Historia de la tecnología de seguimiento de la fauna silvestre

John James Audubon , naturalista, ornitólogo y pintor franco-estadounidense, fue el primero en intentar pintar y describir todas las aves de América. En 1803, realizó el primer experimento conocido de anillamiento de aves en Norteamérica, atando cuerdas a las patas de mosqueros orientales. Observó que las aves regresaban al mismo lugar de anidación cada año, demostrando así su filopatría .

El anillamiento de aves fue utilizado en 1890 por Hans Christian C. Mortensen, un biólogo danés. Las aves pueden ser capturadas a mano, con redes de niebla, redes de cañón o trampas de jaula. Se coloca una anilla, generalmente de aluminio o plástico de color, en la pata del ave. Cada anilla tiene un código de identificación único, lo que permite identificar a los individuos cuando las aves son recapturadas posteriormente. ^{[ 2 ]} Las redes de niebla se popularizaron a principios de la década de 1950, lo que aumentó drásticamente la recuperación de aves marcadas.

El primer artículo científico sobre el recorte de escamas se publicó en 1933. ^{[ 3 ]} Se utilizan tijeras de disección o microquirúrgicas afiladas para recortar zonas ventrales específicas de las serpientes. Se emplea un sistema de numeración en serie para identificar a los individuos según el patrón de cicatrices. ^{[ 4 ]}

Durante la Segunda Guerra Mundial, las aves migratorias provocaron la aparición de "señales fantasma" o "ángeles de radar" en las pantallas de radar. ^{[ 5 ]} Desde entonces, el radar se ha convertido en un método ampliamente utilizado para estudiar organismos migratorios. Las primeras tecnologías de radar, como el WSR-57 (Radar de Vigilancia Meteorológica - 1957), fueron reemplazadas por el programa de Radar Meteorológico de Nueva Generación ( NEXRAD ), que se instaló por segmentos durante la década de 1990. También conocido como WSR-88D (Radar de Vigilancia Meteorológica 88 Doppler), NEXRAD es un sistema Doppler que reemplazó a los radares meteorológicos no Doppler más antiguos. NEXRAD puede determinar tanto la dirección como la velocidad de los individuos migratorios que se desplazan hacia el radar y alejándose de él. ^{[ 6 ]}

El análisis de isótopos se basa en el principio de que la mayoría de los elementos existen en dos o más formas, conocidas como isótopos . Los isótopos tienen el mismo número de protones pero difieren en su número de neutrones, lo que resulta en masas diferentes. Esta variación en la abundancia relativa de isótopos estables se debe a pequeñas diferencias de masa que hacen que los isótopos actúen de manera diferente en reacciones químicas y procesos físicos. Los diferentes entornos a menudo se caracterizan por firmas isotópicas predecibles, lo que significa que las firmas isotópicas únicas de un organismo pueden rastrearse a entornos únicos que contienen las mismas firmas isotópicas. ^{[ 7 ]} El diseño fundamental de los espectrómetros de masas de relación isotópica, una herramienta utilizada para analizar isótopos, no ha cambiado desde la década de 1940. El análisis de isótopos estables (AIE) se utiliza frecuentemente con aves, ya que solo se necesita una captura para determinar su origen reproductivo. El AIE se basa en el principio de que las aves conservarán información isotópica en sus tejidos basada en los paisajes isotópicos que habitaron en el pasado reciente. La información isotópica se obtiene principalmente de las plumas, ya que la queratina de estas es metabólicamente inerte. En diversas especies de aves estudiadas, la tasa de recambio elemental de sus plumas se correlaciona positivamente con su tasa metabólica. Un problema con el análisis isotópico de la estructura (AIE) surge cuando las aves experimentan catabolismo proteico durante la migración y su información isotópica se pierde posteriormente como resultado del reemplazo de las células sanguíneas. El AIE es difícil de emplear en aves que cambian su dieta estacionalmente debido a la dificultad de separar los cambios isotópicos debidos al cambio de ubicación de los cambios isotópicos debidos al cambio de dieta. Los elementos que se analizan principalmente para el AIE son: carbono, nitrógeno, oxígeno, hidrógeno y azufre. La variación isotópica entre las plantas se basa en gran medida en las diferencias en las vías fotosintéticas. El método es beneficioso ya que requiere capturar a un individuo solo una vez. Se puede obtener información importante de algo tan simple como una pluma de ave, que se extrae de forma relativamente fácil e indolora.

