinámicos de la Tierra. Aunque los bosques de algas marinas combinados con los arrecifes de coral sólo cubren el 0,1% de la superficie total de la Tierra, representan el 0,9% de la productividad primaria mundial. Los bosques de algas se encuentran en todo el mundo en océanos costeros templados y polares. En 2007, también se descubrieron bosques de algas marinas en aguas tropicales cerca de Ecuador.

Los bosques de algas marinas, formados físicamente por macroalgas marrones, proporcionan un hábitat único para los organismos marinos y son una fuente para comprender muchos procesos ecológicos. Durante el último siglo, han sido el foco de una extensa investigación, particularmente en ecología trófica, y continúan provocando ideas importantes que son relevantes más allá de este ecosistema único. Por ejemplo, los bosques de algas marinas pueden influir en los patrones oceanográficos costeros y proporcionar muchos servicios ecosistémicos.

Sin embargo, la influencia de los humanos a menudo ha contribuido a la degradación de los bosques de algas. De particular preocupación son los efectos de la sobrepesca en los ecosistemas cercanos a la costa, que puede liberar a los herbívoros de su regulación poblacional normal y resultar en un pastoreo excesivo de algas marinas y otras algas. Esto puede resultar rápidamente en transiciones a paisajes áridos donde persisten relativamente pocas especies. Debido a los efectos combinados de la sobrepesca y el cambio climático, los bosques de algas prácticamente han desaparecido en muchos lugares especialmente vulnerables, como la costa este de Tasmania y la costa del norte de California. La implementación de áreas marinas protegidas es una estrategia de gestión útil para abordar estos problemas, ya que puede limitar los impactos de la pesca y proteger el ecosistema de los efectos aditivos de otros factores estresantes ambientales.

Algas marinas

El término kelp se refiere a las algas marinas pertenecientes al orden Laminariales (filo: Ochrophyta). Aunque no se consideran un orden taxonómicamente diverso, las algas son muy diversas estructural y funcionalmente. Las especies más reconocidas son las algas gigantes (Macrocystis spp.), aunque numerosos otros géneros como Laminaria, Ecklonia, Lessonia Se describen , Nereocystis, Alaria y Eisenia.

Una amplia variedad de vida marina utiliza los bosques de algas marinas como protección o alimento, incluidos los peces. En el Pacífico Norte hay bosques de algas marinas, particularmente peces de roca y muchos invertebrados, como anfípodos, camarones, caracoles marinos, gusanos de cerdas y estrellas de mar. También se encuentran muchos mamíferos y aves marinos, incluidas focas, leones marinos, ballenas, nutrias marinas, gaviotas, charranes, garcetas blancas, grandes garzas azules y cormoranes, así como algunas aves costeras.

Las algas marinas, frecuentemente consideradas un ingeniero de ecosistemas, proporcionan un sustrato físico y un hábitat para las comunidades de bosques de algas marinas. En las algas (reino Protista), el cuerpo de un organismo individual se conoce como talo más que como planta (reino Plantae). La estructura morfológica del talo de algas marinas está definida por tres unidades estructurales básicas:

• El holdfast es una masa similar a la raíz que ancla el thallus al suelo del mar, aunque a diferencia de verdaderas raíces no es responsable de absorber y entregar nutrientes al resto del thallus.
• El stipe es análogo a un tallo de planta, que se extiende verticalmente desde el holdfast y proporciona un marco de soporte para otras características morfológicas.
• Las heladas son apegos de hoja o hoja que se extienden desde la hezpa, a veces a lo largo de su longitud, y son los sitios de absorción de nutrientes y actividad fotosintética.

Además, muchas especies de algas marinas tienen neumatocistos o vejigas llenas de gas, generalmente ubicadas en la base de las hojas cerca del estípite. Estas estructuras proporcionan la flotabilidad necesaria para que las algas mantengan una posición vertical en la columna de agua.

