PROCESAMIENTO DE PATRONES COMPLEJOS Y DE SUPERFICIES MARINAS

Fecha de inicio: 01/01/04. Fecha de terminación: 31/12/2006. Duración: tres años. Tipo proyecto: interno. Responsable: Dr. Josué Alvarez Borrego. Investigador Titular C.

RESUMEN

Existe el interés de desarrollar y utilizar nuevos sistemas ópticos y algoritmos digitales para el reconocimiento de patrones complejos como lo son los micro y macro organismos, independientemente de la escala, rotación y translación que estos puedan presentar en la muestra. Se identificarán algunas especies de fitoplancton, zooplancton, bacterias (tuberculósis y Vibrio cholerae 01), cuerpos de inclusión de virus en imágenes de tejido de camarón (IHHN y WS), cromosomas del abulón rojo, azul y amarillo para la determinación de las especies, parásitos de peces y poliquetos. La implementación de estos nuevos sistemas ópticos y algoritmos digitales hará posible la fácil determinación de la productividad y/o contaminación existente en cierta área del océano en tiempos mucho más cortos.

Además, el problema de la captura de las imágenes en un sistema de identificación y clasificación automática de partículas biogénicas se circunscribe a dos aspectos fundamentales. El primero de ellos consiste en la localización automática de las partículas a identificar y segundo reside en la obtención del mejor plano focal de entre un conjunto de imágenes candidatas. Para lograr este último propósito, una posible solución al problema consiste en la aplicación de técnicas de fusión de imágenes, por medio de las cuales la imagen fusionada permita mostrar aquellas características ornamentales que se encuentran a diferentes planos focales y que permiten caracterizar las diferentes partículas biogénicas. En este proyecto se trabajará en un sistema automático de ubicación de partículas en una muestra fijada, proporcionando asímismo el enfoque óptimo de la misma de un modo automático, con objeto de proporcionar la información más significativa de manera que permita una correcta identificación y clasificación.

Por otro lado, también se trabajará en el análisis estadístico de superficies marinas reales. Cuando se tienen superficies con variaciones de altura y detalle lateral mucho mayor que la longitud de onda, la óptica geométrica es aplicable, siempre y cuando los efectos de esparcimiento múltiple sean despreciables. Así que en este proyecto se plantea un estudio sobre el problema inverso de determinar algunas propiedades estadísticas de las superficies a partir de imágenes remotas. En particular, se considerará el espectro de energía y la función de correlación bidimensional. Se plantea avanzar en el estudio de superficies anisotrópicas con estadísticas Gaussianas y no-Gaussianas, así como la comprobación experimental del modelo.

ANTECEDENTES

La fantástica diversidad de formas en los organismos del plancton (fito y zooplancton) ha sido un atractivo para los estudiosos por más de un siglo. La diversidad de la morfología son factores directamente relacionados a su suspensión en la columna de agua (Smayda, 1970). La identificación y conteo de organismos es indispensable para poder realizar estudios de diversidad, estructura de poblaciones y trama trófica, entre otros.

Las especies del plancton en la biología son comparables a los elementos de la química. Para entender la estructura y funcionamiento de un ecosistema es necesario conocer los diferentes elementos que la conforman. El fito y zooplancton normalmente está compuesto de una colección heterogénea de microorganismos. Los problemas presentados por la distribución y sucesión de las especies no solo son de interés en la distribución de la materia orgánica, sino que también dan diferencias cuantitativas que pueden tener efecto en los niveles superiores de la cadena alimenticia.

Los organismos del fitoplancton son de gran importancia ecológica ya que comprenden la mayor porción de productores primarios en el mar y pueden ser usados para identificar regiones naturales de los océanos. Estas regiones pueden ser caracterizadas por una especie típica o por un conjunto de especies endémicas. El trabajo de biogeografía de las comunidades del plancton, ha concluido que los organismos del fitoplancton son buenos indicadores de regiones naturales, las cuales están definidas por la latitud y por los procesos dinámicos de los océanos (Braarud et al., 1953; Smayda, 1958).

De tal manera que estos organismos son utilizados para encontrar la relación existente entre las condiciones particulares de cada región y para conocer los cambios que generan las alteraciones globales atmosféricas que está experimentando nuesto planeta en un tiempo geológico, utilizándo información de la micropaleontología de un cierto lugar (Funnell y Riedel, 1971).

Las poblaciones del fitoplancton pueden ser caracterizadas por medio de varios métodos, los cuales son: los denominados métodos indirectos que involucran analizar las poblaciones por medio de análisis espectrales fluorescentes a diferentes longitudes de onda de luz, que pueden determinar aspectos muy propios para cada grupo de organismos planctónicos involucrando los diferentes pigmentos que los constituyen (Yentsch y Yentsch, 1979). Los métodos directos que se basan en analizar la muestra por medio de un microscopio, lo que implicaría una forma directa de analizar algo en la muestra. Los organismos del fitoplancton pueden ser contados e identificados visualmente empleando un microscopio, lo que implica una técnica tardada y laboriosa.

Respecto al zooplancton, los miembros más numerosos son los grandes crustáceos herbívoros como los copépodos, eufásidos y los carnívoros quetognatos. Particularmente, los copépodos son los organismos zooplanctónicos más abundantes en el mar, cerca del 90% de los zooplanctontes son capturados en una muestra, y constituyen la principal ruta del flujo de energía entre los productores primarios (fitoplancton) y los niveles tróficos superiores: son las "vacas del mar". Este grupo de organismos destaca por su gran diversidad, se han descrito cerca de 11500 especies (Humes, 1994) y el número va en aumento ya que recientemente se han reportado especies de copépodos de regiones que antes eran inaccesibles como las cuevas anquihalinas (Fosshagen e Iliffe, 1991) y las chimeneas hidrotermales (Humes, 1991). Otros grupos de animales tales como protozoarios foraminíferos y radiolarios, ctenoforas, molúscos pterópodos, crustáceos amfípodos y cordados tunicados pueden hacerse localmente dominantes, pero por lo general en menos del 50% de la biomasa zooplanctónica.

Los restos de foraminíferos y radiolarios forman importantes e impresionantes depósitos de sedimentos en el fondo marino. Su utilidad e importancia destaca en estudios de redes tróficas, como indicadores hidrológicos (campo en vias de desarrollo), bioestratigrafía, paleoecología y paleontología. Actualmente todas las compañías petroleras cuentan con especialistas en radiolarios entre su personal, dada su utilidad en la localización de yacimientos de petróleo.

Indudablemente que un aspecto importante en los estudios de los océanos es el de realizar investigaciones básicas concernientes a la identificación fidedigna de las diversas especies que conforman el zooplancton con el propósito de evaluar su distribución tanto espacial como temporal y el de hacer estudios de producción, genética, dinámica de poblaciones, comunidades, etc.

Para realizar las identificaciones existen claves taxonómicas de referencia para todos los grupos del zooplancton, las observaciones, bastante consumidoras de tiempo y personal especializado se hacen con ayuda de un microscopio estereoscópico y a veces se requiere de un microscopio compuesto de mayor resolución para observar estructuras claves muy finas.

También pueden emplearse contadores de partículas para la determinación de número de células y frecuencias de tamaños de las mismas con el contador de particulas "Coulter Counter" (Sheldon y Parsons, 1976) que es una técnica rápida pero que no permite identificar la partícula que se está midiendo o contando (Gorsky et al., 1989). Esta misma desventaja presenta el análisis por bloqueo de luz (Pough, 1976) que convierte la señal producida en un equivalente tamaño esférico de la partícula (Gorsky et al., 1989).

Los sistemas de analizadores de imágenes usados en organismos de plancton son los siguientes, por citar solo unos cuantos: el realizado por Uhlmann et al., (1978), que trabajaron en un sistema que utiliza las mediciones de las formas de los organismos como son el área, ancho, largo y largo-ancho; Jeffries et al., (1980, 1984) trabajaron con un sistema analizador de imágenes que fue capaz de realizar análisis discriminantes entre las variables de largo, ancho y área de cada organismo analizado, los organismos utilizados fueron ocho grupos taxonómicos de zooplancton; Furuya en 1981, 1982 realizó una estimación de los diferentes tamaños de organismos de fitoplancton en una muestra por medio de un analizador de imágenes; Tsuji y Nishikawa (1984) analizaron al organismo del fitoplancton Prorocentrum triestium, por medio de un analizador de imágenes fluorescentes; Rolke y Lenz (1984) realizaron estimaciones de organismos del zooplancton por medio de un sistema procesador de imágenes; Chehdi y Boucher (1986) presentaron una serie de algoritmos para la cuantificación de organismos del zooplancton obtenidos en un procesador de imágenes entre otros.

Con respecto al análisis de imágenes mediante sus patrones de difracción tenemos los trabajos de Rodier y Rodier (1987) en análisis de interferogramas con base a patrones de difracción de imágenes; Zavala-Hamz (1990) aplicado a organismos del zooplancton entre otros.

