Objetivo

El objetivo del presente trabajo es mostrar los protocolos que se utilizaron para evaluar biodiversidad utilizando escarabajos coprófagos en el Refugio Nacional de Vida Silvestre Mixto Maquenque en la zona norte de Costa Rica, con el fin de que otras personas puedan utilizarlo. Con información adicional que aqui se suministra (lista de especies y una clave de identificación), podrían ser usados en toda la zona de tierras bajas del norte de Costa Rica y sur de Nicaragua.

Los indicadores ecológicos son grupos de organismos capaces de detectar los cambios ambientales, tales como la alteración del hábitat por el hombre, en un momento determinado o a través del tiempo.

Por su parte los indicadores de biodiversidad también son grupos de organismos cuya diversidad propia refleja medidas de diversidad tales como riqueza de especies y nivel de endemismo de otros grupos en un hábitat o ecosistema determinado (McGeoch 1998).

Los escarabajos coprófagos (Coleópteros de la subfamilia Scarabaeinae) son importantes componentes de los ecosistemas forestales:  como descomponedores participan en la reincorporación de nutrientes en el suelo al alimentarse y enterrar excrementos (Halffter y Edmonds 1982, Horgan 2005); contribuyen a la aireación y penetración del agua en el suelo al construir túneles; además participan en la dispersión de semillas (Estrada y Coates-Estrada 1991) y pueden ser agentes importantes en la diseminación o en la destrucción de larvas y huevos de moscas y otros organismos parásitos de vertebrados (Davis et al 2001, Ridsdill-Smith et al 1987, Morón y Aragón 2003, Miller et al 1961).  Cuentan con una alta diversidad de especies, con requerimientos variados desde especializados a generalistas con gran sensibilidad a la variabilidad ambiental (Favila y Halffter 1997).  Además es un grupo relativamente fácil de recolectar y son muy bien conocidos en Costa Rica, con una taxonomía totalmente clara a nivel de especie gracias a trabajos taxonómicos realizados en los últimos años (Kohlmann 1996, Kohlmann y Solís 1996, 1997, 2001a, 2001b, y Solís y Kohlmann 2002, 2003, 2004), de tal forma que todos los especimenes que se muestreen en este país, pueden ser identificados y cuantificados sin problema.  Por todas estas y otras características (McGeoch 1998), los escarabajos coprófagos han sido frecuéntemente señalados como apropiados para ser usados como indicadores ecológicos y de biodiversidad (Weaver 1995, Klein 1989, Kirk 1992, Fabila y Halffter 1997,  Halffter 1998, Aguilar et al 2000, Feer y Hingrat 2005).

Múltiples estudios han sido publicados en donde se muestra el efecto de la intervención antrópica sobre los ecosistemas, que a su vez se refleja en las comunidades de escarabajos coprófagos que son parte de esos ecosistemas (Halffter et al 1992, Howden y Nealis 1975, Klein 1989).  El efecto de disminución de la diversidad y cambios en la estructura (abundancia y riqueza de especies principalmente) por causas de la deforestación, la fragmentación, la tala selectiva o las otras modificaciones diversas del ambiente natural, sobre la comunidad de los escarabajos han sido documentados en estos trabajos.  Sin embargo, algunos de estos estudios (Aguilar-Amuchastegui et al 2000, Connell 1978; Halffter y Arellano 2002) por el contrario mencionan el efecto de un aumento de diversidad ante niveles medios de perturbación, sobre todo a nivel no local sino de paisaje. Con base en un estudio en Uganda, Nummelin y Hanski (1989) por su parte señalan que la extracción selectiva de madera, a baja intensidad (15 a 20 m³ ha^-1) no causa mayor cambio sobre la riqueza y abundancia de especies de escarabajos coprófagos en la comunidad. 

Halffter y Arellano (2002) señalan además que la cubierta forestal, que a su vez afectan el microclima (Howden y Nealis 1975), y no la oferta de alimento, es uno de los principales elementos que influyen sobre la composición y estructura de los escarabajos coprófagos y que la diversidad ambiental producto de la alteración antrópica a nivel de paisaje propician una alta diversidad.

