Copyright, 1996 © Dale Carnegie & Associates, Inc. Isótopos Estables en Relaciones Tróficas. Por: Dr. Sergio Aguíñiga Lab. Quim. Mar. Depto. Oceanología CICIMAR

PROTON masa = carga = positiva NEUTRON masa = carga = neutra ELECTRON masa = carga = negativa

12 Masa atómica (del núcleo) 6 Para que el átomo sea neutro protones= electrones Número atómico

Los elementos están formados por mezclas de átomos que contienen diferentes números de neutrones y por tanto diferentes masas.Los elementos están formados por mezclas de átomos que contienen diferentes números de neutrones y por tanto diferentes masas. Las diferencias radica en sus núcleos (protones + neutrones) Las diferencias radica en sus núcleos (protones + neutrones) Los átomos que tienen el mismo número de protones pero diferente número de neutrones se conocen como ISOTOPOS.Los átomos que tienen el mismo número de protones pero diferente número de neutrones se conocen como ISOTOPOS. Las masas de estas mezclas isotópicas (pesos atómicos) nos darán la masa del elemento (C = 12,01115).Las masas de estas mezclas isotópicas (pesos atómicos) nos darán la masa del elemento (C = 12,01115).

La estabilidad de un núcleo puede expresarse en términos de la energía de amarre nuclear, que es la energía que hay que suministrarle al núcleo para disociarlo completamente, separando entre sí todos sus protones y neutrones.

Para que ocurra el proceso de desintegración la masa del núcleo original debe ser suficiente como para dar lugar a la formación de núcleos producto y la energía de amarre nuclear original debe ser mas baja que la energía de amarre de los nucleos productos. Si esta condición no se cumple, el proceso no puede ocurrir espontáneamente y se dice que el núcleo es estable contra la desintegración.

Los protones y los neutrones pueden migrar por todo el interior de un núcleo. Por lo tanto, se puede considerar la probabilidad de que un protón o neutrón dado, se encuentre en una cierta región. Hay una chance minúscula de que un compuesto formado por dos protones y dos neutrones (una partícula alfa) pueda emigrar hacia el exterior del núcleo. Hay mayor chance de que ésto ocurra en un núcleo grande que en uno pequeño. Esta partícula alfa estará libre de la fuerza fuerte residual que la mantenía atrapada en el interior del núcleo y, del mismo modo que un resorte, liberado repentinamente, la partícula alfa cargada se "lanzará" fuera del núcleo.

Las partículas alfa pueden ser detenidas por medio de una hoja de papel; las partículas beta por aluminio; y la radiación gama con un bloque de plomo

Razones de Isótopos 12 C (98.89%); 13 C (1.11%). 12 C (98.89%); 13 C (1.11%). 14 N (99.63); 15 N (0.37) 14 N (99.63); 15 N (0.37) Las tasas 13 C/ 12 C y 15 N/ 14 N varían como resultado de la fraccionación isotópica durante procesos físicos, químicos y biológicos.Las tasas 13 C/ 12 C y 15 N/ 14 N varían como resultado de la fraccionación isotópica durante procesos físicos, químicos y biológicos. Es necesario un aparato de alta resolución capaz de medir razones de isótopos.Es necesario un aparato de alta resolución capaz de medir razones de isótopos. ESPECTROMETRO DE MASAS DE RAZONES ISOTOPICAS

The "delta-value" of an isotope pair is the isotope ratio ( 13 C/ 12 C ) of a sample minus that of the standard divided by that of the standard. By definition the delta value of the standard is 0‰ ("per mil" is the usual measurement scale) isotope ratio 13 C/ 12 C

when the reaction rate of one isotope of an element is greater than that of the other isotopes, we say that there has been an isotopic discrimination For example for carbon the source is usually atmospheric CO 2. If the delta value of atmospheric CO 2 is -8‰, and C, as it occurs subsequently as starch inside a leaf is -28‰, then a discrimination of 20‰ has occurred

Soy el problemático carrousel

= = = 46

Limitaciones del uso de isótopos estables en ecología Los estudios tróficos son posibles cuando se conoce la fuente de carbono o nitrógeno.Los estudios tróficos son posibles cuando se conoce la fuente de carbono o nitrógeno. Si no se conoce es necesario muestrear las fuentes potenciales.Si no se conoce es necesario muestrear las fuentes potenciales. Estos estudios son mejores cuando se realiza en conjunto con 15 NEstos estudios son mejores cuando se realiza en conjunto con 15 N El 15 N se fracciona 3‰ por nivel trófico versus 1‰ del 13 C.El 15 N se fracciona 3‰ por nivel trófico versus 1‰ del 13 C. # muestras entre mas pequeña es la diferencia isotópica, mas grande será el número de muestras necesarias para determinar diferencias estadísticas..