Entre los antecedentes que han empleado sistemas de correlación invariante por métodos ópticos podemos citar los trabajos realizados por Meadows et al., (1970) con aplicación a la generación de contornos; Vienot et al., (1973) realizando comparaciones en las técnicas existentes para los patrones de reconocimiento; Moore y Truax, (1979) con aplicaciones a superficies difusas; Takeda et al., (1981) y Takeda (1982), en topografía, al igual que el realizado por Yatagai e Idesawa, (1982).

Los trabajos reportados con mayor particularidad en la técnica de correlacionador invariable en sistemas ópticos son, por citar solo unos cuantos: Stark et al., (1975) utilizando un analizador de partículas; Almeida y Eu, (1976) y Cairns et al., (1972) en descripción de sistemas contaminados usando las diatomeas como indicadores. En estos trabajos se discute la técnica de patrones de reconocimiento basada en filtros holográficos, que es un filtro espacial complejo que representa la transformada en Fourier de la imagen de una especie de diatomea, con información de fase de referencia del haz de luz incidente; Casasent y Psaltis (1976a, 1976b, 1976c) que describen la técnica de correlación invariante a rotación, escala y corrimiento con ejemplos de un cuadrado.

Trabajos recientes en ésta línea de investigación son los de Zavala-Hamz V., Alvarez-Borrego J. y A. Trujillo Ortíz (1996) que demostraron que es más fácil identificar una especie de zooplancton a partir de su patrón de difracción que a partir de su misma imagen y Zavala-Hamz V. y J. Alvarez-Borrego (1997) mediante filtros armónicos circulares pudieron identificar por primera vez a nivel sexo algunas especies de copépodos. Castro-Longoria et al (2001) obtuvieron un nuevo modelo de reconocimiento para copépodos calanoideos invariante a posición y rotación y Pech-Pacheco et al (2001) sentaron las bases para la toma automática de microorganismos en un microscopio óptico. Alvarez-Borrego J. y E. Castro-Longoria (2003) identificaron especies de Acartia a nivel sexo y Castro-Longoria et al (2003) identificaron tres distintas especies de copépodos que anteriormente se pensaba eran la misma especie.

Dentro de nuestro grupo de procesado siempre hemos buscado la solución de problemas de gran impacto donde pueda verse la importancia de la aplicación de los sistemas ópticos por la comunidad que nos rodea. Por esta razón también nos estamos enfocando a la identificación del Vibrio cholerae en el agua de mar mediante sistemas ópticos que además de utilizar información de escala, rotación y posición, tengan información de color. El cólera es una infección intestinal aguda, grave, que se caracteriza por diarrea producida por la enterotoxina del Vibrio cholerae; este padecimiento de aparición súbita puede llevar a los individuos susceptibles a la deshidratación severa, a alteraciones vasculares e incluso a la muerte en menos de 24 horas de no ser tratado adecuadamente (Fernández de Castro 1991, Giono-Cerezo et al. 1991).

Esta enfermedad representa para la humanidad uno de los problemas de salud pública más importantes en la actualidad, no solo por sus repercusiones a nivel individual, sino también por el gran número de personas que afecta alrededor del mundo (Fernández de Castro 1991).

El V. cholerae es una bacteria del género Vibrio, de la familia Vibrionaceae, que fue descubierto por Roberto Koch en 1883. Son bacilos curvos gram negativos de 1.4 a 2.6 micras de largo, tienen motilidad por flagelos polares, son anaerobios facultativos y poseen ambos metabolismos respiratorio y fermentativo (Giono-Cerezo et al. 1991, Kay B. et al. 1994, Olarte J. 1991).

Son quimiorganotrofos, requieren para su óptimo crecimiento, además de D-glucosa, concentraciones de cloruro de sodio de 5 a 15 mMNa+; sin sal disminuyen su crecimiento de un 50 a 80%, necesitan de un pH alcalino para sobrevivir (pH máximo de 10) y se inhibe su multiplicación con valores de pH por debajo de 6.0 y es oxidasa positivo. Es susceptible a la desecación, la ebullición, el cloro y otros desinfectantes (Kay B. et al. 1991, Olarte J. 1991).

Por su estructura antigénica somática “O” (polisacárido de la superficie celular) se ha dividido en 139 serogrupos, de los que el serogrupo O1 hasta 1992 era el más importante por ser el único aislado en las pandemias que hasta ese momento se habían presentado. Sin embargo, en 1993 en una epidemia en Bangladesh y la India se aisló el serogrupo O139 que se denominó de esta manera porque no se encontraron evidencias, incluso con pruebas inmunológicas, de que el responsable fuera el O1, a pesar de ser productor de toxinas (Giono-Cerezo et al. 1991, Kay B. et al. 1991, Olarte J. 1991).

El resto de serogrupos se han denominado como no O1 o no coléricos, aunque se han visto asociados a padecimientos extraintestinales e incluso diarreas leves (Giono-Cerezo et al. 1991, Kay B. et al. 1991, Olarte J. 1991).

Este microorganismo ha sido responsable de casi ocho pandemias a partir de 1817, en que se registró por primera vez, las siete primeras fueron producidas exclusivamente por el V. cholerae O1 y la octava, que aún se encuentra en discusión, por el grupo O139, que son los únicos de los más de 130 serogrupos, que hasta el momento se han detectado como productores de toxinas enteropatógenas (Cholera working group, 1993, Kaper J. et al. 1993, Sweerdlow D. and Ries A. 1993).

El V. cholerae O1 se divide además en dos biotipos “eltor” y “clásico”, esta distinción se ha hecho con base en las características fenotípicas de cada uno. En la quinta y sexta pandemia el biotipo responsable fue el “clásico”, y en la séptima el “eltor”, de las anteriores no se tiene información sobre cual fue el predominante (Blake P. 1994).

Aunque por mucho tiempo se pensó que el habitat único del V. cholerae era exclusivamente el aparato digestivo del ser humano, en la actualidad se ha visto que esta bacteria es capaz de sobrevivir también en otros ambientes, particularmente en el agua, donde se encuentra en estado no toxigénico (Colwell R. and Huq A. 1994).

Estas observaciones han sido bien documentadas a partir de que se ha logrado identificar la presencia del V. cholerae en estadíos en los que no es posible aislarlo a través de cultivos, por permanecer en aletargamiento o latencia, cuando la cantidad de nutrientes, pH, temperatura y salinidad del ambiente en el que se encuentra no son favorables, como un mecanismo de supervivencia debido a que esta bacteria no es capaz de producir esporas ni enquistarse (Colwell R. and Huq A. 1994, Baker R. et al. 1977, Singleton F. et al. 1982a, 1982b, Tamplin M. and Colwell R. 1986, Xu H. et al. 1982).

Aunque el V. cholerae se adapta al medio anulando su virulencia, esta puede ser recuperada si las características ambientales cambian. Esta reversibilidad explica como el microorganismo sobrevive en los períodos interepidémicos y puede producir brotes en lugares donde aparentemente no se encuentra el bacilo (Colwell R. and Huq A. 1994).

El ciclo de transmisión hombre-ambiente-hombre ha mostrado que el agua y los alimentos contaminados son los principales vectores de la enfermedad; la liga entre la presencia de V. cholerae en la columna del agua en el mar y la presentación de casos de cólera en tierra, son las especies del fitoplancton, zooplancton y algunas variedades de peces, sin embargo, en algunas ocaciones se ha atribuído a la contaminación de productos marinos en el manejo después de su extracción. Esto sin dejar de ser importante, no invalida, de acuerdo a evidencias mostradas, que la presencia del V. cholerae en mariscos y pescados consumidos por humanos se da desde el mar (Colwell R. and Huq A. 1994, Tamplin M. et al. 1990).

Su detección en el ambiente acuático, particularmente el marino, ha tenido muchas dificultades porque se han utilizado para su detección métodos tradicionales, como el del número más probable o medios de cultivo específicos para Vibrio utilizados en muestras de heces fecales de pacientes potencialmente infectados, sin ser confiables para su recuperación en estos ambientes, porque el bacilo se encuentra en un estadío latente por el estrés ambiental.

En los últimos años, se han desarrollado diversas técnicas para la identificación del V. choleraedirectamente en medios donde se encuentra viable pero no cultivable. La inmunofluorescencia es un ejemplo de estos, consiste en la utilización de anticuerpos monoclonales para la tinción de la bacteria con isocinato de fluoresceína, que al unirse al antígeno “A” del lipopolisacárido de la parte externa de la membrana de los O1 presentan un color verde fluorescente (Giono-Cerezo et al. 1991, Kay B. 1994, Xu H. 1982, Adams L. et al. 1988, Brayton P. and Colwell R. 1993).

Sin embargo, todavía se tienen problemas para su identificación y más aún para su cuantificación, porque para su búsqueda generalmente se utilizan medios de enrequecimiento para dar oportunidad a la bacteria de recuperarse, que no permiten tener una apreciación de la cantidad real en que se encuentran en el ambiente natural.