Aqui se describe el protocolo para el muestreo de un solo tipo de ambiente, bosque o ecosistema.  El muestreo de este tipo a través del tiempo nos daría información con fines de monitoreo.  Además, pueden efectuarse muestreos similares, más o menos simultáneos en otras áreas con el fin de hacer comparaciones entre ellas.

Una vez definido el o los ambientes (ecosistemas, bosques, agroecosistemas, etc) que se desean muestrear lo que sigue en cada uno de ellos es marcar una cuadrícula de 120 x 160 metros dentro de este.  Ningún vértice de esta cuadrícula debería quedar a menos de 500 metros de distancia de cualquier borde de ambiente, esto con el fin de evitar muestrear en la franja cercana al borde, la cual pueda estar siendo influenciada por los ambientes o ecosistemas que lo rodean o con los que limita.  Se marca un punto inicial y utilizando una brújula y algún medio de medición se traza una línea recta hacia el este de 160 metros, sobre la cual se marcan puntos cada 40 metros.  A partir de estos puntos, se trazan líneas rectas de 120 metros, perpendiculares hacia el norte, sobre las cuales también se marcan puntos cada 40 metros.  Luego a partir del punto unicial (vértice suroeste) se enumera los 20 puntos marcados como se muestra en la figura.

Con el fin de abarcar al menos un año de muestreo, cada cuadrícula se visitará cada 3 ó 4 meses para ser muestreada.

Figura de un sitio de muestreo en que se aprecia la cuadrícula trazada y los puntos enumerados para cada réplica (subconjuntos de 4 trampas).

Muestreo de escarabajos

Para cada cuadrícula a muestrear se utilizan 80 trampas de foso. Las trampas se instalan en conjuntos de 4.  Las 4 trampas en cada conjuto se disponen en los vértices aproximados de un cuadrado de 2 m de lado.  Cada conjunto de trampas se coloca en cada uno de los 20 puntos marcados en la cuadrícula como se muestra en la figura anterior.

Cada trampa de foso consistente de un vaso plásticos de 300 ml, enterrado con su boca a ras del suelo, conteniendo 100 ml de agua y cebadas con 10 ml de excremento de cerdo, el cual a su vez es colocado en la concavidad de una cuchara de plástico que se fija en el suelo por su mango, quedando el cebo a no menos de 3 cm sobre el centro de la boca del vaso enterrado. 

Trampas instaladas

Cada trampa se cubre para evitar inundación por lluvia, con dos o tres hojas anchas de plantas del sotobosque (por ejemplo palmas de los géneros Calyptrogyne, Geonoma, Bactris, o platanillas de los géneros Heliconia o Calathea), colocadas en posición inclinada, enterrando su pecíolo cerca de cada trampa.

Se instalan las trampas y se dejan por un período de 48 horas, al cabo del cual se desinstalan y se recogen los escarabajos capturados.  Si hay que repetir el nuestreo, se deben instalar las trampas a la misma hora y en los mismos puntos.

Los especímenes capturados en cada conjunto de 4 trampas se colocan juntos en bolsas plásticas con alcohol, debidamente etiquetadas y lo obtenido de cada conjunto constituye una réplica del muestreo.

El excremento que se utiliza como cebo es de cerdo y es preferible si proviene de cerdos alimentados con alimento variado y no sólo de concentrados.

Los escarabajos que se obtienen son separados en el laboratorio, son identificados y cuantificados a nivel de especie.  Para esto puede usarse la clave de identificación que aparece haciendo click aquí.  Un ejemplo de los datos obtenidos de un sitios muestreado se puede observar además haciendo click aqui.

También son categorizados de acuerdo al tamaño (<13 mm pequeños; > 13 mm grandes) y al tipo de comportamiento al construir sus nidos para la reproducción (rodadores, cavadores de túneles y endocópridos), siguiendo la misma clasificación de grupos funcionales dentro del ecosistema propuesta y utilizada por varios autores (Cambefort 1991, Doube 1990, Horgan 2005, Martín-Piera 1997), donde cavadores son los escarabajos que construyen sus nidos cavando túneles bajo la fuente de alimento, endocópridos los que los construyen dentro de su fuente de alimento, y rodadores los que toman porciones del alimento y lo ruedan alejándose, para luego construír su nidos enterrarlas (ver figura abajo).  Para esto se puede utilizar la tabla que se puede accesar haciendo clic aquí. Un ejemplo de categorización por grupos funcionales en dos sitios muestreados se puede observar haciendo clic aquí.

