Habitat contractions to drive future planktonic foraminifera distribution and diversity change

Resumen Técnico: Las contracciones de hábitat impulsarán los cambios futuros en la distribución y diversidad de los foraminíferos planctónicos

Planteamiento del problema
Los foraminíferos planctónicos (PF) son calcificadores unicelulares críticos para el ciclo global de carbonatos en el océano y sirven como indicadores primarios para la reconstrucción paleoclimática. Aunque históricamente los PF han demostrado la capacidad de desplazar sus distribuciones en respuesta al cambio climático, las condiciones oceánicas actuales —caracterizadas por el calentamiento, el aumento de la estratificación y la alteración de la dinámica de nutrientes— plantean preocupaciones sobre la magnitud de los futuros desplazamientos biogeográficos y sus consecuencias para los ecosistemas marinos. Los esfuerzos de modelado previos se han visto limitados por la dependencia de datos de núcleos de sedimentos (sujetos a sesgos diagenéticos) o muestras dispersas de arrastre de plancton con estimaciones de abundancia no estandarizadas. Existe una necesidad urgente de proyectar la abundancia y distribución futura de los PF utilizando conjuntos de datos de la columna de agua exhaustivos y estandarizados para restringir mejor los cambios futuros en la calcificación, la absorción de CO₂ oceánico y la interpretación de los archivos paleoclimáticos.

Metodología
Este estudio utiliza la base de datos Foraminifera Response to Climatic Stress (FORCIS), que compila más de 188,000 muestras desde 1910 hasta 2018, para estimar los nichos ecológicos de seis especies principales de PF que representan distintos dominios de hábitat (global, subtropical, templado y polar). Los autores emplearon dos Modelos de Nicho Ecológico (ENM) distintos para proyectar la abundancia y diversidad futura:

1. Modelo de Cuerdas Ambientales (ESM): Un modelo diseñado para preservar las relaciones locales entre variables ambientales mediante el uso de "cuerdas ambientales" para estimar la abundancia basándose en zonas objetivo.
2. Red Neuronal de Regresión Generalizada (GRNN): Una técnica de regresión no paramétrica adecuada para conjuntos de datos pequeños que proporciona transiciones suaves entre observaciones.

Datos y Calibración:

• Datos de entrada: Se seleccionó un subconjunto de 10,632 muestras distribuidas globalmente, excluyendo datos de trampas de sedimentos y del Registrador Continuo de Plancton (CPR) debido a sesgos de profundidad y de tamaño de malla. Los datos fueron armonizados mediante un marco de taxonomía agrupada y normalizados a un tamaño de malla de 100 µm.
• Impulsores ambientales: Se extrajeron cuatro parámetros del modelo climático IPSL-CM6A-LR: temperatura, concentración de clorofila, radiación de onda corta y profundidad de la termoclina.
• Escenarios: Las proyecciones se ejecutaron para el período 2070–2100 bajo tres Trayectorias Socioeconómicas Compartidas (SSP): SSP1-2.6 (sostenibilidad), SSP2-4.5 (camino intermedio) y SSP3-7.0 (rivalidad regional).
• Calibración: Los modelos se calibraron utilizando una división de entrenamiento/validación de 80/20 a través de cuencas oceánicas y bins de abundancia. Las pruebas de sensibilidad determinaron los parámetros óptimos para la resolución de la cuadrícula (5°×5°×5 años), intervalos de profundidad (0–100 m) y combinaciones de variables ambientales.
• Análisis de diversidad: La diversidad alfa se calculó para 41 especies, agrupadas en ecogrupos según su estado de simbiontes (con simbiontes, sin simbiontes y con simbiontes facultativos). Se generaron mapas de presencia/ausencia filtrando el 7egundo 75% de los valores de abundancia predichos para reducir el ruido.

Resultados Clave

• Descensos de abundancia: En todos los escenarios climáticos y ambos modelos, la mayoría de las simulaciones predicen una disminución global en la abundancia de los PF (hasta un ~20% para especies específicas). Incluso bajo el escenario más optimista (SSP1-2.6), el 83% de las simulaciones predijo reducciones de abundancia.
• Desplazamientos hacia los polos: Todas las especies exhiben desplazos de distribución hacia los polos.
  • Las especies subtropicales (ej., Globigerinoides ruber, Trilobatus sacculifer, Neogloboquadrina dutertrei) muestran disminuciones de abundancia en regiones de baja latitud e incrementos en latitudes medias.
  • Las especies templadas y polares (ej., Neogloboquadrina incompta, Neogloboquadrina pachyderma) muestran disminuciones en latitudes medias e incrementos significativos en aguas de altas latitudes (Ártico y Antártida).
  • Las especies globales (Globigerina bulloides) muestran estabilidad en latitudes altas pero disminuciones en las regiones ecuatoriales y de los giros subtropicales.
• Cambios en la diversidad: Se proyecta que la riqueza de especies global disminuirá entre un 4 y un 8% para el año 2100. La pérdida de diversidad se concentra en las regiones de baja latitud (ecuatoriales), mientras que las regiones de latitudes medias y altas están proyectadas a experimentar incrementos en la riqueza de especies. Este cambio sugiere una transición en el gradiente de diversidad latitudinal, con una contracción de la diversidad tropical y una expansión de la diversidad extratropical.
• Impulsores ambientales: El análisis de importancia de características indica que la temperatura y la profundidad de la termoclina son los principales impulsores para la mayoría de las especies. Sin embargo, las especies con simbiontes están más influenciadas por la luz y la temperatura, mientras que las especies sin simbiontes muestran correlaciones más fuertes con la concentración de clorofila y la temperatura.

Significancia y Afirmaciones
Los autores afirman que estos resultados proporcionan estimaciones robustas e independientes de la futura distribución y diversidad de los PF, restringidas por datos de la columna de agua exhaustivos y estandarizados en lugar de registros sedimentarios. El estudio sugiere que:

1. Impacto en el ecosistema: Los descensos observados y los desplazamientos hacia los polos de la abundancia de los PF pueden reflejar patrones en otros grupos de mesozooplancton, con consecuencias potenciales para las redes tróficas marinas.
2. Ciclos biogeoquímicos: Los cambios en la abundancia y distribución de los PF alterarán el flujo de carbonato de calcio hacia el océano profundo, afectando así el reservorio de alcalinidad oceánica y la capacidad del océano para absorber CO₂ atmosférico.
3. Interpretación paleoclimática: Comprender estos cambios futuros es esencial para interpretar correctamente los archivos paleoclimáticos, ya que los nichos ecológicos de los PF se proyectan hacia zonas de "no analogía" donde las condiciones ambientales futuras no coinciden con ningún nicho realizado presente.
4. Avance metodológico: Al aplicar los ENM a datos de abundancia (en lugar de presencia/ausencia) y utilizar la base de datos FORCIS, este estudio ofrece una mejora metodológica sobre los modelos previos basados en rasgos o calibrados por sedimentos, proporcionando una visión más matizada de cómo los rasgos ecológicos específicos (ej., estado de simbionte, oportunismo) gobiernan las respuestas de la comunidad al forzamiento climático.

El artículo concluye que, si bien los PF poseen cierta capacidad de adaptación, el rápido ritmo del cambio ambiental puede superar su capacidad para rastrear hábitats preferidos, lo que conducirá a una reducción neta de la abundancia global y a una reestructuración de las comunidades de calcificadores marinos durante el siglo XXI.