Así, una alternativa al respecto pueden ser los sistemas ópticos que se han desarrollado para la identificación de diversos objetos a partir de su patrón de difracción. En este caso en particular aplicaremos lo que se llama en procesado de imágenes: correlación a color. Recientemente Alvarez-Borrego J. et al (2002) desarrollaron un modelo digital de reconocimiento invariante aplicado a la identificación de la bacteria de Vibrio choleare 01 tanto para muestras en agua dulce como muestras de agua de mar.

Correlaciones a color puede también ser utilizada para resolver algunos problemas en la identificación de ciertos virus en poblaciones de camarón en el área de acuacultura.

La acuacultura actualmente se practica en muchos países del mundo. Se considera como una actividad que se está desarrollando como complemento de la captura de organismos marinos y de agua dulce. En la actualidad, ésta actividad contribuye con más del 27.3% de la producción total mundial (FAO, word shrimp farming, 1996).

La selección de especies aptas para el desarrollo de los cultivos acuículas se basa en la presencia de caracterízticas tales como un crecimiento rápido, gran cantidad de biomasa obtenida en corto tiempo y alto valor comercial. El camarón es una de las especies de mayor importancia económica ya que proporciona grandes utilidades a las empresas dedicadas a su cultivo.

En las dos últimas décadas, la industria camaronícola ha tenido un rápido crecimiento a nivel mundial. Actualmente Tailandia es el país que ocupa el primer lugar como productor de camarón cultivado, con una producción de 220,000 toneladas anuales de camarón tigre (Penaeus monodon), seguido por Ecuador que ocupa el segundo lugar a nivel mundial y es líder en América Latina con una producción de 100,000 toneladas por año de camarón blanco (Penaeus vannamei) y el tercer lugar lo ocupa Indonesia con 80,000 toneladas anuales de camarón tigre (Fish Farming International, 1996).

La camaronicultura en México es una actividad que data de los años 70’s. La principal especie de camarón que se produce por los diversos métodos de acuacultura es: Penaeus vannamei(camarón blanco), sin embargo, recientemente por problemas de enfermedades virales con esta especie, se está retomando el cultivo de Penaeus stylirostris (camarón azúl).

El desarrollo más importante de la camaronicultura se localiza en el estado de Sinaloa. Actualmente se encuentran operando siete laboratorios de producción de larvas y 154 granjas de camarón, las cuales representan un poco más de 7,458 hectáreas de cultivo, que para el ciclo de verano de 1994 reportó 10,368 toneladas de camarón (Semarnap, 1996).

Esta es una actividad de alto riesgo económico debido a que las principales causas de mortalidades en las granjas y laboratorios son las enfermedades de etiología bacterial, fángica, protozoaria y viral, siendo ésta última la más importante ya que actualmente ha ocasionado cuantiosas pérdidas.

Existe poca información relativa a las enfermedades de organismos acuáticos con importancia en acuicultura. En el caso del camarón se han reportado varias enfermedades virales, bacterianas y parasitarias. De éstas las más importantes por el impacto económico son las enfermedades virales. A la fecha, las más importantes son: por sus siglas en inglés como IHHNV (Infectious Hypodermal and Hematopoeitic Necrosis Virus) y TSV (Taura Syndrome Virus). El virus IHHNV, ocasionó que en los 90’s se dejara de cultivar P. stylirostris, en los estados de Sonora y Sinaloa por ser una especie altamente susceptible a la infección y esto permitió que se iniciaran los cultivos con P. vannamei. Actualmente se supone que este virus causa problemas de enanismo con dispersión de tallas, deformaciones y puede ocasionar mortalidades en poblaciones estresadas de camarón blanco (Craig L., et al., 1993).

El virus del síndrome de Taura a mediados de 1995 causó pérdidas económicas en la industria camaronícola en los estados de Sonora, Sinaloa, Guerrero (Lightner, D. V., 1996), Chiapas y Nayarit (Chávez, C., 1996) donde se cultiva camarón blanco, ya que esta especie resultó ser susceptible a este virus.

Se han reportado otras enfermedades virales como: HPV (Hepatopancreatic Parvovirus) y LOVV (Lymphoid Organ Vacuolization Virus) de las cuales no se tienen datos reales de como afectan a las poblaciones de cultivo ya que siempre se encuentran asociadas a otras enfermedades.

Uno de los principales problemas para enfrentar los problemas de enfermedades de camarón no solo en México sino en muchas partes del mundo en donde se cultiva este crustáceo, es la carencia de antecedentes de investigación, de la falta de registros sistemáticos de las enfermedades, de la escacez de personal técnico calificado en las distintas disciplinas de la patología y de laboratorios equipados adecuadamente para realizar estudios de alto nivel y diagnósticos precisos.

En relación al último punto, uno de los principales problemas es que se requiere de varios días para realizar diagnósticos precisos. Después de la toma de muestras hay que realizar análisis bacteriológicos, observaciones en fresco para determinar si hay señales clínicas de la enfermedad y detectar agentes patógenos externos e internos visibles a simple vista, realizar análisis para identificar agentes virales, bacterianos y parásitos. Todo esto implica personal y equipo especializado. En los casos de los análisis histopatológicos, entregar resultados confiables por dos personas, el técnico en histología y el responsable de la diagnósis, requiere de cerca de quince días o más dependiendo del número de muestras. Para entonces lo más probable es que los organismos hayan muerto.

Por otro lado, la presición y rapidez en el diagnóstico y la investigación es muy importante en la actualidad debido a la importancia que se está dando a que los países tengan conocimiento de los aspectos patológicos de los organismos en cultivo, de los agentes patógenos que se presenten en su país, su distribución, abundancia, prevalencia y efectos en la producción. En otros países del mundo, diferentes instituciones gubernamentales y de investigación están realizando acciones similares en sus respectivos países, con el fin de poder contar con la información necesaria para combatir a las enfermedades a través de programas de cuarentena o certificación. Países como Indonesia, Malasia, Tailandia, India, China, Filipinas están realizando acciones conducentes a establecer una red y una base de datos computarizados sobre las enfermedades en la región del Pacífico Asiático, con el apoyo de la FAO.

Adicionalmente, recientes desarrollos a nivel internacional tales como International Aquatic Animal Health Code de la Oficina Internacional de Epizootias (OIE) y el Acuerdo Sanitario y Fitosanitario de la Organización Mundial (WTO), FAO ha tomado a las enfermedades certificables como un punto importante para la exportación importación y muy pronto éstas medidas serán aplicadas a nivel mundial. La presencia de una enfermedad dada puede en un momento determinado permitir al país importador bloquear un importante embarque y viceversa, la ausencia de una enfermedad puede permitir el libre acceso al mercado. Para ello, los países importadores y exportadores deben demostrar de una manera convincente su historia en relación a las enfermedades, sus programas de monitoreo, las políticas que se llevan de control para evitar la dispersión de las mismas para asegurar que efectivamente están libres de el patógeno en cuestión.

El contar con herramientas de diagnóstico e investigación de enfermedades de organismos acuáticos rápidas y precisas coadyuvarán a una sana acuacultura. Recientemente Alvarez-Borrego J. y Cristína Chávez-Sánchez, (2001) presentaron una metodología digital para el reconocimiento de cuerpos de inclusión de viruss IHHN en muestras de tejido de camarón y Pacheco-Marges R. (2003) ha profundizado más en este algoritmo al implementar filtros compuestos para la detección de cuerpos de inclusión del virus Mancha Blanca en muestras de tejido de camarón.

Con respecto al estudio de parásitos de peces sabemos que la producción acuícola de peces está dominada por tres grupos de especies: carpas, tilapias y ciprínidos. La tilapia y otros cíclidos son el tercer grupo de mayor importancia con una producción anual de 1’264,719 toneladas en 2000 (FAO).

Las tilapias han sido introducidas para la acuicultura y con propósitos pesqueros en la mayoría de los países tropicales alrededor del mundo. El cultivo de tilapia se inició en México desde 1964 y en la actualidad se ha convertido en un importante recurso en un tiempo relativamente corto. Además, con el transcurso de los años se corroboró su gran resistencia y adaptabilidad al medio, que ha hecho que este recurso sea considerado como uno de los más importantes de la piscicultura mexicana (Sosa-Lima, 2000).

De acuerdo con la FAO (2000), México tiene el quinto lugar en la producción de tilapia en América. Sin embargo, las cifras de la SEMARNAP (2000) que incluyen la producción pesquera derivada de la acuicultura muestran a México como el mayor productor de tilapia en América (Fitzsimmons, 2000).

En su ambiente natural los peces presentan poca susceptibilidad a las enfermedades. Sin embargo, bajo cultivo estas especies se ven afectadas debido a que los organismos están sometidos a cambios repentinos en la calidad del agua y estrés causados por el manejo (Kabata, 1985).