Cavadores Rodadores Endocópridos

Diferentes grupos funcionales de acuerdo con la forma de nidificación de los escarabajos coprófagos. Figuras tomadas y modificadas de Halffter y Edmonds (1982)

Además de acuerdo con información disponible en la literatura científica sobre las especies de Costa Rica (Kohlmann 1996, Kohlmann y Solís 1996, 1997, 2001a, 2001b, y Solís y Kohlmann 2002, 2003, 2004) y utilizando la tabla que se puede accesar haciendo clic aquí, se pueden caracterizar de acuerdo a su distribución geográfica.

Se recomienda extraer y montar en alfiler algunos specímenes representativos de cada especie, debidamente etiquetados, para utilizarlos como referencia y como testigos de la identificación y el trabajo realizado.

Para el análisis de los datos se recomienda los siguiente:

Estimación de la riqueza de especies de cada ambiente muestreado. Como estimadores de riqueza de especies se pueden utilizar: ACE (Abundance based coverage estimator); ICE (Incidence based coverage estimator); Chao1; Chao2; Jack1 (estimador Jackknife de primer orden); Jack 2 (estimador Jackknife desegundo orden) (Colwell y Coddington 1994).  Todos estos estimadores se pueden calcular utilizando el programa EstimateS (Colwell 2005) que se puede descargar gratuitamente del sitio http://viceroy.eeb.uconn.edu/EstimateS. Haciendo click aquí, se puede observar los resultados de estos estimadores para los datos obtenidos del muestreo de un ambiente.

Con base en la cantidad de especies obtenidas mediante el muestreo y las especies estimadas como se indica atrás, se puede calcular el porcentaje de avance para completar la riqueza estimada.  Mediante el uso de EstimateS, además se puede obtener la riqueza observada acumulada con respecto al trampeo y con estos datos se puede confeccionar utilizando Microsoft Excel una curva de riqueza acumulada de especies como la que se observa a continuación. Varias curvas de varios sitios se podrían combinar para efectos comparativos.

Curva de acumulacion de especies para un sitio muestreado, con respecto a el esfuerzo de muestreos, dado en este caso por 20 réplicas.

Utilizando el programa gratuito PAST (Hammer et al 2005), que se puede descargar gratuitamente del sitio http://folk.uio.no/ohammer/past/, se puede calcular varios ídices de diversidad tales como el índice de Shannon-Weaver (H) que se basa en la menor o mayor equidad de los valores de importancia de las especies, y su valor está entre 0 (menor equidad) y el logaritmo del número total de especies (mayor equidad; Moreno 2001, Southwood 1987).  La fórmula de este índice es:

H = -∑n_i/n ln (n_i/n)

Donde n_i = número de indivíduos de la especie i y n = número de indivíduos de todas las especies en conjunto.  Para este índice se puede calcular además el valor de equidad o uniformidad en términos de proporción con respecto al valor máximo posible con el fin de hacerlo comparativo entre sitios (Pielou 1975, Feer y Hingrat 2004).

Además se puede calcular el índice de Simpson que también mide la equidad y su valor se encuentra entre 0 (menor equidad o diversidad) y 1 (mayor equidad o diversidad).  Su fórmula es:

Simpson = 1−∑(n_i/n)²

Donde n_i = número de indivíduos de la especie i y n = número de indivíduos de todas las especies en conjunto.

Haciendo clic aquí se puede ver un cuadro donde se muestran estos y otros índices calculados con PAST.

Si son varios los ambiente muestreados, además se pueden comparar los indices de Shannon Wiener y de Simpson haciendo un Análisis de Varianza, utilizando PAST, de esta forma se pueden comparar los promedios de estos indices que se obtienen de las 20 o más réplicas de trampeo de cada ambiente. En el cuadro que se puede accesar haciendo clic aqui, se pueden ver los índices calculados para cada réplica y los promedios y desviaciones estandard, a partir de los datos obtenidos del muestreo de un ambiente.

