INTRODUCCIÓN

En los bovinos, las variables climáticas como la temperatura ambiente, radiación solar, humedad relativa, velocidad del viento y precipitación desempeñan un papel importante en los procesos de regulación térmica del animal, mediante dos formas: i) interactúan directamente con la piel o el pelo y ii) estimulan los receptores nerviosos que se encuentran en la piel o en la retina, poniendo en acción los mecanismos compensatorios a través del hipotálamo ¹. Diversos factores fisiológicos afectan la homeostasis térmica, entre ellos el estado sanitario, el tipo racial, las condiciones metabólicas, el color del pelo de los animales, los efectos ambientales como la presencia de árboles en los potreros, el consumo hídrico y el tipo de pastoreo participan en la regulación de los procesos de mitigación y adaptación al ambiente externo ².

Las pérdidas productivas y económicas que pueden tener los ganaderos por efecto del estrés calórico causado por la variabilidad climática y el cambio climático generan preocupación en investigadores y tomadores de decisión ³. El desempeño de los sistemas se afecta, especialmente en ganaderías que se encuentran en pastoreo, en donde los bovinos y las pasturas se enfrentan directamente a las variables climáticas ⁴, con efectos negativos sobre la producción y reproducción de los animales ⁵, ⁶ y, en la cantidad y calidad de las pasturas como es propuesto ⁷,⁸.

Es conocido que existen grupos raciales de origen Bos taurus y Bos indicus adaptados a las condiciones del trópico bajo, por sus modificaciones fisiológicas que les permiten mayor pérdida de calor, mejor conversión alimenticia y mejores índices reproductivos, lo cual permite evidenciar que los procesos de adaptación son exitosos; estas razas, por ejemplo, Hartón del Valle y Lucerna, son recursos genéticos nativos y constituyen una importante fuente de biodiversidad ⁹.

Uno de los principales índices de bienestar animal es la temperatura corporal, siendo un indicador de estrés en todas las especies ¹⁰,¹¹. Otros indicadores como la frecuencia ruminal ¹² y la frecuencia respiratoria pueden utilizarse para monitorizar el estrés por calor ¹³. Tradicionalmente, la temperatura rectal ha sido reportada como un buen indicador directo de la temperatura corporal interna en los bovinos ⁴,¹⁴,¹⁵, aunque su determinación requiere manipulación y sujeción de los animales; por otra parte, se conoce que los procesos de termorregulación que se realizan en el hipotálamo hacen que las mediciones realizadas en cercanías a este, por ejemplo, la temperatura medida en el canal timpánico, se consideren más sensibles a los mecanismos de ajuste hechos por el animal ¹⁶.

Las mediciones continuas de temperatura corporal en los bovinos son esenciales, principalmente para monitorear el estado de salud de los animales y prever respuestas a los efectos de estrés calórico ¹⁷,¹⁸. No obstante, en sistemas productivos en pastoreo, el uso de técnicas de medición tradicionales como la temperatura rectal, ocasiona estrés por el manejo durante el muestreo, lo cual puede arrojar datos erróneos al modificarse el comportamiento natural del animal. Adicionalmente, no es factible la manipulación permanente de los animales para realizar la determinación del parámetro fisiológico.

En el campo de la ganadería de precisión, surgen nuevas tecnologías para la captura de datos a través de dispositivos inalámbricos que facilitan el monitoreo continuo de los animales, permitiendo detectar pequeños cambios que reflejan su salud y bienestar ¹⁸,¹⁹,²⁰,²¹, lo cual puede ser útil en el seguimiento de un alto número de animales o en estudios de estrés donde se requiere mínima manipulación. La colecta de un gran número de datos en tiempo real a través del uso de dispositivos remotos, genera la necesidad de herramientas de análisis como son las metodologías de Big Data ¹⁸.

El objetivo de este trabajo fue estudiar la relación existente entre las variables climáticas (temperatura ambiental, radiación solar, humedad relativa, velocidad del viento y precipitación) y la temperatura corporal timpánica de vacas de diferentes grupos raciales bajo pastoreo en condiciones de trópico bajo, a través del uso de sensores inalámbricos tipo IoT.