Los factores ambientales necesarios para que las algas marinas sobrevivan incluyen sustrato duro (generalmente roca o arena), altos nutrientes (por ejemplo, nitrógeno, fósforo) y luz (dosis mínima de irradiancia anual > 50 E m^{−2). Los bosques de algas especialmente productivos tienden a estar asociados con áreas de importante afloramiento oceanográfico, un proceso que transporta agua fría y rica en nutrientes desde las profundidades hasta la capa superficial mixta del océano. El flujo de agua y la turbulencia facilitan la asimilación de nutrientes a través de las hojas de algas marinas en toda la columna de agua. La claridad del agua afecta la profundidad a la que se puede transmitir suficiente luz. En condiciones ideales, las algas gigantes (Macrocystis spp.) pueden crecer verticalmente entre 30 y 60 cm por día. Algunas especies, como Nereocystis, son anuales, mientras que otras, como Eisenia, son perennes y viven más de 20 años. En los bosques de algas perennes, las tasas máximas de crecimiento ocurren durante los meses de afloramiento (generalmente primavera y verano) y las muertes corresponden a una menor disponibilidad de nutrientes, fotoperíodos más cortos y una mayor frecuencia de tormentas.}

Las algas marinas se asocian principalmente con aguas templadas y árticas en todo el mundo. De los géneros más dominantes, Laminaria está asociado principalmente con ambos lados del Océano Atlántico y las costas de China y Japón; Ecklonia se encuentra en Australia, Nueva Zelanda y Sudáfrica; y Macrocystis se encuentra en todo el Océano Pacífico nororiental y sudoriental, en los archipiélagos del Océano Austral y en zonas alrededor de Australia, Nueva Zelanda y Sudáfrica. La región con mayor diversidad de algas marinas (>20 especies) es el Pacífico nororiental, desde el norte de San Francisco, California, hasta las Islas Aleutianas, Alaska.

Aunque los bosques de algas marinas son desconocidos en aguas superficiales tropicales, se sabe que algunas especies de Laminaria se encuentran exclusivamente en aguas tropicales profundas. Se cree que esta ausencia general de algas marinas en los trópicos se debe principalmente a niveles insuficientes de nutrientes asociados con aguas cálidas y oligotróficas. Un estudio reciente superpuso espacialmente los parámetros físicos necesarios para las algas marinas con las condiciones oceanográficas medias y produjo un modelo que predice la existencia de algas subsuperficiales en los trópicos de todo el mundo hasta profundidades de 200 m (660 pies). Para un punto crítico en las Islas Galápagos, el modelo local se mejoró con datos a escala fina y se probó; El equipo de investigación encontró prósperos bosques de algas marinas en los ocho sitios muestreados, todos los cuales habían sido predichos por el modelo, validando así su enfoque. Esto sugiere que su modelo global podría ser bastante preciso y, de ser así, los bosques de algas marinas serían prolíficos en las aguas tropicales subsuperficiales de todo el mundo. La importancia de esta contribución ha sido rápidamente reconocida dentro de la comunidad científica y ha impulsado una trayectoria completamente nueva de investigación sobre los bosques de algas, destacando el potencial de los bosques de algas para proporcionar refugio espacial a los organismos marinos bajo el cambio climático y brindando posibles explicaciones para los patrones evolutivos de las algas en todo el mundo. .

Arquitectura del ecosistema

La arquitectura de un ecosistema de bosque de algas se basa en su estructura física, que influye en las especies asociadas que definen su estructura comunitaria. Estructuralmente, el ecosistema incluye tres gremios de algas y dos gremios ocupados por otras algas:

• Las cepas de canopy incluyen las especies más grandes y a menudo constituyen canopías flotantes que se extienden a la superficie oceánica (por ejemplo, Macrocystis y Alaria).
• Los kelpes de punta generalmente se extienden a pocos metros sobre el suelo del mar y pueden crecer en agregaciones densas (por ejemplo, Eisenia y Ecklonia).
• Las cepas prostrate se encuentran cerca y a lo largo del suelo del mar (por ejemplo, Laminaria).
• El conjunto bentónico está compuesto por otras especies algas (por ejemplo, grupos funcionales filamentosos y foliosos, corales articulados) y organismos sesiles a lo largo del fondo oceánico.
• Incrustar algas coralinas directamente y a menudo cubren ampliamente el sustrato geológico.