El estudio de los parásitos como agentes patógenos para los peces hospederos es importante en el proceso productivo, en particular en las condiciones de los cultivos. Las infestaciones en los peces aumentan cuando se cultivan intensivamente, ya que la elevada densidad provoca un incremento en las poblaciones de los parásitos, lo que puede ocasionar epizootias, principalmente en el caso de los parásitos de ciclo directo como ciertos protozoos (Woo, 1999).

Los estadios larvarios de los peces son los más susceptibles al desarrollo de enfermedades protozoarias; dentro de las cuales se pueden señalar a la tricodiniasis por su frecuencia y efecto negativo en la gran mayoría de los cultivos de peces. Se han encontrado tricodínidos parasitando especialmente a peces débiles en poblaciones superpobladas en estanques de aprovisionamiento cuyos ambientes son bajos en oxígeno (Snieszko y Axelrod, 1971). Los cultivos de cíclidos y carpas son comúnmente afectados por tricodínidos causantes de brotes epizooticos y pérdidas económicas importantes en el cultivo (Paperna, 1996).

La identificación de parásitos se considera de gran importancia, aunque es problemática en gran medida, particularmente en organismos que están estrechamente relacionados y cuyos efectos patológicos son variables. La identificación genérica de ectoprotozoos es relativamente fácil mientras que la diagnosis específica es lenta, laboriosa y requiere del empleo de tinciones especiales y consultas con expertos del grupo taxonómico a identificar. En un frotis de la superficie de la piel o branquias de un pez es posible encontrar varios géneros y especies de ciliados parásitos, así como estadios de desarrollo de protozoos que requieren de un especialista para su determinación específica. Existen varios géneros de ciliados que se reportan colectivamente como tricodínidos. Estos incluyen los géneros Trichodina, Trichodinella, Tripartiella y Vauchonia (Lom y Dykova, 1992).

Casi todas las especies de tricodínidos clínicamente importantes infestan la piel y/o las branquias de los peces. Algunas infectan la vejiga urinaria, oviductos o tracto gastrointestinal, pero no se consideran como patógenos probados (Post, 1983). En general, los tricodínidos de mayores tallas son considerados organismos oportunistas, infestan la piel y habitan un intervalo amplio de hospederos; mientras que las especies menores, infestan las branquias y sólo a una o pocas especies de peces (Noga, 1996). Dentro de estos últimos se puede señalar a Trichodina centrostrigata que parasita también la piel y provoca altas pérdidas en las poblaciones de juveniles de peces (Van As y Basson, 1987).

Los taxónomos han desarrollado diversas técnicas que consisten de tinciones especiales y han aplicado distintos métodos para la identificación de los tricodínidos (Lom, 1958). Van As y Basson (1989) adicionaron un método específico y constante que complementa el sistema de Lom (1958), pero no lo sustituyen. En la actualidad estos parásitos se identifican mediante estos métodos tradicionales al utilizar la impregnación argéntica de Klein para la observación detallada de las estructuras del disco de fijación y la tinción de Hematoxilina de Harris y Giemsa para la observación del aparato nuclear como información adicional (Lom y Dyková, 1992).

Las técnicas de tinción mencionadas anteriormente son sólo una herramienta para la identificación de estos organismos microscópicos. Para la determinación taxonómica son necesarias además las mediciones de las estructuras esqueléticas, nucleares y ciliares. El énfasis puesto sobre varias características anatómicas han variado con el tiempo y los trabajos recientes se refieren solamente a la estructura del disco de adhesión (Gaze y Wootten, 1998).

Las muestras procesadas deben ser evaluadas por un observador con experiencia cuya capacidad depende del gran número de muestras que tenga que analizar. La observación de la lámina es una actividad aburrida y las mediciones de las estructuras son muy laboriosas, ya que consume mucho tiempo y produce cansancio, esto repercute en la validez de las observaciones conforme el número de muestras se incrementa. La utilización de métodos automatizados puede ser la respuesta a este problema. Si se logra hacer una lectura de las láminas en forma automática, los investigadores se verán relevados de la tediosa actividad de identificar y medir organismos y esto redundará en mayor eficiencia para esta tarea. En este sentido, los sistemas ópticos y digitales de reconocimiento empiezan a ser de interés para los taxónomos y biólogos, ya que permite más fácilmente hacer mejores observaciones sobre la presencia de algún microorganismo en el ambiente.

Desde la introducción de las técnicas de filtraje por Vander Lugh (1964), los métodos de correlación óptica basados en la forma de los objetos se han venido utilizando con éxito en el reconocimiento de patrones, por lo cual, se han desarrollado diferentes tipos de filtros con el propósito de reconocer diversos objetos. Sin embargo, el reconocimiento de un protozoario es un problema complejo. La gran variabilidad morfométrica y merística de los protozoos dificulta su identificación, además de ser organismos complejos muchas especies dentro del mismo género comparten la misma forma y tamaño en sus dentículos (Basson, Van As y Paperna, 1983). El género Trichodina tiene el cuerpo presionado, en forma de disco, con superficie oral levemente convexa, presenta como característica principal un anillo de dientes que puede variar en número y forma. Tiene una serie de cilios en el borde extremo de la membrana celular, ciliatura entre el anillo denticulado, macronúcleo en forma de salchicha o de herradura y micronúcleo redondeado poco visible, mide aproximadamente de 30-100 micrómetros y su tono es claro casi transparente, estas características son muy parecidas en las distintas especies de tricodínidos, lo cual hace difícil la identificación.

Para resolver este problema, al frotis del muco de la superficie de la piel conteniendo tricodínidos se le aplica nitrato de plata, esta sustancia es muy oxidante y al contacto con la luz UV o los rayos solares reacciona y se torna marrón, el tono varía dependiendo de la concentración o como las estructuras argentófilas sean reducidas. Esto permite la observación de las estructuras esqueléticas del disco de fijación, haciendo visible todas las estructuras de quitina de este organismo. Por otro lado la correlación digital a color incrementa la capacidad de los filtros para el reconocimiento de patrones. El análisis de la información tanto de la forma como del número de dentículos sería la variante metodológica que da la posibilidad de identificar al protozoario con eficiencia.

El color del parásito depende de la tinción utilizada al preparar la muestra, así que el color introduce información adicional para la efectividad del reconocimiento. La descomposición de un objeto policromático en tres canales monocromáticos rojo, verde y azul (RGB) permite realizar un reconocimiento independiente en cada uno de ellos, la suma de estos resultados produce un alto nivel de certeza en la identificación del organismo. Los cambios de morfología, orientación y tamaño de este parásito son un problema que se tiene que resolver, para esto se necesita un sistema invariante a posición, escala y rotación. La transformada de escala, así como la transformada de Mellin y la transformada de Fourier se utilizan para poder tener un reconocimiento independiente de estas características.

La mayor información sobre los estudios de parásitos de peces en México está restringida a los helmintos (Lamothe-Argumedo et al., 1996; Moravec y Fajer, 2000); sin embargo, los registros sobre protozoarios parásitos y en específico sobre ciliados parásitos están limitados al reporte de Trichodina symmetrica en Sarotherodon hornorum y O. mossambicus en cultivo en México (Lázaro-Chávez, 1985), y para T.wellborni en peces de la familia Cyprinidae por Herroz Zamorano (1998). Considerando el impacto productivo del cultivo de tilapia en México, la determinación de los tricodínidos que la afectan durante sus primeros estadios de vida, se convierte en una contribución valiosa al conocimiento de los protozoarios parásitos de esta especie de alto valor comercial.

Al mismo tiempo y con la finalidad de contar con un método altamente eficaz que facilite el trabajo de los técnicos que laboran en sanidad acuícola e investigadores que requieren del conocimiento de la especie de parásito a estudiar de forma rápida y segura, se ha desarrollado un algoritmo de reconocimiento de imágenes dentro de un procesado de correlación a color con filtros de fase compuestos para el reconocimiento de diferentes especies del género Trichodina previamente estudiadas por técnicas convencionales (Rodríguez-Santiago, 2002). En esta dirección seguiremos con investigación básica y aplicada en el desarrollo de algoritmos que nos permitan tener una mayor confianza en el reconocimiento de éstos parásitos.

Aunado a esto, en la Costa Pacífico de Baja California son recientes los encierros de atunes en zonas aledañas a la costa, dado que la especie es muy atractiva desde el punto de vista comercial por el alto valor que alcanza en el mercado internacional. En Japón, se llega a pagar hasta 50 dólares por kilo de atún rojo cultivado en España. La razón del elevado precio es que la carne con alto contenido de grasa de esta especie (que puede alcanzar los 500 kilos de peso por ejemplar) es parte fundamental de uno de los platos nacionales nipones . Para México en el corto plazo existen importantes posibilidades de desarrollo en el área del cultivo del atún, con un potencial de ganancias cercanas a los USD 120 millones (FIS, 2002).