MATERIALES Y MÉTODOS

Zona de estudio y sistemas de producción. El estudio fue realizado en cuatro sistemas ganaderos bovinos, ubicados en la zona geográfica del Valle del Cauca, Colombia, bajo condiciones de trópico bajo entre los 3°30' a 4°78'N y 76°21' a 76°46' W, correspondiente a zona de bosque seco tropical según la clasificación de Holdridge citado por García et al ²². Cada sistema ganadero presentó un grupo racial único, seleccionado para la producción de leche, representativo de la región y con un número de animales adecuado. Las características principales de los predios se observan en la tabla 1. En total, se monitorearon veintiocho vacas en producción, siete por sistema, según Cavestany et al ²³; los animales tenían más de tres partos y se encontraban en la primera fase de lactancia, por encima de 100 días. En todos los sistemas se utilizó el pastoreo y una suplementación nutricional mínima.

Recolección de datos Temperatura timpánica. Mediante un sensor inalámbrico diseñado y producido por los autores, instalado manualmente en el canal timpánico de las vacas, a través de un mecanismo de colecta de datos electrónico tipo orejera, se recopiló información permanente cada hora, la media de tiempo fue de 17 días para la captación de datos. La trasmisión de los datos se realizó en forma remota, vía bluetooth a una aplicación de celular (Figura 1). El tiempo de permanencia de los sensores en los animales varió entre sistemas y entre animales.

Figura 1 Obtención de temperatura timpánica: Sensores, ubicación y transmisión de datos. 

Recolección de datos Temperatura timpánica. Mediante un sensor inalámbrico diseñado y producido por los autores, instalado manualmente en el canal timpánico de las vacas, a través de un mecanismo de colecta de datos electrónico tipo orejera, se recopiló información permanente cada hora, la media de tiempo fue de 17 días para la captación de datos. La trasmisión de los datos se realizó en forma remota, vía bluetooth a una aplicación de celular (Figura 1). El tiempo de permanencia de los sensores en los animales varió entre sistemas y entre animales.

La temperatura registrada por los sensores timpánicos fue validada con datos obtenidos, a través, de temperatura rectal de las vacas. Las diferencias encontradas en cuanto al punto anatómico de muestreo y su tiempo de respuesta fueron corroboradas por la literatura ⁸,¹¹,¹⁷,¹⁸.

Datos climáticos. La información del clima fue obtenida de cuatro subestaciones pertenecientes a la red de estaciones climáticas del Centro de investigación de la caña de azúcar "Cenicaña". De acuerdo, a la ubicación de cada uno de los sistemas ganaderos se le asignó la estación meteorológica más cercana. La distancia entre las estaciones y los sistemas estudiados fue: Sistema uno (6.2 km), Sistema dos (5.4 km), Sistema tres (5.6 km) y Sistema cuatro (6.5 km) ²⁴. Las variables analizadas fueron temperatura ambiental (°C), radiación solar (cal/cm²), humedad relativa (%), velocidad del viento (m/s) y precipitación (mm). El intervalo de captura de la información fue horario, durante un periodo de 17 días continuos, concordantes con el tiempo de captura de datos por los sensores timpánicos.

Análisis estadístico. En primer lugar, se realizó un análisis descriptivo (mínimo, máximo, media y desviación estándar) de cada una de las variables climáticas, para el manejo del alto volumen de datos se empleó el software estadístico R ²⁵. Posteriormente, para conocer la relación entre las variables de clima y la temperatura timpánica de cada uno de los animales, se utilizó el coeficiente de correlación de Pearson. Con el total de variables, se construyeron modelos de regresión múltiple para cada sistema, donde la variable dependiente fue la temperatura timpánica y las variables regresoras fueron las condiciones climáticas. Por último, con el fin de analizar la importancia de cada variable sobre la variación en la temperatura timpánica de los animales, se utilizó un modelo Random Forest (RF). Este modelo está basado en la concatenación de varios árboles de decisión (CART), el cual es un algoritmo que divide reiterativamente la base de datos en múltiples conjuntos, estas particiones son definidas a partir de condiciones aplicadas a las variables en determinados valores, el proceso es realizado de forma automática minimizando el error cuadrático ²⁶. Una cualidad del modelo RF, es que, al momento de realizar la partición por una variable, el algoritmo mide un valor de importancia de haber utilizado dicha variable, este valor es sumado en todos los árboles. Al final, se obtiene una métrica que permite medir la importancia de cada variable predictora en el modelo sobre la variable de respuesta ²⁶. Para este caso, se buscó encontrar las variables que tenían mayor influencia al momento de explicar la variación de la temperatura timpánica.

RESULTADOS

Comportamiento de la temperatura timpánica. Se obtuvieron 11332 registros de temperatura timpánica de los animales a través de los dispositivos de medición. Este alto volumen de datos posibilitó un monitoreo detallado de la información de respuesta fisiológica, lo cual constituye una ventaja de importancia del uso de sensores para obtención de información constante (Figura 2).