A menudo coexisten múltiples especies de algas marinas dentro de un bosque; El término dosel del sotobosque se refiere a las algas estipitadas y postradas. Por ejemplo, un dosel de Macrocystis puede extenderse muchos metros sobre el fondo marino hacia la superficie del océano, mientras que un sotobosque de algas Eisenia y Pterygophora se extiende hacia arriba. sólo unos pocos metros. Debajo de estas algas, puede haber un conjunto bentónico de algas rojas foliosas. La densa infraestructura vertical con dosel superpuesto forma un sistema de microambientes similar a los observados en un bosque terrestre, con una región de dosel soleada, un medio parcialmente sombreado y un fondo marino oscuro. Cada gremio tiene organismos asociados, que varían en sus niveles de dependencia del hábitat, y el conjunto de estos organismos puede variar según la morfología de las algas. Por ejemplo, en California, los bosques de Macrocystis pyrifera, el nudibranquio Melibe leonina y el camarón esqueleto Caprella californica están estrechamente asociados con las copas de los árboles de la superficie; la perca alga Brachyistius frenatus, el pez roca Sebastes spp. y muchos otros peces se encuentran dentro del sotobosque estipitado; Estrellas quebradizas y caracoles turbante Tegula spp. están estrechamente asociados con las algas marinas, mientras que varios herbívoros, como los erizos de mar y el abulón, viven bajo el dosel postrado; muchas estrellas de mar, hidroides y peces bentónicos viven entre las asociaciones bentónicas; Corales solitarios, varios gasterópodos y equinodermos viven sobre las algas coralinas incrustadas. Además, los peces pelágicos y los mamíferos marinos están vagamente asociados con los bosques de algas marinas y generalmente interactúan cerca de los bordes cuando los visitan para alimentarse de organismos residentes.

Ecología trófica

Los estudios clásicos sobre la ecología de los bosques de algas se han centrado en gran medida en las interacciones tróficas (las relaciones entre los organismos y sus redes alimentarias), particularmente en la comprensión y los procesos tróficos de arriba hacia abajo. Los procesos ascendentes generalmente están impulsados por las condiciones abióticas requeridas para que los productores primarios crezcan, como la disponibilidad de luz y nutrientes, y la posterior transferencia de energía a los consumidores en niveles tróficos más altos. Por ejemplo, la aparición de algas marinas se correlaciona frecuentemente con zonas de afloramiento oceanográfico, que proporcionan concentraciones inusualmente altas de nutrientes al medio ambiente local. Esto permite que las algas crezcan y posteriormente sustenten a los herbívoros, que a su vez sustentan a los consumidores en niveles tróficos más altos. Por el contrario, en los procesos de arriba hacia abajo, los depredadores limitan la biomasa de las especies en niveles tróficos inferiores mediante el consumo. En ausencia de depredación, estas especies de niveles inferiores prosperan porque los recursos que sustentan sus necesidades energéticas no son limitantes. En un ejemplo bien estudiado de los bosques de algas marinas de Alaska, las nutrias marinas (Enhydra lutris) controlan las poblaciones de erizos de mar herbívoros mediante la depredación. Cuando las nutrias marinas son eliminadas del ecosistema (por ejemplo, mediante explotación humana), las poblaciones de erizos quedan liberadas del control de los depredadores y crecen dramáticamente. Esto conduce a una mayor presión de los herbívoros sobre los rodales de algas locales. El deterioro de las algas marinas en sí resulta en la pérdida de la estructura física del ecosistema y, posteriormente, en la pérdida de otras especies asociadas con este hábitat. En los ecosistemas de bosques de algas marinas de Alaska, las nutrias marinas son la especie clave que media en esta cascada trófica. En el sur de California, los bosques de algas persisten sin nutrias marinas y el control de los erizos herbívoros está mediado por un conjunto de depredadores que incluyen langostas y peces grandes, como la cabeza de oveja de California. El efecto de eliminar una especie depredadora en este sistema difiere del de Alaska porque existe redundancia en los niveles tróficos y otras especies depredadoras pueden continuar regulando a los erizos. Sin embargo, la eliminación de múltiples depredadores puede liberar eficazmente a los erizos de la presión de los depredadores y permitir que el sistema siga trayectorias hacia la degradación del bosque de algas. Existen ejemplos similares en Nueva Escocia, Sudáfrica, Australia y Chile. La importancia relativa del control de arriba hacia abajo versus el control de abajo hacia arriba en los ecosistemas de bosques de algas y las fortalezas de las interacciones tróficas continúan siendo objeto de considerable investigación científica.