Fuentes de la variabilidad natural Los diseños de estudios isotópicos consideran medir la variabilidad “ecológica” del sitio de estudio. La desviación estándar de la variabilidad ecológica intraespecífica promedio es del orden de 0.2 a 2‰. En animales de la misma especie que crecen en condiciones ambientales con una misma disponibilidad de comida se ha reportado 0.6‰. Para estimar la importancia relativa de las diferentes fuentes de alimento es de interés minimizar la variabilidad ecológica para obtener el valor promedio  13 C para una especie.

Variabilidad Ecológica a) Heterogeneidad intrínseca de la fuente de alimentación. Los  13 C varían dependiendo de las condiciones de crecimiento Macroalgas 8‰ Val. Típico 1-2‰ laborat. 0.6‰ El efecto de esta heterogeneidad isotópica se contraresta con el hecho de que el tejido del animal representa un promedio de alimento ASIMILADO en un período determinado

Variabilidad EcológicaVariabilidad Ecológica b) SELECTIVIDADb) SELECTIVIDAD Los cambios isotópicos pueden estar en función de la alimentación y asimilación selectiva Se desconoce como los individuos difieren en sus preferencias o en su habilidad para digerir alimentos

Variabilidad EcológicaVariabilidad Ecológica b) SELECTIVIDADb) SELECTIVIDAD La verdadera variabilidad debe usarse cuando se estima el error estándar asociado con el cálculo del uso relativo de una fuente de alimento.

Para una situación sencilla que involucra sólo dos opciones de dietas que están separadas tróficamente. La contribución de cada tipo de presa a la dieta del consumidor se puede estimar: P a = proporción de la dieta derivada de la fuente “a” D t = valor isotópico medido en el tejido del consumidor D a y D b = el valor isotópico del tejido del consumidor que corresponde a dietas exclusivas del tipo “a”y “b” P a = (D t - D b ) / (D b - D a )

Variabilidad EcológicaVariabilidad Ecológica C) DIFERENCIAS BIOQUÍMICASC) DIFERENCIAS BIOQUÍMICAS La fraccionación isotópica durante el metabolismo puede definir que individuos de la misma especie presenten diferencias en la composición isotópica por efecto del estado metabólico (antes y despues de desovar, saludable o enfermo, gordo o flaco, etc). Las diferencias bioquímicas pueden minimizarse analizando muestras que son químicamente mas definidas (lípidos totales, AA, colágeno de hueso) Cuidar fraccionación durante preparación de muestra.

Variabilidad EcológicaVariabilidad Ecológica C) DIFERENCIAS de TEJIDOC) DIFERENCIAS de TEJIDO Las distintos tejidos pueden diferir hasta 3‰; estas son un reflejo de diferencias bioquímicas. Por lo tanto pueden cambiar con el tiempo dentro de un mismo individuo. El tiempo lo define el turnover time del individuo. Las diferencias sólo se pueden evaluar en animales grandes. Las diferencias frecuentemente están definidas por cantidades significativas de tractos digestivos o de tejido adiposo.

Variabilidad EcológicaVariabilidad Ecológica C) DIFERENCIAS ESTACIONALESC) DIFERENCIAS ESTACIONALES Resultan de una combinación de diferencias en selectividad, bioquímicas, intraorganismos y cambios en el alimento potencial disponible en diferentes estaciones. Para estudios evaluatorios de tendencias en el tiempo, la variabilidad puede minimizarse muestreando la misma especie en la misma estación.