Figura 2 Temperatura timpánica media para cada uno de los sujetos experimentales en el estudio, distribuidos por sistema analizado. 

Comportamiento del clima. La temperatura ambiente, radiación solar, humedad relativa, velocidad del viento y precipitación asociadas con cada uno de los sistemas incluidos en el estudio, mostró un comportamiento similar entre estos, como se presenta en la Figura 3, lo cual se deriva de la ubicación geográfica cercana de los sistemas estudiados, sin embargo, fueron observadas ligeras diferencias en las variables climáticas para cada uno de los sistemas, estas corresponden a las distintas épocas en que los sensores timpánicos fueron ubicados en los animales. En general, para todos los sistemas, de acuerdo a la información de las cuatro estaciones, la humedad relativa osciló entre 37 y 100% (X=80.43 ±15.83), la temperatura entre 17 y 33.3°C (X=23.79±3.62), la radiación solar estuvo entre 0 y 93.9 cal/cm² (X=18.44±26.25) y la velocidad del viento presentó valores entre 0 y 8.5 m/s Q£=1.54±0.96). La variable que presentó mayores diferencias entre los sistemas fue la precipitación debido al inicio de la temporada de lluvias para uno de los sistemas.

Figura 3 Comportamiento de las variables climáticas para cada uno de los sistemas incluidos en el estudio. 

Efecto de las variables climáticas sobre la temperatura corporal timpánica. Con el fin de mostrar el comportamiento de las variables climáticas y la temperatura corporal timpánica, en la Figura 4 se presenta esquemáticamente la información registrada sobre las variables en un periodo de 24 horas, la estandarización a escala única permite utilizar este mecanismo para evidenciar el comportamiento por sobreposición de las variables a un mismo rango de medida, lo cual da una información visual rápida e integral.

Figura 4 Comportamiento esquematizado durante 24 horas de las variables climáticas y la temperatura timpánica. 

En la Tabla 2 se puede observar como la temperatura timpánica de los animales responde a los cambios de magnitud en la temperatura ambiental, humedad relativa, radiación solar, velocidad del viento y precipitación.

Las correlaciones exhibieron una relación media, que varía entre los -0.58 y 0.54 para las variables climáticas temperatura ambiente, humedad relativa y radiación solar, pero siempre fueron altamente significativas (p<0.0001), excepto en un sistema, para velocidad del viento. Para precipitación las correlaciones fueron bajas y significativas (p<0.0001).

En la Tabla 3 se presentan las ecuaciones de regresión lineal para cada grupo racial, con sus respectivos R². Es posible que las condiciones bioclimáticas de la zona, no sean extremas, dado que son cercanas a la zona de confort propuesta para bovinos, por lo cual los mecanismos de adaptación animal ya están en total funcionamiento y no presentan modificaciones fisiológicas importantes sobre las variables climáticas.

Finalmente, con el fin de analizar el efecto de variables ambientales y temperatura timpánica, se utilizó un modelo de Random Forest (RF) para la explicar la variabilidad de la temperatura timpánica con las variables climáticas. En la Figura 5 se muestra la importancia de cada variable climática al momento de explicar la variación de la temperatura timpánica, siendo el sistema 4, el tomado como referencia gracias al mayor número de datos que registró.

Figura 5 Modelo Random Forest para el sistema 4. Variables con mayor grado de importancia en la variabilidad de la temperatura timpánica. 

DISCUSIÓN

El objetivo de este trabajo fue estudiar la relación entre las variables climáticas y la temperatura corporal timpánica en vacas de diferentes grupos raciales, bajo pastoreo, en el trópico bajo.

El uso de IoT a través de sensores (Figura 1) para obtener información fisiológica constante ha sido postulado por Neethirajan ¹⁹, confirmando la relación fisiológica (Figura 4) y su adaptación biometeorológica ²⁷.

La determinación de la temperatura timpánica de forma permanente y sin manipulación del animal permite capturar un alto volumen de datos, lo que hace confiable el registro fisiológico, y refleja los mecanismos de ganancia o pérdida de calor endógeno ¹,¹⁶.

Los resultados presentados en la Figura 2, muestran valores que oscilan entre rangos fisiológicamente aceptados para vacas en lactación (36.8-39.5°C), las diferencias encontradas entre los animales dentro de un mismo sistema obedecen a respuestas individuales ante factores externos (6,14). Los valores encontrados en este estudio concuerdan con temperaturas timpánicas encontradas por otros autores ¹⁷,²⁸,²⁹.