La transición de macroalgal (es decir, bosque de kelp) a paisajes desnudados dominados por erizos de mar (o ‘estriles de arquín’) es un fenómeno generalizado, a menudo resultante de cascadas tróficas como las descritas anteriormente; las dos fases se consideran estados alternativos estables del ecosistema. La recuperación de bosques de kelp de estados estériles ha sido documentada tras perturbaciones dramáticas, como la enfermedad de erizo o grandes cambios en las condiciones térmicas. La recuperación de estados intermedios de deterioro es menos predecible y depende de una combinación de factores abióticos e interacciones bióticas en cada caso.

Aunque los erizos suelen ser los herbívoros dominantes, otros con importantes puntos fuertes de interacción incluyen estrellas de mar, isópodos, cangrejos algas marinas y peces herbívoros. En muchos casos, estos organismos se alimentan de algas que se han desprendido del sustrato y flotan cerca del fondo del océano en lugar de gastar energía buscando talos intactos de los cuales alimentarse. Cuando hay suficientes algas flotantes disponibles, los herbívoros herbívoros no ejercen presión sobre las plantas adheridas; Cuando los subsidios a la deriva no están disponibles, los pastores impactan directamente la estructura física del ecosistema. Muchos estudios realizados en el sur de California han demostrado que la disponibilidad de algas marinas influye específicamente en el comportamiento de búsqueda de alimento de los erizos de mar. Las algas flotantes y las partículas derivadas de las algas también han sido importantes para subsidiar los hábitats adyacentes, como las playas arenosas y el intermareal rocoso.

Dinámica del parche

Otra área importante de investigación sobre los bosques de algas se ha dirigido a comprender los patrones espacio-temporales de los parches de algas. Estas dinámicas no sólo afectan el paisaje físico, sino que también afectan a las especies que se asocian con las algas marinas para refugiarse o buscar alimento. Las perturbaciones ambientales a gran escala han ofrecido importantes conocimientos sobre los mecanismos y la resiliencia de los ecosistemas. Ejemplos de perturbaciones ambientales incluyen:

• Se ha demostrado que los eventos de contaminación aguda y crónica impactan los bosques de kelp del sur de California, aunque la intensidad del impacto parece depender tanto de la naturaleza de los contaminantes como de la duración de la exposición. La contaminación puede incluir la deposición de sedimentos y la eutrofización de aguas residuales, subproductos industriales y contaminantes como PCB y metales pesados (por ejemplo, cobre, zinc), escorrentía de organofosfatos de áreas agrícolas, productos químicos antiincrustantes utilizados en puertos y puertos deportivos (por ejemplo, TBT y creosote) y patógenos terrestres como bacterias fecal coliformes.
• Las tormentas catastróficas pueden eliminar los canopies de cepa superficial a través de la actividad de onda, pero generalmente dejar intactas las algas de bajo nivel; también pueden eliminar los erizos cuando hay poco refugio espacial disponible. Los claros de canopy intercalados crean un mosaico de paisajes marinos donde la luz del sol penetra más profundamente en el bosque de algas y las especies que normalmente están limitadas a la luz en el sótano pueden florecer. Del mismo modo, el sustrato aclarado de celp holdfasts puede proporcionar espacio para que otras especies de sesiles se establezcan y ocupen el fondo marino, a veces compitiendo directamente con kelp juvenil e incluso inhibiendo su asentamiento.
• Los eventos El Niño-Oscilación Sur (ENSO) implican la depresión de termogramas oceanográficos, reducciones severas de la entrada de nutrientes y cambios en los patrones de tormenta. El estrés debido al agua tibia y el agotamiento de nutrientes puede aumentar la susceptibilidad de la cepa a los daños causados por la tormenta y el pastoreo herbívoro, incluso provocando cambios de fase a los paisajes dominados por erizos. En general, las condiciones oceanográficas (es decir, la temperatura hídrica, las corrientes) influyen en el éxito de reclutamiento de kelp y sus competidores, lo que afecta claramente a las interacciones posteriores de especies y la dinámica de los bosques de kelp.
• La sobrepesca de niveles tróficos superiores que regulan naturalmente las poblaciones herbívoras también se reconoce como un estresante importante en los bosques de algas. Como se describe en la sección anterior, los factores impulsores y los resultados de las cascadas tróficas son importantes para comprender los patrones espaciales-temporales de los bosques de algas.