La telemetría acústica se basa en los principios del sonar , desarrollado para detectar submarinos durante la Primera Guerra Mundial. Las propiedades de los sistemas acústicos favorecen su uso en aguas profundas con alta conductividad y baja turbulencia. El primer equipo de telemetría acústica fue desarrollado en 1956 por la Oficina de Pesca Comercial de los Estados Unidos y la Corporación Reguladora Minneapolis-Honeywell para el estudio de peces. Quienes desean rastrear la vida marina en agua salada se enfrentan a desafíos únicos. Las ondas de radio son altamente absorbidas por el agua salada, lo que las convierte en una mala opción para enviar mensajes a través del océano. Las ondas sonoras , por otro lado, no se ven afectadas de la misma manera por el agua de mar. Debido a que el sonido puede viajar más de cuatro veces más rápido en el agua que en el aire, esto permite la escucha casi en tiempo real a largas distancias con el equipo de telemetría acústica adecuado. Las señales acústicas son la herramienta de comunicación preferida por los investigadores que desean rastrear peces y vida silvestre en hábitats marinos en tiempo real. Al igual que con la radio, la telemetría acústica requiere transmisores para enviar señales y receptores para escucharlas. Los transmisores son etiquetas electrónicas que emiten una serie de pulsos de sonido al entorno. Pueden implantarse quirúrgicamente o fijarse externamente a un organismo. El alcance de la señal puede variar desde unos pocos metros hasta más de mil metros. La señal se transmite normalmente una vez cada minuto o dos para ahorrar batería. Los receptores son pequeños ordenadores que registran datos y detectan a los individuos marcados. Cuando se identifica una señal, se guarda el código de identificación único de la etiqueta junto con la fecha y la hora. Los datos de cada receptor proporcionan un registro de cada señal emitida por un individuo marcado en esa ubicación. Los investigadores pueden desplegar muchos receptores en grandes regiones para comprender los patrones de movimiento de los individuos marcados. Los hidrófonos, un tipo de micrófono subacuático, reciben señales acústicas y las almacenan o las convierten en señales de radio para su rápida transmisión aérea a los receptores en tierra.

La telemetría VHF ( muy alta frecuencia ) generalmente requiere que el usuario adquiera transmisiones VHF de un transmisor VHF (normalmente en un collar sujeto al animal) mediante una antena portátil. Las señales VHF se reciben mediante receptores móviles o fijos equipados con antenas direccionales. La ubicación del transmisor se puede determinar adquiriendo las transmisiones de tres (o más) ubicaciones diferentes para triangular la posición del dispositivo. El seguimiento VHF se conoce comúnmente como "radioseguimiento".

“El radioseguimiento es una técnica revolucionaria para el estudio de muchos tipos de animales en libertad. En marzo de 1979, uno de los principales proveedores comerciales de equipos de radioseguimiento había vendido más de 17.500 collares con transmisores. Numerosas especies, desde cangrejos de río hasta elefantes, se han estudiado con esta técnica en amplias regiones del mundo, de polo a polo y en la mayoría de los países más importantes del mundo”. ^{[ 8 ]}

La idea de utilizar pequeños transmisores de radio adheridos a animales para rastrearlos surgió en la década de 1950, cuando los transistores reemplazaban rápidamente a las válvulas de vacío, lo que redujo el tamaño de los dispositivos que podían producir señales de radio. Simultáneamente, algunos investigadores comenzaron a desarrollar dispositivos similares para monitorizar la frecuencia cardíaca ^{[ 9 ] [ 10 ]} y la respiración ^{[ 11 ]} de los animales , mientras que otros se esforzaron por integrar transmisores en collares y arneses para rastrear su ubicación. ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

Cada uno de estos grupos estaba formado por biólogos especializados en vida silvestre que colaboraban con ingenieros o técnicos electrónicos para construir los transmisores de radio. Entre estos expertos en electrónica, William (Bill) W. Cochran, mientras era estudiante de pregrado en la Universidad de Illinois, había estado trabajando en los sistemas de transmisión de radio para algunos de los primeros satélites del Ejército de los Estados Unidos.

George Swenson, ^{[ 16 ]} investigador principal de un proyecto de la Universidad de Illinois patrocinado por la NASA para estudiar la propagación de radio de la era del Sputnik a través de la ionosfera terrestre, dijo lo siguiente sobre él:

“...[Cochran] había sido responsable de la construcción y operación de nuestras estaciones de campo durante un par de años. Había demostrado una habilidad excepcional con los circuitos de transistores. Bill y yo decidimos que podíamos construir un par de cargas útiles para satélites y comenzamos a experimentar con circuitos y varios tipos de baterías.”