Para el sistema uno (Figura 3), correspondiente al grupo racial Gyrolando, la variable que mayor relación tuvo con la temperatura timpánica fue la temperatura ambiental (Tabla 2), con un valor de 0.33. Dada la relación inversa entre temperatura ambiente y la humedad relativa, las correlaciones encontradas para esta última y la temperatura timpánica presentaron similares valores negativos. La radiación solar también mostró correlación con la temperatura timpánica (0.23). Aunque el componente racial de este sistema contaba en su genética con un 50% de Bos indicus, especie con mayor resistencia a las condiciones ambientales del trópico ², el valor medio de las correlaciones podrían atribuirse al color oscuro del pelaje de los animales utilizados, las vacas que mostraron los mayores valores presentaban pelaje con mayor proporción de coloraciones oscuras, lo que genera mayor absorción de radiación; esto concuerda con los resultados presentados por Gomes y Campos ²⁷, en los cuales, las vacas con pelaje de color negro presentaron mayor temperatura rectal, en relación con las vacas de pelaje blanco. Por otro lado, el viento surge como una variable que mitiga el efecto adverso de la temperatura ambiente en los animales, debido a su acción de disipación térmica ³⁰,³¹. Para este sistema, el viento muestra correlaciones positivas débiles con la temperatura timpánica de las vacas (0.11); esto podría atribuirse a que los patrones de comportamiento entre la temperatura ambiente y la velocidad del viento, al parecer no ejercen acciones contrarias entre ellas, se considera que el viento hace circular aire caliente ocasionando que, en el proceso de convección, los animales estén ganando calor en vez de perderlo. Por último, la precipitación mostró una correlación inversa y débil (-0.09), lo cual se debió a la ausencia o escasa lluvia en el periodo de muestreo.

El sistema dos (Figura 3), en la cual el grupo genético fue Jersey, genéticamente 100% Bos taurus, mostró correlaciones importantes entre la temperatura timpánica y la temperatura ambiental (Tabla 2), presentó valores de 0.54, esta correlación media, refleja un mayor efecto sobre los animales, entre estos el efecto del componente racial homogéneo, así la baja variabilidad del sistema evidencia que son animales más susceptibles a las condiciones ambientales del trópico, como es reportado por Gantner et al ³² y Ruíz-Jaramillo et al ³³. La radiación solar presentó valores de 0.32, e indicaría la relación de mayor respuesta en temperatura corporal a esta variable. La correlación con la velocidad del viento fue de 0.11 y la precipitación exhibió relaciones débiles e inversas (-0.12).

El sistema tres (Figura 3), alojó el grupo racial Lucerna, raza sintética colombiana, desarrollada para soportar las condiciones de trópico bajo. Este sistema presentó menores correlaciones entre la temperatura timpánica y la temperatura ambiental (Tabla 2), con un valor de 0.50, más elevada que la informada en los sistemas anteriores, demostrando con su respuesta, la influencia de la adaptación animal a las condiciones climáticas en las que se originó la raza. La correlación con la radiación solar fue de 0.31, sin embargo, este grupo racial presenta una particularidad, y es el pastoreo en un sistema silvopastoril intensivo en la explotación. Los valores medios en las correlaciones se pueden deber a dos factores, el primero asociado al tipo de pastoreo, ya que los potreros en que se encuentran los animales están conformados por estratos de pasturas, arbustos y árboles, creando condiciones favorables para los animales; esto concuerda con los trabajos citados por otros autores ⁴,⁷ en los cuales, los animales que estuvieron en potreros con presencia de árboles presentaron menores temperaturas corporales que los animales en pasturas sin cobertura; el segundo factor se puede asociar a efecto de la raza la cual lleva muchos años de adaptación a las condiciones tropicales. La precipitación presentó valores de correlación de -0.18, esta mayor relación se debió a que en el tiempo de muestreo para este sistema las lluvias fueron más frecuentes. De acuerdo a esto, la precipitación también puede ser un factor de mitigación importante para la temperatura corporal. Por su parte, la velocidad del viento presentó correlaciones débiles pero positivas con la temperatura timpánica, similares a las encontradas en los otros sistemas, sin embargo, dado que la estación meteorológica que proporcionó los datos para este sistema no se encontraba dentro del arreglo silvopastoril, los datos de correlación obtenidos pudieron ser afectados dado que no tuvieron en cuenta la presencia de los árboles y arbustos en los potreros y su interacción con los animales.