Aunque la acuicultura es un negocio atractivo y solución conveniente para disminuir los efectos de la sobrepesca sobre una determinada especie, en este caso el atún, presenta problemas de impacto ambiental. Este impacto dependerá principalmente de la especie cultivada, el método de cultivo, hidrografía del sitio de cultivo, tipo de alimento y prácticas de cría (Wu, 1995; Micheli, F. 1999). El mayor impacto es sobre el fondo marino donde se genera un alta demanda de oxígeno en los sedimentos, sedimentos anóxicos, producción de gases tóxicos y puede resultar una disminución de la fauna bentónica (Wu, 1995; Pawar et al., 2001; Pawar et al., 2002). La alta carga orgánica que genera se debe principalmente a restos de alimentos, que al no ser consumidos se deposita en el fondo marino, la excreción de los peces y la producción de fecas (Wu, 1995; Pawar et al., 2001). Estos desechos incrementan en forma significativa el nivel de materia orgánica afectando la calidad del sedimento marino y a las comunidades bentónicas que allí existen. El nivel de contaminación, puede llegar a ser de tal consideración que afecte a la propia actividad acuícola y genere conflictos para los futuros usos del área (Folke et al., 1994; Wu, 1995; Pawar et al., 2001; Pawar et al., 2002).

Prácticamente no existen antecedentes con relación el impacto ambiental que genera el cultivo de especies diferentes a los salmónidos (Wu, 1995). Los antecedentes más cercano se asocian con el cultivo de estas especies, área en la que existe información sobre los cambios e impactos que generan en el ambiente los encierros de salmónidos al aportar al sistema un ingreso adicional de materia orgánica a través de restos de alimento, excresión y fecas (Wu, 1995; Karakassis et al., 2000; Mazzola et al. 2000; Kraufvelin et al., 2001; Pawar et al., 2001; Buschmann, 2002; Pawar et al., 2002). Por ejemplo, en lagos del sur de Chile se ha estimado que entre el 70% y 80% del nitrógeno liberado por los peces se disuelve en la columna de agua, además del fósforo que se deposita en los fondos de las cuencas (Buschmann, 2002). La existencia de estos nutrientes genera eutrofización que aunque tiene consecuencias positivas como una mayor disponibilidad de alimento, también existe la posibilidad de disminuir los niveles de oxígeno y la biodiversidad propia del lugar (Wu, 1995; Buschmann, 2002).

En cambio, en la zona costera los nutrientes en la columna de agua no presentan un aumento relacionado con la salmonicultura, sin embargo se observaron mayores concentraciones de compuesto nitrogenados disueltos. Por lo anterior, estudios experimentales han demostrado que los cultivos son una importante fuente de nutrientes para el medio, lo que puede tener consecuencias importante al ser este el elemento que limita la producción primaria (Wu, 1995). En los fondos se observó un aumento de la materia orgánica y un significativo aumento de poliquetos del complejo Capitellidae y la disminución de otras especies de invertebrados marinos, además se observan restos de alimento que generan sitios con un alto grado de lodos anóxicos ((Wu, 1995; Karakassis et al., 2000; Mazzola et al. 2000; Kraufvelin et al., 2001; Pawar et al., 2001; Buschmann, 2002; Pawar et al., 2002).. Buschmann et al. (2003) concluyen que la acuicultura no solo tiene efectos en los sitios donde se desarrolla, sino que tiene un rango mucho mayor. Los efectos ambientales son múltiples y complejos que van desde cambios en la biodiversidad e incorporación de sustancias tóxicas al ambiente. Folke et al., (1994) llegan a la conclusión que la actividad es ecológica y económicamente no sustentable.

Una forma de evaluar cambios en el ambiente de origen antropogénico como los generados por la acuicultura, ya sea contaminación orgánica (fecas y restos de alimentos) o introducción de agentes químicos (medicamentos o restos de pintura antifouling) es el biomonitoreo. En el caso particular de encierros de peces es factible utilizar como bioindicador al zoobentos ya que éstos son organismos relativamente sedentarios o con movilidad reducida. Se pueden encontrar especies tolerantes a diferentes grados de estrés y contaminación. Por otro lado, el interés en realizar estos estudios radica en que son comercialmente importantes o son fuente de alimento para especies comerciales y juegan un papel importante en el reciclaje de nutrientes y ocupan parte crucial en cadenas alimenticias (Ziegelmeier, 1972; San Vicente et al. 2002).

El bentos, está constituido por los organismos tanto vegetales como animales que viven relacionados con el fondo, semienterrados, fijos o que pueden moverse sin alejarse demasiado de él, desde la marca de la pleamar hasta los fondos de las fosas más profundas (Vega, 1971). Debido a la estrecha dependencia del sitio que habitan con el sedimento, el bentos ha sido estudiado profundamente para entender la respuesta de la biota marina a la contaminación (Salazar-Vallejo, 1991). Esto se debe a que a diferencia de otros organismos, el bentos debe soportar las perturbaciones ambientales y en consideración a su dependencia con el sedimento y dado que este atrapa y almacena temporalmente muchos contaminantes, es más fácil de asignarle un agente causal concreto de contaminación. Por lo anterior el bentos podría considerarse como una agrupación de elementos integradores de la calidad del agua. Esta es la principal razón del por qué, las comunidades de fondos blandos son utilizadas como indicadores del nivel de contaminación del fondo marino (Salazar-Vallejo, 1991). Otra razón para el uso del bentos como herramienta biomonitora es que sus tubos y actividades de excavación pueden estabilizar o resuspender el sedimento, además de incrementar la sedimentación al sustraer partículas alimenticias de la columna de agua que más tarde emitirán al sedimento como fecas o seudo fecas (Hutchings, 1998)

La calidad y tipo de sedimento es fundamental, ya que no solo brindan superficies para la adsorción de la materia orgánica, sino que proveen un medio donde se pueden desarrollar microorganismos. Esto no solo tiene efectos positivos sino también negativos, ya que puede interrumpir el paso de la luz afectando el proceso de fotosíntesis y colmar las estructuras de alimentación o de respiración. Además, debido a la materia orgánica adsorbida promueven la proliferación de bacterias que pueden llegar a abatir el oxígeno disponible, generando un ambiente anóxico. Al mismo tiempo las bacterias sirven como alimento a los deposívoros.

En función de diferentes procesos físicos (dinámica de las aguas costeras, temperatura) los disturbios que existen en las comunidades de fondos blandos asociados a la materia orgánica se pueden dividir en dos según su impacto: a) disturbio físico que puede destruir o remover los organismos de un sitio, sea por una intensa sedimentación o por una erosión exagerada y b) tensión química que reduce la producción (somática o gonádica) de un organismo (Gray, 1981).

Los estudios sobre comunidades de fondos blandos han mostrado que la distribución de los taxa se asocia primariamente con las facies texturales del sustrato y los regímenes de corrientes imperantes (Gray, 1974; 1981; Posey, 1990). Básicamente es posible distinguir dos grupos de organismos asociados a tipos característicos de sedimentos: aquellos que habitan sustratos fangosos y cuyo hábitos alimentarios son primariamente deposívoros y los que habitan fondos arenosos, caracterizados por hábitos alimentarios suspensívoros (Sanders, 1958; Rhoads y Young, 1970; Warwick y Ruswahyuni, 1987)

Los macroinvertebrados bentónicos constituyen parte del componente biológico y cumplen un rol de importancia en la estructura y funcionamiento de los sistemas acuáticos (Añon, 1991). Su composición específica y abundancia depende de la cantidad de materia orgánica presente, la que está relacionada con la productividad (Brinkhurst, 1974; Valdovinos y Figueroa, 2000). El cambio en las características del sustrato por la sedimentación de la materia orgánica y la disminución de oxígeno disuelto, comienza a ser evidente a medida que el enriquecimiento orgánico es mayor, reduciendo las comunidades características de aguas limpias y provocando la desaparición de taxa intolerantes, provocando que se modifique la estructura de dominancia de la comunidad (Johnson et al., 1993; Rosenberg y Resh, 1993). En general, disminuyendo la diversidad y la eficiencia de purificación debido al enriquecimiento orgánico excesivo (Cummins, 1992).

Aunque el aporte de materia orgánica en determinada cantidad puede ser favorable, cuando el aporte es alto se observa una tendencia a la reducción del número de especies y al aumento del número de individuos. Esto se debe a que una vez que se traspasa el umbral de tolerancia de las especies autótrofas ocurre un desbalance que afecta a la mayoría de los organismos componentes del sistema, pudiéndose llegar a la consecuencia extrema de la defaunación total. En este caso la recuperación puede ser relativamente rápida en el caso de anélidos y anfípodos, pero no así en aquellos organismos de vida larga como moluscos mayores y decápodos (Salazar-Vallejo, 1991).