Además del monitoreo ecológico de los bosques de algas antes, durante y después de tales perturbaciones, los científicos intentan desentrañar las complejidades de la dinámica de los bosques de algas mediante manipulaciones experimentales. Al trabajar en escalas espacio-temporales más pequeñas, pueden controlar la presencia o ausencia de factores bióticos y abióticos específicos para descubrir los mecanismos operativos. Por ejemplo, en el sur de Australia, las manipulaciones de los tipos de dosel de algas marinas demostraron que la cantidad relativa de Ecklonia radiata en un dosel podría usarse para predecir conjuntos de especies del sotobosque; en consecuencia, la proporción de E. radiata se puede utilizar como indicador de otras especies que se encuentran en el medio ambiente.

Uso humano

Los bosques de algas han sido importantes para la existencia humana durante miles de años. De hecho, muchos ahora teorizan que la primera colonización de América se debió a que las comunidades pesqueras buscaron los bosques de algas del Pacífico durante la última edad de hielo. Una teoría sostiene que los bosques de algas que se habrían extendido desde el noreste de Asia hasta la costa del Pacífico estadounidense habrían proporcionado muchos beneficios a los antiguos navegantes. Los bosques de algas marinas habrían proporcionado muchas oportunidades de sustento, además de haber actuado como una especie de amortiguador de las aguas turbulentas. Además de estos beneficios, los investigadores creen que los bosques de algas podrían haber ayudado a los primeros navegantes a navegar, actuando como una especie de "autopista de algas". Los teóricos también sugieren que los bosques de algas habrían ayudado a estos antiguos colonos al proporcionarles una forma de vida estable y evitarles tener que adaptarse a nuevos ecosistemas y desarrollar nuevos métodos de supervivencia incluso cuando viajaban miles de kilómetros.

Las economías modernas se basan en la pesca de especies asociadas a las algas marinas, como la langosta y el pez roca. Los seres humanos también pueden recolectar algas marinas directamente para alimentar especies acuícolas como el abulón y para extraer el compuesto ácido algínico, que se utiliza en productos como pasta de dientes y antiácidos. Los bosques de algas son valorados para actividades recreativas como buceo y kayak; las industrias que apoyan estos deportes representan un beneficio relacionado con el ecosistema y el disfrute derivado de estas actividades representa otro. Todos estos son ejemplos de servicios ecosistémicos proporcionados específicamente por los bosques de algas. El acuario de la Bahía de Monterey fue el primer acuario que exhibió un bosque de algas vivo.