Mientras diseñaba transmisores y receptores satelitales, también trabajaba a tiempo parcial para biólogos de vida silvestre del Servicio de Historia Natural de Illinois. Estos biólogos habían pensado que pequeños transmisores de radio, colocados en conejos, podrían permitirles rastrear a los animales hasta sus madrigueras y determinar sus patrones de actividad. Funcionó. El éxito llevó a que un ornitólogo sugiriera que tal vez se podría rastrear a las aves en vuelo.

Según Cochran (23/08/19), el biólogo de vida silvestre Frank Bellrose deseaba probar la dirección en la que volaban los patos ánade real trasladados al ser liberados en una nueva área. Cochran construyó un transmisor para sujetarlo al pato con una banda metálica ligera alrededor de su pecho, y cuando el pato pasaba por una estación donde Cochran monitoreaba un satélite, podía registrar la señal. Swenson ^{[ 16 ]} continuó: “Mientras [el pato] respiraba tranquilamente, la banda metálica se distorsionaba periódicamente y alteraba la frecuencia, causando una nota de batido variable en el receptor. Se disponía de un discriminador de audiofrecuencia, por lo que las variaciones de frecuencia podían registrarse en un gráfico de tira. Cuando el ave fue liberada al aire, su respiración se registró en el gráfico, y además, una modulación de mayor frecuencia que representaba el aleteo. Los biólogos nos informaron que habíamos realizado las primeras mediciones de la relación entre el aleteo y la respiración de un ave en vuelo, respondiendo así a una pregunta de larga data”, así como la dirección en la que volaba el pato. ^{[ 11 ]}

“Por supuesto, era muy joven, me importaba poco lo que hicieran los patos, no sabía nada de publicaciones y ni siquiera me importaba si me incluían como coautor”, declaró Cochran (23/08/19).

“Bill Cochran continuó con estos éxitos con una larga trayectoria en aplicaciones de radiotelemetría en la investigación de la vida silvestre. Después de dejar nuestro programa, desarrolló el rastreo por radio de la vida silvestre hasta alcanzar un alto grado de eficacia, fundando la empresa que fue pionera en el sector…” ^{[ 16 ]}

Mientras tanto, Dwaine Warner, profesor de ornitología de la Universidad de Minnesota, un investigador muy creativo y con visión de futuro, había recibido una subvención para utilizar tecnología electrónica en el seguimiento de diversos animales en el Área de Historia Natural de Cedar Creek de la universidad, a unos 40  km al norte de las Ciudades Gemelas. Una de sus primeras acciones fue contratar a Cochran, todavía estudiante de pregrado, para diseñar un sistema que permitiera monitorear automáticamente y de forma simultánea los movimientos de varios animales en esa área de estudio.

Etienne Benson (2010) escribió: “Lo invitaron a visitar al grupo en Minnesota en el otoño de 1961, y unos meses después se mudó a las Ciudades Gemelas para hacerse cargo del laboratorio de bioelectrónica del Museo de Historia Natural. El grupo del museo había tenido cierto éxito transmitiendo mediciones de temperatura de conejos en el techo del edificio a su laboratorio en el sótano con su propia etiqueta, pero después de que llegó Cochran cambiaron a su diseño”. ^{[ 17 ]}

El sistema automático de radioseguimiento que ideó Cochran ^{[ 18 ]} , con sus biólogos, ingenieros y técnicos liderados por él, se convirtió en un centro de radioseguimiento. Este centro no solo publicó numerosos artículos basados ​​en su propia investigación en radioseguimiento, sino que también desarrolló nuevas técnicas, perfeccionó los diminutos transmisores de radio, los métodos de fijación y los receptores de señal, e impulsó todo el campo mediante la colaboración formal e informal con otros biólogos e ingenieros, además de crear empresas que comercializaban el equipo. La revolución del radioseguimiento había comenzado.

El Manual de Radioseguimiento Animal de Mech ^{[ 8 ]} incluía lo siguiente: “Este libro está dedicado a William W. Cochran , del Servicio de Historia Natural de Illinois , quien, según muchos creemos, ha hecho más por impulsar el campo del radioseguimiento animal que cualquier otra persona”.