La distribución espacial de los poliquetos está influenciada por el tipo de sedimento ya que las estaciones junto a la línea de costa que corresponden a fondos arenosos son las que tienen la mayor riqueza de especies y de organismos; por el contrario, en las estaciones más alejadas de la costa disminuye el número de especies y su abundancia, incrementándose los porcentajes de arenas limosas (Gray, 1981; San Vicente-Añorve, 2002). Gray (1981) menciona que la distribución y el tamaño de grano que están ampliamente influenciados por la acción de las olas y la velocidad de corriente son uno de los factores más importantes para la distribución de las comunidades del bentos. Pearson et al. (1979) mencionan que las diferencias en el tamaño de grano del sedimento son significativas para los organismos, ya que alteran la porosidad del substrato, el contenido de agua intersticial y por lo tanto las concentraciones de gases y nutrientes; éstas variaciones sedimentarias también pueden originar diferencias en la disponibilidad del alimento. Por otro lado, los patrones espaciales y temporales del bentos en todas las latitudes están determinados por la producción primaria de la columna de agua, el tipo de sedimento y las condiciones físico-químicas asociadas (Alongi 1990).

Se ha elegido a los poliquetos como grupo indicador de contaminación porque es el grupo que se ha ligado más estrechamente con los estudios sobre contaminación en todo el mundo y ser especies altamente dominantes (Salazar-Vallejo, 1991; Hutchings, 1998). Por ejemplo, la revisión de Pearson y Rosemberg (1978) de 31 taxa bioindicadores del mundo, 20 de ellos corresponden a poliquetos, seis a bivalvos, dos a oligoquetos, y caracoles, anfípodos e hidroides tienen un representante.

Los poliquetos constituyen uno de los componentes más importantes de las comunidades macrobentónicas marinas de fondos blandos. Algunas de sus especies (e.g. Paraprionospio pinnata, Nephtys ferruginea), son sensitivas o indicadoras de contaminación lo que las hace extremadamente útiles para el monitoreo ambiental. En particular P. pinnata es una especie abundante y ampliamente distribuída en las aguas mexicanas y ha sido frecuentemente una especie dominante, por lo que ha sido considerada como una especie cosmopolita (Hernández-Alcantara et al., 1994; de León-González, 1994; Granados-Barba, 1994; Hutchings, 1998). Aunque Tamai (1985) indica que puede tratarse de un complejo de especies.

En particular en la costa de Ensenada, Lizárraga-Partida (1974) caracterizó las zonas de enriquecimiento biológico creciente a mayor distancia de las descargas en la dársena portuaria, identificó 12 especies de poliquetos y consideró que seis podrían considerarse como indicadoras de sus zonas respectivas. Caracterizó la zona muy contaminada con Capitella capitata y Dorvillea articulata, la zona contaminada con Armandia brevis y Diopatra splendidissima, la banda semicontaminada con Nephtys cornuta franciscana y la zona menos contaminada con Mediomastus ambisetus. La misma tendencia se ha encontrado en otras partes del mundo, aunque con diferentes especies (Salazar-Vallejo, 1991).

Por lo anterior, la mayoría de los métodos de evaluación debe reposar en una sólida base taxonómica, que involucre una determinación precisa de las especies incluidas (Salazar-Vallejo, 1991). Sin embargo, incluso a nivel mundial es difícil obtener personal calificado para los grupos difíciles como anfípodos y poliquetos. Esta situación es relevante ya que si se comparan los valores de evaluación de la diversidad tomando a las especies, comparada con lo que se obtendría al utilizar género o familia, el resultado es significativamente distinto (Resh, 1979 en Salazar-Vallejo, 1991).

Ante esta encrucijada de la necesidad de contar con personal calificado en la identificación de taxonómica de especies como poliquetos y la escasez de profesionales en el área, se hace conveniente el desarrollo de herramientas que sirvan de apoyo al investigador en su tarea de identificar y clasificar especies, en particular aquellas que son de utilidad, ya sea como bioindicadoras de contaminación o utilidad en otro campo de las ciencias. Como una propuesta ante tal problemática el presente estudio considera el desarrollo y aplicación de algoritmos matemáticos para una rápida identificación de anélidos poliquetos. Se ha elegido a este grupo por ser uno de los más complejos para realizar análisis taxonómicos. Siendo el objetivo principal facilitar y acelerar el proceso de identificación a nivel de especies.

Muchos proyectos de investigación realizan monitoreos continuos y necesitan contar con técnicas de identificación y cuantificación automatizadas de las especies de interés. Por lo anterior, se han desarrollado técnicas óptico-digitales para que en corto tiempo se pueda procesar muestras de organismos indicadores de contaminación ambiental. La ventaja de estos sistemas mixtos es que el tiempo de procesamiento decrece significativamente comparado con los sistemas semiautomáticos (Pech-Pacheco y Álvarez-Borrego, 1997).

La identificación de organismos bentónicos por medio de microscopios es un método tedioso y largo para el taxónomo, ya que el tiempo que utiliza para su evaluación va a depender de su experiencia. Además, el error de identificación va a ser diferente para cada persona, ya que involucra el criterio para reconocer una especie (Simpsón et al. 1992).

Con ciencias como la óptica, electrónica y computación es factible desarrollar e implementar técnicas que realicen identificaciones de organismos marinos de una forma automatizada, en donde los errores y lo largo del proceso sean superados de manera estándar. Con lo cual se puede dar solución al rezago en el análisis de muestras biológicas.

Un penúltimo tópico que queremos estudiar es con respecto a la identificación de especies de abulones. Los abulones han sido conocidos por el hombre desde hace largo tiempo. La primera mención de estos gastrópodos marinos en la literatura fue realizada en la 4th centuria A.C. por Aristóteles en su cuarto libro, capitulo 4, sección 13, sobre el sistema digestivo:

.......pero en la patella de campo como algunas personas suelen llamarle, u oreja de mar (haliotis), como es llamada por otros, el excremento sale por debajo de la concha, la cual es perforada. El estomago también es distinto, encontrándose detrás de la boca, y de esta manera es el ovarium en este animal. La posición de todas estas partes pueden ser observada en disecciones.

Publicaciones taxonómicas sobre la familia Haliotidae comienzan con Linnaeus (1758), quien describe las primeras siete especies con su sistema de nomenclatura binominal. Este trabajo fue continuado por Gmelin (1791), quien adhiere además otros veinte taxa. Reevé (1846) describe 42 nuevos taxa y escribe en el mismo año la totalidad de la familia Haliotidae (Geiger & Poppe, 2000)

Los abulones se distribuyen en aguas templadas y tropicales, estando ausentes en regiones cercanas a los polos. Probablemente el tipo de sustrato (hábitat rocoso) y el alimento (algas pardas), explicaría la ausencia de especies en la Costa Noreste de América donde predominan condiciones arenosas. Sin embargo, no se han encontrado especies de abulones en la costa Oeste de América del Sur, donde el hábitat predominante es similar al encontrado en la Costa Oeste de Norte América. Dicho patrón en la distribución de especies de abulones, limitada a ciertas regiones es una incógnita.

Parte de la respuesta de cómo los abulones han predominado la costa Noroeste de América desde Alaska hasta Baja California, México, puede ser encontrada en la barrera de aguas cálidas, entre las dos áreas templadas cercanas al lado del ecuador. No obstante, la ocurrencia de dos especies de abulones en las islas Galápagos e isla Cocos, Costa Rica, invalidan este argumento en cierto grado, dado que las corrientes oceánicas facilitarían la dispersión a estas islas en particular (Geiger & Poppe, 2000).

Tres hipótesis sobre el origen biogeográfico de la familia Haliotidae han sido discutidas (Geiger & Groves, 1999). El modelo del borde Pacifico, sustenta como punto de radiación a la zona del Noreste de Australia, debido a procesos de dispersión larval provenientes desde Japón. El modelo Indo-Pacífico, describe a esta zona como centro de radiación, debido a la alta correlación apreciada entre la diversidad observada hoy en día y el origen de la familia. El tercer modelo denominado Tethys, sustenta la radiación de la familia desde el Mediterráneo (mar de Tethys) hasta el Pacifico Nororiental. Según este modelo, la radiación puede ser explicada con base en el número cromosómico de las especies de abulones, el cual se incrementa desde el Mediterráneo, siendo representativo H. tuberculata (2n = 28) (Arai & Wilkins, 1986), moviéndose hacia el Este de la región Indo-Pacífico (2n =32) y finalmente llegando hasta la región del Pacifico Norte (2n=36). No obstante, los antecedentes cariotípicos de esta última región han sido aportados principalmente por especies distribuidas en la costa del Pacífico occidental, mientras que el abulón negro, Haliotis cracherodii (2n=36) (Minkler, 1977), es la única especie reportada para la costa del Pacífico oriental de Baja California.

El interés de estudiar las diversas especies que componen la familia Haliotidae se encuentra no tan sólo en las características particulares de radiación evolutiva, sino también en el fuerte interés como actividad pesquera por más de 50 años, llevando a algunas especies principalmente de la Costa Oeste de Norte América (Baja California) a un estado de sobreexplotación (SEPESCA, 1994). En este sentido estudios descriptivos de la biología y fisiología de los abulones han sido desarrollados para suplir la demanda de este recurso a través de la acuicultura. La producción en cautiverio de estos organismos requiere del conocimiento de los factores que pueden afectar la descendencia o producción de abulones.