Como secuestradoras de carbono

Los bosques de algas marinas crecen en lugares rocosos a lo largo de la costa que se erosionan constantemente llevando material a las profundidades del mar. Luego, las algas se hunden en el fondo del océano y almacenan el carbono donde es poco probable que la actividad humana lo altere. Investigadores de la Universidad de Australia Occidental estimaron que los bosques de algas marinas alrededor de Australia secuestraban entre 1,3 y 2,8 teragramos de carbono por año, lo que representa entre el 27 y el 34% del carbono azul anual total secuestrado en el continente australiano por las marismas, los bosques de manglares y las praderas marinas. Cada año, macroalgas como las algas marinas secuestran 200 millones de toneladas de dióxido de carbono.

Amenazas y gestión

Dada la complejidad de los bosques de algas marinas (su estructura, geografía e interacciones variables), plantean un desafío considerable para los administradores ambientales. Extrapolar al futuro incluso tendencias bien estudiadas es difícil porque las interacciones dentro del ecosistema cambiarán bajo condiciones variables, no se comprenden todas las relaciones en el ecosistema y aún no se reconocen los umbrales no lineales de las transiciones.

Entre las principales cuestiones de preocupación cabe citar la contaminación marina y la calidad del agua, la cosecha de algas y la pesca, las especies invasivas y el cambio climático. La amenaza más apremiante para la preservación de los bosques de kelp puede ser la sobrepesca de los ecosistemas costeros, que al eliminar niveles tróficos más altos facilita su cambio a los estériles de erizo despauperados. El mantenimiento de la diversidad biológica se reconoce como una forma de estabilizar los ecosistemas y sus servicios en general mediante mecanismos como la compensación funcional y la reducción de la susceptibilidad a las invasiones de especies extranjeras. Más recientemente, el informe del IPCC de 2022 indica que las algas y otras algas en la mayoría de las regiones están experimentando mortales de masas desde extremos de alta temperatura y los desplazamientos de rango desde el calentamiento, ya que son estacionarios y no pueden adaptarse lo suficientemente rápido para lidiar con la temperatura de la Tierra y por lo tanto, el océano.

En muchos lugares, los administradores han optado por regular la recolección de algas marinas y/o la captura de especies forestales de algas marinas por parte de las pesquerías. Si bien pueden ser eficaces en un sentido, no necesariamente protegen la totalidad del ecosistema. Las áreas marinas protegidas (AMP) ofrecen una solución única que abarca no sólo las especies objetivo para la captura, sino también las interacciones que las rodean y el medio ambiente local en su conjunto. Los beneficios directos de las AMP para la pesca (por ejemplo, efectos indirectos) han sido bien documentados en todo el mundo. También se han demostrado beneficios indirectos en varios casos entre especies como el abulón y los peces del centro de California. Lo más importante es que las AMP pueden ser efectivas para proteger los ecosistemas de bosques de algas existentes y también pueden permitir la regeneración de aquellos que han sido afectados.

Restauración del bosque de algas en California

En la década de 2010, el norte de California perdió el 95 % de sus ecosistemas de algas marinas debido a las olas de calor marinas.

Los esfuerzos de recuperación de los lechos de algas en California se centran principalmente en la eliminación de erizos de mar, tanto por parte de buzos como de nutrias marinas, que son depredadores naturales.

Un alga parda, Sargassum horneri, una especie invasora detectada por primera vez en 2003, también ha sido motivo de preocupación.

La estrella de mar girasol es una especie clave importante que ayuda a controlar la abundancia de erizos de mar, pero un brote de enfermedad debilitante de las estrellas de mar y una vulnerabilidad al cambio climático han llevado a su peligro crítico.

Los investigadores del Laboratorio Marino Bodega de UC Davis están desarrollando estrategias de replantación, y los voluntarios del grupo Coastkeeper del Condado de Orange están replantando algas gigantes. La Universidad Estatal de Humboldt comenzó a cultivar algas marinas en su granja de investigación en 2021.

En julio de 2020 se anunciaron esfuerzos de investigación a nivel estatal para prevenir el colapso del bosque de algas marinas en California.

A nivel federal, H.R. 4458, la Ley para Mantener los Ecosistemas Vivos y Productivos (KELP), presentada el 29 de julio de 2021, busca establecer un nuevo programa de subvenciones dentro de la NOAA para la restauración de bosques de algas.