Los investigadores y observadores de ballenas que avistaron ballenas jorobadas se percataron de que cada ejemplar posee patrones únicos de pigmentación y cicatrices en su aleta caudal. A partir de la década de 1970, los investigadores comenzaron a identificar ballenas individuales basándose en sus aletas caudales mediante fotoidentificación. Desde entonces, la fotoidentificación se ha utilizado para estudiar numerosas especies marinas con el fin de determinar aspectos de su biología, ecología y comportamiento. En lugar de dedicar tiempo a recopilar y analizar las numerosas fotografías, se han creado programas informáticos para ayudar a los investigadores a identificar individuos y avistamientos utilizando catálogos de fotoidentificación existentes. Uno de estos programas, Fluke Matcher, compara las miles de fotografías de ballenas jorobadas utilizando diversas características de la aleta caudal, como el tamaño, la forma, la distribución del pigmento blanco y negro y otros rasgos distintivos. Al basarse en múltiples criterios, Fluke Matcher puede identificar ballenas individuales a partir de fotografías de menor calidad o incompletas. Los aficionados a la ciencia y los observadores de ballenas pueden subir sus propias fotografías a estos programas informáticos, lo que ayuda a los científicos a determinar si un individuo coincide con otro de la base de datos. ^{[ 19 ]}

Las etiquetas de transpondedor integrado pasivo (PIT) constan de un chip de circuito integrado, un condensador y una bobina de antena encapsulados en vidrio. Se utilizan desde mediados de la década de 1980 en estudios científicos sobre el movimiento de los peces. Desde entonces, las etiquetas PIT se han utilizado para estudiar el movimiento de anfibios, reptiles, aves e invertebrados. ^{[ 20 ]} Estas etiquetas actúan como un código de barras de por vida para un organismo y, siempre que se puedan escanear, son tan fiables como una huella dactilar. Las etiquetas PIT permanecen inactivas hasta que se activan y, por lo tanto, no requieren ninguna fuente de energía interna durante su vida útil. Para activar la etiqueta, un dispositivo de escaneo emite una señal de radio de baja frecuencia que genera un campo electromagnético de corto alcance. La etiqueta envía entonces un código alfanumérico único al lector, ^{[ 21 ]} identificando así al organismo individual. Las etiquetas PIT internas se insertan mediante agujas de gran calibre o se implantan quirúrgicamente, ya sea subcutáneamente o en una cavidad corporal. El etiquetado con PIT se puede utilizar para responder preguntas sobre tasas de crecimiento, supervivencia, redes tróficas y patrones de movimiento. Una de las principales ventajas sobre los métodos de marcado y recaptura es que los animales marcados no necesitan ser recapturados; simplemente tienen que pasar por delante de la antena de un sistema de lectura automatizado.

Descrito por primera vez en 1992, un geolocalizador es un dispositivo que registra periódicamente el nivel de luz ambiental ( irradiancia solar ) para determinar la ubicación de un organismo. Los geolocalizadores han sido especialmente útiles para el seguimiento de la migración de aves, ya que existen modelos pequeños y ligeros que no utilizan telemetría satelital ni radioeléctrica para el monitoreo en tiempo real. La principal desventaja es que los organismos deben ser recapturados para obtener datos del dispositivo. ^{[ 22 ]} Los niveles de luz registrados pueden utilizarse para determinar la latitud y la longitud, y así proporcionar información sobre la ubicación de los organismos. Cuando el organismo se encuentra en un entorno sombreado, debido a nubes, plumas o follaje, surge un problema, ya que el geolocalizador no registra niveles de luz precisos.

La tecnología GPS permite observar movimientos o patrones migratorios a pequeña escala en animales salvajes en libertad mediante el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) . Tras colocar un receptor GPS a los animales, su posición se determina midiendo con precisión la sincronización de las señales enviadas por satélites GPS situados a gran altitud sobre la Tierra y la ubicación de dichos satélites. Tan pronto como el GPS estuvo disponible para uso civil en la década de 1990, los biólogos comenzaron a colocar receptores GPS a los animales. Si bien los primeros receptores GPS para uso civil fueron desarrollados por Magellan en 1989, eran muy grandes y, por lo tanto, poco prácticos para su uso con animales. A mediados de la década de 1990, las principales empresas fabricantes de GPS crearon receptores más pequeños, con mayor eficiencia energética y, por consiguiente, más adecuados para el seguimiento de animales.

Los dispositivos de rastreo GPS suelen estar conectados a un terminal transmisor de plataforma Argos (PTT), lo que les permite transmitir datos a través del sistema Argos , un sistema de satélites científicos en funcionamiento desde 1978. Los usuarios pueden descargar sus datos directamente desde Argos mediante Telnet y procesarlos para extraer la información transmitida. Los datos también pueden transmitirse a través de redes GSM , mediante mensajes SMS o protocolos de internet en una sesión GPRS .