Estudios genéticos en abulones han sido abordados desde distintos puntos. Algunos de ellos son la selección y criopreservación de gametos provenientes de reproductores elegidos con valor genético, marcadores moleculares asociados a un fenotipo particular que pueda ser utilizado para asistir programas de selección, producción de híbridos interespecíficos, producción monosexual, producción de triploides, manipulación genética y programas de selección mediante la utilización de allozimas a nivel poblacional (Elliott, 2000).

La mayoría de los estudios citogenéticos en moluscos disponibles hasta ahora, establecen las diferencias cromosómicas entre especies a partir del análisis cariológico clásico. Los cromosomas son clasificados cualitativamente en categorías (metacéntrico, submetacéntrico, subtelocéntrico y telocéntrico) con base en la relación de la longitud entre el brazo largo y brazo corto de cada par cromosómico (Levan et al., 1964). Este método separa la variación continua de la posición del centrómero en clases discretas, no considera el tamaño absoluto de cada cromosoma. Este procedimiento considera diferentes a pares cromosómicos similares que caen en distintas clases cualitativas o considera iguales a pares que, siendo distintos caen dentro de la misma categoría. Estas variaciones morfológicas debidas al grado de condensación del DNA en los cromosomas pueden originar errores en la identificación adecuada del cariotipo de una especie o individuo. Lo anterior ha hecho necesario la búsqueda de modificaciones a la metodología clásica propuesta por Levan et al. (1964) y de nuevos procedimiento de identificación y clasificación cromosómica.

Un tipo de modificaciones es la integración de los análisis estadísticos en las mediciones morfométricas de los cromosomas. En especies de Fissurélidos y de Ostrélidos se han utilizado los análisis estadísticos de ANOVA y SNK para verificar si existe diferencia significativa en el tamaño medio relativo de los brazos corto y/o largo entre los cromosomas (Ladrón de Guevara et al., 1996; Amar, 2003). Otro tipo de aproximación es la utilización de herramientas computacionales en el establecimiento de la identidad cromosómica. En este sentido, la utilización de análisis de imágenes para estudiar distintos aspectos citogenéticos reduce el error ocasionado por las mediciones manuales, al permitir realizar aproximaciones más cuantitativas y detalladas de la naturaleza morfológica de los cromosomas (Schrock et al., 1998). En Crassostrea virginica se ha descrito a través de la medición digital de las longitudes cromosómicas que la variación individual es del 5%, lo cual se explica por las variaciones morfológicas debidas a los factores biológicos (Zhang et al., 1999). El análisis propuesto en el presente estudio plantea la utilización del modulo al cuadrado de la transformada de Fourier (proporcional al patrón de difracción) de imágenes digitales como el punto de partida para la identificación de los aspectos citogenéticos de interés. Esta metodología es una alternativa a los métodos tradicionales de identificación cromosómica con base en mediciones morfológicas y tinciones especiales.

Por otro lado, la costa oeste de la Península de Baja California está expuesta al movimiento del oleaje el cual ocasiona múltiples daños. En aguas profundas, el oleaje puede afectar plataformas marinas y, en aguas someras, construcciones costeras y zonas recreativas. En la Bahía de Todos Santos, B.C., frecuentemente las olas sobrepasan el rompeolas durante los meses de invierno, afectando asentamientos humanos en la zona costera. La complejidad del movimiento de las olas en aguas profundas y en aguas someras así como la necesidad de entender mejor su comportamiento, ha dado origen a una gran cantidad de estudios del oleaje en el campo como en el laboratorio.

Para estudiar el oleaje de manera cuantitativa, se ha intentado emplear tanto imágenes de radar como fotografías aéreas. La dinámica de la superficie marina es muy importante, ya que nos permite determinar su influencia sobre la capa superficial de mezcla y las líneas de costa.

El obtener datos de oleaje es muy importante: por una parte está el interés inherente en el espectro direccional del oleaje y cómo influye éste en el ambiente marino y en la línea de costa. Estos datos de oleaje pueden ser fácil y rápidamente obtenidos por medio de fotografías aéreas de los patrones de brillo los cuales muestran reflexiones de la luz del sol sobre el agua, y por tanto obtenemos un alto contraste en la imagen de la superficie. La finalidad, en un futuro cercano, es aplicar esta técnica a imágenes reales de la superficie del mar para poder calcular algunas propiedades estadísticas de las alturas de la superficie.

A fines del siglo pasado y con la finalidad de estudiar la superficie del mar se empezaron a medir algunos parámetros ópticos, como la irradiancia ascendente (la suma de todas la radiancias con ángulos del nadir de cero a 90 grados), la irradiancia descendentes (la suma de radiancias con ángulos del zenith de cero a 90 grados) y algunas variables oceanográficas como temperatura, salinidad, densidad, etc., (Jerlov, 1976). La irradiancia de la luz reflejada sobre la superficie del mar fue el primer parámetro óptico que se midió. Años mas tarde, se comenzaron a efectuar mediciones de la irradiancia espectral a varias profundidades. La irradiancia espectral, aunada a otras variables tales como temperatura, salinidad y nutrientes, se utiliza para determinar la productividad orgánica primaria, que es la velocidad de fotosíntesis, o sea, fijación de carbono por unidad de área, o por unidad de volumen y por unidad de tiempo.

A mediados de este siglo, Duntley (1950) llevó a cabo un estudio experimental de las olas capilares (con longitud de onda de pocos centímetros y altura de pocos milímetros). En este trabajo se midieron, in situ, las alturas de las olas capilares usando dos pares de alambres verticales sumergidos. Un par formaba un plano de la dirección a lo largo del viento y, el otro par, formaba un plano en la dirección perpendicular al viento. En particular, Duntley (1950) encontró que las pendientes de las olas capilares en dirección a la del viento) y las pendientes en dirección perpendicular a la dirección al viento), obedecen a una distribución normal y son estadísticamente independientes.

Un poco después, Barber (1954) estimó la direccionalidad de las ondas del mar a partir del patrón de difracción de una imagen de la superficie del mar. Casi simultáneamente, Cox y Munk (1954a, 1954b) realizaron estudios de la estadística de las pendientes de la superficie del mar derivadas de las reflexiones especulares de la luz sobre la superficie marina, patrón de brillo, las cuales fueron grabadas en fotografías aéreas. En una primera aproximación, estos autores encontraron que, la distribución de las pendientes es Gaussiana. Esto pudiera ser tomado como una indicación de que, bajo ciertas circunstancias, la superficie del océano puede ser modelada como un proceso aleatorio Gaussiano. Observaciones hechas con una boya flotante, donde se han filtrado las componentes de alta frecuencia, indican la presencia de una distribución Gaussiana (Longuet-Higgins et al., 1963).

Podemos decir que el trabajo experimental de Duntley (1950) y los de Cox y Munk (1954a y 1954b) son similares y complementarios: Duntley (1950), en efecto, colocó su medidor de onda en un punto fijo en el mar e hizo observaciones de larga duración de las pendientes tanto en la dirección del viento como en una dirección perpendicular a ésta. Las fotografías aéreas de Cox y Munk (1954a y 1954b) fueron tomadas con tiempo de exposición cortos comparados con el movimiento de la superficie, cubriendo un área relativamente grande del mar. Cuando se comparan las estadísticas de las pendientes del oleaje en un punto, observadas en función del tiempo (Duntley, 1950) con las estadísticas de las pendientes a un tiempo fijo, observadas en función de la coordenada espacial (Cox y Munk, 1954a y 1954b), se encuentra que son practicamente iguales (Preisendorfer, 1976). Esto sugiere que las suposiciones de estacionaridad y ergocidad son razonables, al menos en un área restringida y para ciertas zonas de la superficie del mar.

Cox (1958) realizó mediciones de pendientes de olas capilares generadas en un canal de olas de laboratorio, y encontró un comportamiento bastante complicado de la variancia de las pendientes, en función de la velocidad del viento.

En estudios posteriores, Stilwell (1969) empleó fotografías de la superficie del mar y utilizó un sistema óptico coherente para realizar un análisis de Fourier de las variaciones de densidad presentes en la emulsión fotográfica. Dichas variaciones de densidad están relacionadas con la distribución de pendientes de la superficie (Kivelson y Moszkowski, 1966). En una primera aproximación, Stilwell (1969) derivó una ecuación que relaciona la intensidad de la luz proveniente de la fuente con la densidad de la película fotográfica, suponiendo pendientes muy pequeñas, una iluminación uniforme en toda la superficie, y linealidad en el proceso fotográfico. Stilwell y Pilon (1974) ampliaron el modelo de Stilwell (1969) incluyendo casos en los que la geometría puede ser oblicua, y trataron de deducir espectros de energía del oleaje. Sus resultados están basados en una serie de aproximaciones que restringen severamente la aplicabilidad del modelo, pues consideraron valores de pendiente muy pequeños y linealidad en el proceso fotográfico.