Si son varios los ambientes muestreados, también se pueden analizar los datos de riqueza de especies y de abundancia de todas las especies juntas (suma de número de indivíduos de todas las especies) por ambiente, comparando los promedios de estas variables obtenidos de las 20 o más réplicas de trampeo colocadas en cada bosque, mediante un Análisis de Varianza utilizando PAST.  Debido a que para el análisis de varianza se requiere normalidad en la distribución de los datos, probablemente habrá que transformar los datos de abundancia utilizando la función logarítmica que los normaliza. En el cuadro que se accesa haciendo cloc aquí, se puede observar el resultado del cálculo del promedio y desviación estandard del número de especies por réplica y número de indivíduos por réplica obtenidos a partir de los datos de un muestreo de un ambiente.

Con el fin de observar mejor la relación riqueza-abundancia del ambiente muestreado, se puede construir una curva logarítmica de abundancia-diversidad (Southwood 1987) como la que aparece abajo. Si son varios los ambientes muestreados, se pueden construír estas curvas para todos ellos con efectos comparativos.

Curva logarítmica de abundancia-diversidad para un sitio muestreado. En el eje X se ordenan las 19 especies encontradas, desde la que presenta mayor abundancia a la izquierda, hasta la de menor abundancia a la derecha.

Resultados de la prueba de ajuste a las tres modelos: Log-normal, Serie logarítmica, y Serie geométrica

Proporción relativa en porcentaje de las abundancias de las 8 especies más abundantes obtenida a partir del muestreo en un ambiente. Para efectos comparativos, podrían combinarse varias barras de estas, correspondientes a ambientes diferentes.

Con los datos obtenidos mediante la clasificación de las especies en diferentes grupos funcionales (como los que se ven haciendo clic aquí), se puede hacer un análisis de la proporción de especies pertenecientes a diferentes grupos funcionales dentro de los Scarabaeinae con respecto a los ambientes estudiados.  Si son varios los ambientes muestreados, se puede hacer una prueba chi cuadrado de independencia (Daniel 1979), entre la variable ambiente muestreado y los 6 diferentes grupos funcionales definidos (grandes y pequeños cavadores, grandes y pequeños endocópridos, grandes y pequeños rodadores). En el cuadro que se puede accesar haciendo clic aquí, y la figura de abajo, se puede ver un resumen de la cantidad y proporción relativa de especies para cada grupo funcional en dos diferentes ambientes muestreados.

Proporción relativa en porcentaje de los diferentes grupos funcionales encontrados en dos ambientes muestreados.

En caso de muestrear varios ambientes se puede hacer un análisis de similaridad de especies entre cada par de diferentes ambientes, utilizando el programa PAST.  Para esto se puede usar el coeficiente de similaridad de Jaccard (Moreno 2001, Southwood 1987) que se basa en la insidencia de las especies en cada ambiente (presencia o ausencia) y el resultado se puede visualizar como la proporción o como el porcentaje de especies compartidas. La fórmula es:

C_j = j/(a + b - j)

Donde j = número de especies en común, a y b = respectivamente el número de especies en cada una de las 2 muestras comparadas. Con base en los resultados obtenidos en un muestreo en 6 ambientes, y los cuales se pueden observar haciendo clic aquí, se calcularon los índices de similaridad de Jaccard entre ellos, los cuales además se pueden apreciar en la matriz que se accesa haciendo clic aqui. Cuando son muchos los ambientes a comparar entre si, adicionalmente, con este coeficiente se puede hacer en PAST un análisis de agrupamiento jerárquico (Cluster Analysis) usando el método de Agrupamiento Simple (single linkage; Hammer et al 2005), con el cual se puede obtener un cladograma como el que aparece a continuación, en el cual se comparan y agrupan 6 ambientes diferentes.

Cladograma en el que se muestra el grado de similaridad en cuanto a las especies presentes en 6 diferentes ambientes muestreados. En el eje Y aparece el grado de similaridad dado por el coeficiente de Jaccard.

Por último se puede hacer un análisis de la diversidad de especies del área muestreada en relación a la fauna de escarabajos de otra u otras zonas biogeográficas, dentro o fuera del país.  Para esto sería necesario contar con listas de especies de esas otras zonas. Como parte de este análisis, utilizando PAST, se pueden calcular los coeficientes de similaridad de Jaccard entre las faunas de las diferentes zonas. Se pueden además analizar los patrones de distribución de las diferentes especies, para lo cual es muy útil un cuadro como el que se puede accesar haciendo clic aquí.