Rana temporaria en los Pirineosbiogeografía de poblaciones

Resumen

Los anfibios se están extinguiendo a un ritmo muy acelerado y sin precedentes (Stuart et al., 2004; McCallum, 2007; Wake y Vredenburg 2008; Collins, 2010), este declive de las poblaciones de anfibios está asociado a una crisis de extinción masiva que conlleva a una pérdida de biodiversidad global (Collins, 2010; Barnosky et al., 2011). Los ecosistemas montañosos están fragmentados de forma natural, lo que genera interrupciones en la conectividad y el aislamiento de las poblaciones. Las poblaciones alpinas de anuros son especialmente vulnerables a los cambios ambientales debidos al cambio climático e impactos antrópicos (Bosch et al., 2007; Wake y Vredenburg, 2008; Rollins-Smith, 2017), siendo la monitorización de poblaciones vulnerables un elemento importante para comprender los factores que conducen al declive de los anfibios. La rana bermeja, R. temporaria, es la especie de anuro más extendida de Europa (Sillero et al., 2014). La presente Tesis Doctoral estudia la biogeografía de las poblaciones de R. temporaria que habitan en la vertiente sur del Pirineo Central entre 1500 y 2600 m s. n. m. en el límite de distribución de la especie en latitud y altitud. El polimorfismo en el color y en el patrón dorsal están ampliamente extendidos entre los anfibios, reflejando la diversidad fenotípica de estos animales (Hoffman y Blouin, 2000; Miramontes-Sequeiros et al., 2018a). Estos colores y patrones dorsales están determinados por los cromatóforos, células del tegumento contenedoras de pigmentos específicos (Duellman y Trueb, 1994). En anfibios se diferencian tres tipos principales de cromatóforos, los melanóforos que sintetizan melanina almacenada en los melanosomas, los xantóforos que acumulan pteridinas en los pterinosomas y los iridóforos con guanina cristalizada que constituye las plaquetas reflectantes. Los pigmentos de melanóforos y xantóforos absorben la luz, mientras que la guanina de las plaquetas reflectantes la reflejan (Bagnara et al., 1968; Duellman y Trueb, 1994; Bagnara y Matsumoto, 2006; Ligon y McCartney, 2016). En la epidermis, capa más externa de la piel, se localizan melanóforos que depositan melanina citocrina en los queratinocitos de su alrededor cuya acumulación constituye las manchas oscuras o melánicas del patrón dorsal (Hadley y Quevedo, 1966; Zuasti et al., 1998; Bagnara y Matsumoto, 2006). En la dermis, capa más interna de la piel localizada bajo la epidermis, los cromatóforos se distribuyen en capas, generalmente los xantóforos se localizan formando una capa en la cara más externa de la dermis junto a la membrana basal, debajo se encuentran los iridóforos y bajo ambos están los melanóforos dérmicos que emiten prolongaciones celulares que rodean a los otros cromatóforos (Bagnara, 1976). Así, cuando la luz incide en la superficie de una rana, la capa de xantóforos actúa como filtro y absorbe una parte de las longitudes de onda corta (azul-violeta) y el resto son dispersadas por las plaquetas reflectantes de los iridóforos. La melanina de los melanóforos absorbe las longitudes de onda larga (rojo-naranja). Como resultado, las longitudes de onda intermedia (amarillo-verde) pasan libres a través de los xantóforos y la mayoría son reflejadas por los iridóforos, apareciendo los animales de este color (Bagnara y Hadley, 1973). De manera que el color final del animal depende de factores como la morfología de la piel, y la cantidad y distribución de los distintos tipos de cromatóforos. Estos factores pueden variar dependiendo de la genética, la fisiología y el ambiente, reflejando la variabilidad fenotípica de las poblaciones. El objetivo principal de esta Tesis es estudiar la biogeografía de las poblaciones de la rana bermeja (R. temporaria) en el Pirineo Central aragonés, los factores que afectan a su distribución y los mecanismos específicos de adaptación al ambiente. Para analizar la diversidad fenotípica de las poblaciones de la rana bermeja, se estudiaron el polimorfismo del color de la piel y del patrón dorsal de los individuos, así como la estructura de la piel y los factores que determinan su coloración. Para realizar esta investigación se estudió la distribución espacial de las poblaciones alpinas de la rana bermeja (R. temporaria) en treinta localidades diferentes ubicadas en el Pirineo Central (vertiente ibérica) a altitudes comprendidas entre 1500 y 2600 m s. n. m. Las campañas de muestreo se realizaron durante los veranos de 2014, 2016 y 2017 en expediciones realizadas a pie. Se realizaron fotografías digitales a un total de 372 individuos de R. temporaria pertenecientes a diferentes poblaciones localizados en dos tipos de cuerpos de agua, cuerpos de agua permanentes (lagos glaciares de aguas cálidas) y cuerpos de agua temporales (arroyos de aguas frías). Durante el muestreo se registraron propiedades del ambiente como la altitud, la geología, la insolación, la temperatura y la temporalidad de los cuerpos de agua. Conocer las características del área de estudio posibilita el análisis de los factores que afectan a la distribución de las poblaciones de anfibios que habitan en alta montaña. A continuación se caracterizó la morfología de la