Kasevich (1975) continuó el trabajo de Stilwell (1969) tomando en cuenta términos de segundo orden de la expresión en serie de Taylor de la ecuación que representa la cantidad de luz a la cual está expuesta la película fotográfica, con la finalidad de entender el mecanismo de la transferencia de información de la superficie marina a una imagen fotográfica. Utilizó modelos para simular la iluminación sobre la superficie considerando cielos azúl claro y cielos nublados, ya que no contó con datos reales de irradiancia. Concluyó que la luz que llega a la cámara, después de ser reflejada por la superficie, está relacionada explícitamente con la orientación y altura de la cámara, con la distribución de irradiancia en la atmósfera y con las componentes de las pendientes de superficie del mar.

Plass et al (1977) puntualizaron que la velocidad del viento y el ángulo de elevación de la cámara influyen marcadamente en las reflexiones especulares de la luz sobre la superficie marina.

Peppers y Ostrem (1978) propusieron un modelo para determinar más fielmente las pendientes de las ondas a partir de fotografías del océano. Comprobaron la técnica desarrollada mediante simulaciones numéricas de diferentes modelos de irradiancia. Concluyeron que sus resultados son mejores que los que obtuvo Stilwell (1969 y 1974).

Chapman e Irani (1981) reportaron un análisis de los errores involucrados al estimar el espectro de pendientes de la superficie del mar mediante fotografías aéreas. Afirmaron que no es posible considerar una relación lineal entre el espectro de pendientes de las ondas y el espectro de la imagen obtenida en un sistema óptico coherente o en forma digital. Estos autores cuantificaron los errores involucrados en esta aproximación utilizando varios modelos de iluminación en simulaciones por computadora.

Preisendorfer y Mobley (1986) presentaron una simulación numérica de una superficie marina donde incluyeron reflexiones de luz solar directa y difusa y obtuvieron una imagen de la superficie con el patrón del brillo incluido (similares a las imágenes reales que obtuvieron Cox y Munk, 1954a y 1954b). El objetivo de Preisendorfer y Mobley (1986) fue obtener información de la distribución angular de la irradiancia descendente y de la irradiancia ascendente y de cómo dependen estas irradiancias de las propiedades ópticas del agua del mar. Desafortunadamente, este modelo no pudo comprobarse mediante una superficie marina real.

Un problema común a todos los trabajos mencionados, es que los varios modelos propuestos no pudieron ser validados con datos experimentales. Esto es debido a que se tiene muy poca información de la superficie marina estudiada.

Trabajos recientes elaborados en Cicese en los últimos diez años muestran que es posible obtener las estadísticas de primer y segundo orden de superficies rugosas aleatorias a partir de imágenes remotas. Más concretamente, es posible obtener la función de autocorrelación, o el espectro de energía de la superficie. He derivado algunos resultados analíticos y numéricos que relacionan la función de autocorrelación de las alturas de la superficie con la función de autocorrelación del patrón de intensidad que se forma en la imagen de ésta. También se han realizado experimentos para mostrar la aplicabilidad de ésta nueva técnica. Los resultados han mostrado que es posible estimar propiedades estadísticas de primer y segundo orden de las alturas de una superficie rugosa aleatoria con el modelo propuesto en Cicese (Alvarez-Borrego J., 1993a, 1993b, 1995a, 1995b, 1995c, 1995d, Marín-Hernández Mark y Alvarez-Borrego J., 1999). Se sigue trabajando en ésta dirección para resolver aún algunos problemas que se encuentran en superficies rugosas aleatorias como lo es la superficie del mar.

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PARTICIPANTES

1. Alvarez-Borrego Josué, Dr., Investigador Responsable.

2. Alvarez-Parrilla Alvaro, Dr. Investigador externo (Fac. de C.).

3. Orellana-Cepeda Elizabeth, Dr., Investigador externa (Fac. C. M.).

4. Trujillo-Ortíz Antonio, Dr., Investigador externo (Fac. C.M.).

5. Cortéz-Altamirano Roberto, Dr. Investigador externo (I. L. UNAM).

6. Chávez Sánchez María Cristina, Dr. Investigador externo (CIAD).

7. Fájer-Ávila Emma Josefina, Dr. Investigador externo (CIAD).

8. Bueno-Ibarra Mario Alonso, M. C. Estudiante de Doctorado, Citedi.

9. Coronel-Beltrán Angel, M. C. Estudiante de Doctorado, Citedi.

10. García Gutierrez César, M.C., Estudiante de Doctorado, Fac. De C. M.

11. Rodríguez-Santiago M. Amparo, M. C. Estudiante de Doctorado, Fac. de C.M.

12. Low Pfeng Antonio, M. C. Estudiante de Doctorado, Cicese.

13. Gallardo-Escárate Cristian, Biol. Estudiante de Doctorado, Cicese.

14. Villalobos Flores Cinthia Elizabeth, Biol. Estudiante de Maestría de la UNAM.

15. Garza-Flores Esbanyely, Estudiande de Licenciatura de la UABC.

16. Cruz-Trejo Armando Cruz, Estudiante de Licenciatura de la UABC.

17. Castro-Fregoso Bertha Karina, Estudiante de Licenciatura de la UABC.

18. Meléndez-Soto Víctor Hugo, Estudiante de Licenciatura de la UABC.

OBJETIVOS DEL PROYECTO

Aplicación de diferentes sistemas ópticos y digitales para el reconocimiento de patrones complejos (micro y macro organismos).

Extensión de la teoría de métodos adaptivos lineales y no lineales para la restauración y realce de imágenes, extracción de rasgos, reconocimiento invariante de objetos y localización de microorganismos biogénicos, dentro de una imagen problema, y diseñar, investigar, e implementar las correspondientes metodologías en sistemas ópticos y digitales (sistemas híbridos).

Generar un banco de imágenes digitales de siete especies de copépodos calanoides; Calanus pacificus, Rhincalanus nasutus, Candacia bipinnata, Pleuromamma gracilis, Temora discaudata, Acartia tonsa y Candacia curta. Las especies utilizadas para este trabajo se escogieron tomando en cuenta su importancia dentro de la región de la Corriente de California. Las especies de copépodos utilizadas en este estudio están incluídas dentro de las 24 especies que ocurren con mayor frecuencia en la región de la Corriente de California.

Desarrollo de modelos estadísticos (Gaussianos y no Gaussianos) para optimizar la información sobre la dirección y estadística del oleaje a partir de los patrones de brillo de la superficie marina.

Formación de recursos humanos.

DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROYECTO

Se trabajará en el reconocimiento de patrones complejos (micro y macro organismos) mediante algoritmos matemáticos no convencionales. La identificación y conteo de organismos es indispensable para poder realizar estudios de diversidad, estructura de poblaciones y trama trófica, entre otros.

Este tipo de aplicaciones en el reconocimiento de patrones complejos mediante sistemas matemáticos no convencionales nos permite ampliar nuestros vínculos con otros centros de investigación y áreas afines.

Proponemos aplicar y extender la metodología desarrollada por Alvarez-Borrego (1993a, 1993b, 1995a, 1995b, 1995c, 1995d) para calcular algunas propiedades estadísticas de la superficie marina mediante imágenes remotas. En este proyecto se presenta un análisis para superficie de alturas tanto en una como en dos dimensiones; en otras palabras para superficies uni y bidimensionales. Se analizarán superficies que presenten estadísticas Gaussianas y no Gaussianas.

PLAN DE TRABAJO

Simulación de superficies aleatorias y determinísticas, de una y de varias escalas, que constituyan una buena aproximación a un proceso aleatorio Gaussiano y no Gaussiana. Se tendrán imágenes reales de la superficie del mar utilizando una cámara de CCD.

Estas superficies servirán para llevar a cabo los experimentos en el laboratorio para comprobación de la teoría que se está desarrollando en una y dos dimensiones.

Obtención de muestras de micro y macro organismos. La obtención de muestras se hace a través de nuestras relaciones con otras instituciones como lo son Scripps en la Joya California, el Departamento de Ecología del Cicese, la Facultad de Ciencias Marinas de la UABC, el Instituto de Limnología de la UNAM sede en Mazatlán Sinaloa y el CIAD unidad Mazatlán. Se generará un banco de imágenes de algunas especies de copépodos calanoides de la región de la Corriente de California para su procesamiento mediante sistemas ópticos y digitales. También se tiene el acervo de información CALCOFI donde podemos encontrar todas las muestras de copépodos, por ejemplo, que existen en la corriente de California.

Para obtener mejores filtros de identificación de partículas biogénicas dentro de una imagen problema se trabajará en la extensión de la teoría de filtros de orden jerárquico y en filtros morfológicos. Dentro de esto, se trabajará también en métodos de aproximación y medición óptima de filtros espaciales multicanales en moduladores espaciales de luz.