DISEÑO EXPERIMENTALDISEÑO EXPERIMENTAL ¿Existen fuentes de carbono y nitrógeno que sean isotópicamente discernibles? Considerando las variaciones con la posición trófica, ¿como las tasas isotópicas de los consumidores pueden relacionarse con las fuentes alimenticias probables? ¿Existen evidencias de que no se hayan considerado productores primarios? ¿Como la variabilidad entre muestras se relaciona con la variabilidad entre fuentes?

DISEÑO EXPERIMENTALDISEÑO EXPERIMENTAL COMPARE los resultados con información que describa valores típicos y variabilidad de áreas relacionadas. En base a lo anterior estime el costo aproximado (número de análisis que se necesitan para la precisión deseada) y para responder las preguntas propuestas y decidir la factibilidad del estudio completo. En algunas áreas donde las diferencias isotópicas son muy pequeñas, se necesitan mas muestras para la significancia estadística y el estudio puede no ser económicamente viable.

DISEÑO EXPERIMENTALDISEÑO EXPERIMENTAL En este punto se plantean HIPOTESIS ESPECIFICAS. Si el estudio se basa en el funcionamiento de una especie en particular, es conveniente muestrear individuos cuatro o mas veces durante el ciclo anual. Se debe tener cuidado de probar posibles fuentes de variación colectando individuos de diferentes tallas, juveniles, adultos de ambos sexos reproduciendose, animales viejos.

DISEÑO EXPERIMENTALDISEÑO EXPERIMENTAL ¿Que pasa si el VALOR ISOTÓPICO PROMEDIO (basado en unas cuantas muestras)... IGNORA La variabilidad de la muestra, que puede ser la clave para explicar la complejidad de interacciones tróficas

Wallace A The niche in competition and evolution. J.Wiley & Sons Ltd.

DISEÑO EXPERIMENTALDISEÑO EXPERIMENTAL Los organismos pueden cambiar de dieta debido a la talla, disponibilidad, facilidad de captura y biogeografía de la presa. Esto es particularmente relevante en especies con alimentación oportunista. Los datos isotópicos promedio que se usan para estimar la transferencia de energía discriminan las interacciones entre las posiciones tróficas intermedias... Es necesario aplicar métodos que definan los flujos de energía en escalas espacio temporales conocidas.

ESPECTRO ISOTÓPICO DE POSICIÓN TROFICA (EIPT)ESPECTRO ISOTÓPICO DE POSICIÓN TROFICA (EIPT) La variabilidad isotópica entre organismos (si el dato es exacto) representa las diferencias en el historial dietético. Un organismo, a un tiempo y espacio particular, tendrá una posición trófica en función de su patrón de alimentación.

ESPECTRO ISOTÓPICO DE POSICIÓN TROFICA (EIPT) (Monteiro et al., 1991)ESPECTRO ISOTÓPICO DE POSICIÓN TROFICA (EIPT) (Monteiro et al., 1991) El número de vías por las cuales el N y el C llegan a un nivel dado de la cadena alimenticia se reflejará por la distribución y frecuencia de las razones isotópicas de los organismos.

ESPECTRO ISOTÓPICO DE POSICIÓN TROFICA (EIPT)ESPECTRO ISOTÓPICO DE POSICIÓN TROFICA (EIPT) Para definir una red trófica se deben muestrear todas las posiciones tróficas entre el productor primario y los consumidores relevantes y entonces construir un ESPECTRO ISOTÓPICO DE POSICIÓN TROFICA (EIPT). La frecuencia de las tasas isotópicas cuantifica la proporción de individuos recibiendo su energía (C,N) por cada vía.

Para cada vía existe una tasa isotópica característica (P1,P2,P3), la cual es función del número de pasos tróficos intermedios y cuyo peso indica el número de individuos que se han alimentado por esa vía trófica. ZOOPLANCTON PASTOREADOR ZOOPLANCTON PASTOREADOR ZOOPLANCTON DEPREDADOR

El enriquecimiento en  13 C entre las visceras y el músculo de es 2‰ y presentan una frecuencia bimodal. Esto es indicativo de que el aporte de carbono a la anchoveta ocurre por dos vías principales. El fitoplancton no es fuente significativa.

Aparte del fitoplancton ( a -20.5‰) existen dos posiciones troficas en los tres clases de tamaño de plancton(-18‰ y -15‰).