piel de la R. temporaria alpina mediante técnicas histológicas, y se describieron las estructuras responsables de la formación del patrón dorsal de manchas oscuras y del color de la piel. La piel de la R. temporaria tiene la misma estructura que la descrita en anuros, una capa epitelial externa o epidermis y una capa interna de tejido conectivo o dermis. Los melanóforos epidérmicos son los cromatóforos responsables de la formación de las manchas del patrón dorsal, y los cromatóforos dérmicos (melanóforos, xantóforos e iridóforos) proporcionan el color base del animal. Las observaciones realizadas mediante microscopía óptica y microscopía electrónica de transmisión revelan que aunque la ultraestructura de los tres tipos de cromatóforos es similar a la observada generalmente en anuros, la organización espacial de los cromatóforos dérmicos es diferente. Así, los iridóforos dérmicos de R. temporaria son muy numerosos y están apilados en varias capas de células localizadas bajo la capa de xantóforos, de forma similar a la descrita en el tegumento de algunas ranas africanas que habitan en ambientes áridos (Drewes et al., 1977; Kobelt y Linsenmair, 1986; Lampert y Linsenmair, 2002). Este estudio prosigue con la caracterización de los iridóforos en la piel de la R. temporaria alpina, utilizando técnicas de microscopía de fluorescencia confocal, para averiguar su función en la adaptación a las condiciones ambientales de la alta montaña. Los resultados muestran que los iridóforos de la piel en la R. temporaria alpina disipan el exceso de energía de longitud de onda corta emitiendo fluorescencia. Se concluye que la presencia de un gran número de iridóforos junto a su capacidad de reflejar la radiación ultravioleta (UV) representa un mecanismo específico de termorregulación que actúa como fotoprotector frente a la dañina radiación UV, evitan el sobrecalentamiento de la piel y la pérdida de agua por evaporación (EWL). Por lo tanto, los iridóforos de la piel son un factor clave en la adaptación de los anfibios a ambientes de alta montaña. Para analizar la diversidad fenotípica de las poblaciones de la rana bermeja, se estudiaron de forma independiente el polimorfismo del color del cuerpo del animal y la variabilidad en el grado de melanismo del patrón dorsal. El análisis del polimorfismo del color de las ranas se llevó a cabo desarrollando una técnica de estudio no invasiva que permite evaluar y clasificar la diversidad fenotípica de los individuos. Para ello se procesaron las imágenes de 372 ranas fotografiadas in situ en el área de estudio, y se analizaron las diferencias encontradas en la tipología del color de la piel, obteniendo cinco grupos o fenotipos. Seguidamente se analizó la relación entre la variabilidad fenotípica con variables ambientales, como la geología, la altitud, el tipo de cuerpo agua y el tamaño del individuo. Este análisis revela que la variabilidad del tipo de piel disminuye en las ranas que se desarrollaron en cuerpos de agua temporales respecto a las ranas cuyo desarrollo tuvo lugar en cuerpos de agua permanentes. Los resultados sugieren que una metamorfosis temprana de los renacuajos, como adaptación a la desecación del hábitat, puede tener efectos negativos en la diversidad fenotípica de los adultos. Por lo tanto, se demuestra que el acceso a cuerpos de agua permanentes es importante para evitar la pérdida de diversidad en poblaciones de anuros y reducir su vulnerabilidad frente a los impactos ambientales y los patógenos. Finalmente se estudió el grado de melanismo del patrón dorsal de manchas oscuras de las poblaciones de R. temporaria objeto de estudio en el Pirineo Central. Para ello se analizó la variación en la distribución de las manchas del patrón dorsal en imágenes digitales correspondientes a 372 individuos de R. temporaria fotografiados in situ en el área de estudio. Seguidamente se analizó la relación entre la variabilidad en el grado de melanismo y diferentes variables ambientales como la insolación, la altitud, la temporalidad de los cuerpos de agua y el tamaño del individuo. Este análisis resuelve que el grado de melanismo, la temporalidad de los cuerpos de agua y el tamaño de los individuos están correlacionados. La variación en el grado de melanismo de las poblaciones está vinculada a la temperatura del agua en los diferentes ambientes donde habitan las poblaciones alpinas de la R. temporaria. Así, las ranas localizadas en los cuerpos de agua temporales tienen mayor grado de melanismo que las ranas que se encuentran en los cuerpos de agua permanentes. Teniendo en cuenta que los individuos con patrones melánicos alcanzan temperaturas más elevadas cuando se exponen a la radiación solar (Vences et al., 2002; Clusella-Trullas et al., 2007), estos patrones dorsales oscuros resultan beneficiosos en las aguas frías de los arroyos (cuerpos de agua temporales) y viceversa, un patrón dorsal más claro evita el sobrecalentamiento en las cálidas aguas de los lagos glaciares (cuerpos de agua permanentes). Por lo tanto, se concluye que el grado de melanismo del patrón dorsal de manchas oscuras proporciona a las poblaciones alpinas R. temporaria un mecanismo de termorregulación y de mimetismo inducido por el ambiente.