Un nuevo sistema de telemetría basado en la tecnología de telefonía móvil GSM ( Sistema Global para Comunicaciones Móviles ) se describió por primera vez en 1998 como una técnica que proporciona datos de marcado y recaptura más detallados en un amplio rango geográfico. Los organismos se equipan con una etiqueta de teléfono móvil programada para intentar enviar un mensaje de texto al laboratorio a intervalos regulares. Los mensajes recibidos se analizan para determinar la ubicación estimada del organismo. ^{[ 23 ]} La telemetría por teléfono móvil es ventajosa ya que es fácil de configurar con costos de mantenimiento relativamente bajos, permite la comunicación bidireccional y requiere una antena no direccional de bajo perfil en el receptor. Algunas desventajas incluyen la necesidad de monitorear en un área con cobertura de telefonía celular, tarifas de servicio mensuales y la posibilidad de que el proveedor de servicios de telefonía celular cambie las torres de telefonía celular o los protocolos de comunicación.

Las etiquetas de archivo satelital emergentes (PSAT) son dispositivos de almacenamiento electrónico desarrollados a finales de la década de 1990 que se implantan quirúrgicamente o se fijan al exterior de animales marinos mediante un dispositivo de anclaje. Estas etiquetas pueden registrar datos sobre los niveles de luz ambiental, la profundidad de natación y la temperatura interna/externa. Las PSAT transmiten la información registrada a un satélite en órbita, que a su vez la retransmite a los investigadores. A una hora preestablecida, una señal provoca la disolución de la fijación de la etiqueta al organismo, permitiendo que flote hasta la superficie del agua, desde donde envía sus datos vía satélite. Aunque las PSAT son más caras que otras etiquetas, son eficaces para estudiar los movimientos de grandes animales pelágicos que a menudo no se recapturan. Los datos de las PSAT se han utilizado para determinar patrones de movimiento horizontales y verticales, tiempos de permanencia, episodios de alimentación y posibles zonas de desove. ^{[ 24 ]}

Un marcador genético es un gen o secuencia de ADN con una ubicación conocida en un cromosoma que se puede utilizar para identificar individuos o especies. El marcador puede ser una secuencia corta de ADN, como una secuencia que rodea un cambio de un solo par de bases, conocida como polimorfismo de un solo nucleótido (SNP), o una secuencia minisatélite más larga . Se puede extraer una pequeña muestra de sangre, una pluma o un trozo de tejido de un organismo y determinar sus marcadores genéticos únicos. Si el organismo se recaptura o se obtiene una muestra posteriormente, es posible determinar si se trata del mismo organismo que en la captura inicial. Contar con las herramientas bioinformáticas adecuadas es esencial para procesar y analizar los datos de secuencias de ADN.

Muchos avances importantes durante la década de 1990 hicieron posible el seguimiento de la vida silvestre mediante marcadores genéticos, entre ellos:

1. el desarrollo de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), que puede amplificar pequeñas cantidades de ADN para obtener una gran cantidad utilizable.
2. el desarrollo y uso de conjuntos de cebadores de PCR conservados evolutivamente.
3. el uso de loci microsatélite que varían entre individuos dentro de una especie y entre especies.
4. el desarrollo de técnicas avanzadas de secuenciación de ADN.

Muchas técnicas utilizadas para estudiar organismos de mayor tamaño no han sido posibles para organismos más pequeños debido a las limitaciones de tamaño de la tecnología. En entornos marinos, los dispositivos de seguimiento en organismos pequeños son demasiado pesados, lo que provoca que se comporten de forma antinatural. Los recientes avances en nanotecnología han permitido a los científicos rastrear organismos de tamaño milimétrico. Los organismos pequeños pueden ser marcados con puntos cuánticos , una sonda fluorescente microscópica cuyo núcleo es un material semiconductor con alta fotoestabilidad, amplio rango de absorción de longitud de onda y un estrecho rango de emisión de longitud de onda. En un experimento, ^{[ 25 ]} las proteínas amina del exoesqueleto de Daphnia magna fueron biotiniladas y se unió estreptavidina a los puntos cuánticos. Esto permitió una sencilla bioconjugación para marcar los organismos con los puntos cuánticos, aprovechando la interacción de alta afinidad entre la estreptavidina y la biotina. Se logró rastrear con éxito a individuos de D. magna, cada uno con un punto cuántico único que fluorescía y emitía luz de una longitud de onda específica que podía detectarse mediante cámaras. Las etiquetas resultaron útiles hasta por 24 horas, tras lo cual los organismos se desprendieron de su caparazón que contenía el punto cuántico. Se están desarrollando cámaras más avanzadas que mejorarán la profundidad de observación de los organismos marcados con puntos cuánticos y permitirán realizar estudios en entornos naturales.