El sistema cuatro (Figura 3), con vacas Hartón del Valle, raza criolla adaptada a las condiciones tropicales propias la zona agroecológica del estudio, presentó correlación media entre temperatura timpánica y temperatura ambiental (Tabla 2) con un valor de 0.42. Aunque esta correlación es menor que la encontrada en el sistema tres con un grupo racial también adaptado, los resultados del sistema cuatro, son inferiores a los presentados en los dos primeros sistemas en los cuales los animales estaban en praderas sin árboles, similares a los de este sistema; esta menor correlación podría atribuirse al componente racial, relacionada con la adaptación al medio. Para radiación solar, el valor fue de 0.39, siendo el más alto en relación al total de sistemas; este resultado puede ser explicado por el hecho de que en este sistema productivo solo se realiza un ordeño diario, permitiendo a los animales pastorear después de esta actividad, dejándolos expuestos a la radiación solar durante más horas del día, incluyendo aquellas de mayor intensidad (12:00 a 15:00) según lo reportado por Anzures-Olvera et al ³⁴, este manejo contrasta con los otros sistemas, en las cuales las vacas, para ese mismo periodo de tiempo, se encuentran en los establos para el segundo ordeño del día y por tanto reciben menor intensidad de radiación. La velocidad del viento y precipitación presentaron el mismo comportamiento que los sistemas uno y dos, sin mayor relación directa con la temperatura timpánica.

Al analizar los modelos lineales de regresión múltiple (Tabla 3), se encontró que los coeficientes de determinación generados explican poco la variación de la temperatura timpánica en función de las variables climáticas analizadas (temperatura ambiente, radiación solar, humedad relativa, velocidad del viento y precipitación), similar hallazgo en condiciones tropicales fue informado previamente ³⁰.

En general, se pudo observar que la relación de causalidad entre las condiciones climáticas en la zona ecológica ³⁵ y la temperatura corporal timpánica presentan una correlación relativamente baja, 8.78%, siendo la temperatura ambiente y la humedad relativa las variables que presentan mayor incidencia. Sin embargo, el orden jerárquico de cada variable climática es propio para cada sistema. En los gráficos de influencia individual por variable climática sobre la temperatura timpánica (lado derecho de la figura), se presentan el comportamiento de las variables de temperatura, humedad relativa, velocidad del viento con respecto a la temperatura timpanica. Cada Sistema tiene la particularidad de presentar, modificaciones exclusivas a sus condiciones de manejo y grupo racial, así por ejemplo, para la raza lucerna, ubicada en un sistema de silvopastoreo, la velocidad del viento es la variable con mayor peso e influencia (Figura 5), esto podría atribuirse al hecho de ser un sistema con amplia cobertura arborea, lo cual modifica la corriente de viento y la radiación solar; de esta manera el microclima creado por los estratos arbóreos y arbustivos, genera modificaciones fisiológicas sobre los animales, como ya ha sido evidenciado en otro trabajo ⁷.

De acuerdo a los resultados obtenidos en este estudio y en concordancia con lo propuesto por Wijffels et al ³⁶, la inclusión de diferentes variables fisiológicas deben considerarse, para obtener un conjunto de factores bióticos y abióticos que permita generar mayor entendimiento en el proceso de homeotermia en las vacas productoras de leche bajo condiciones de pastoreo. Factores como las características individuales (color del pelo, edad, tamaño, condición corporal, entre otras), y variables como el tipo de sistema de producción, manejo de animales, nivel tecnológico y alimentación suministrada (dieta), pueden ser decisivos a la hora de analizar la relación del clima con los sistemas ganaderos. El peso del sensor IoT genera un largo tiempo de adaptación en el animal. Asimismo, las similares condiciones agroecológicas de la zona de estudio pueden provocar una limitación discriminativa que impida una mayor variación en la respuesta fisiológica de los animales.

En conclusión, la introducción de dispositivos tecnológicos que permiten la colecta de datos en los animales, sin modificar sus conductas naturales, surge como una estrategia de diagnóstico y manejo para los hatos ganaderos. Se conocen variaciones que se pueden encontrar entre individuos en un mismo rebaño, en ellos el uso de sensores inalámbricos que determinen permanentemente la temperatura corporal en los bovinos en tiempo real, ayuda en estudios sobre estrés calórico y enfermedades tropicales frecuentes en el trópico y reducen la productividad del sistema.

Las variables climáticas que tuvieron relación con los procesos de homotermia, bajo las condiciones de pastoreo, fueron la temperatura ambiente, humedad relativa y radiación solar. La precipitación puede tener un efecto positivo frente a la pérdida de calor en los animales, sin embargo, se requiere mayor número de datos obtenidos en época de lluvia (número de días con precipitaciones) para tener un valor más confiable.

No se presentó un efecto directo de las variables climáticas sobre la temperatura corporal timpánica, de tal manera que ésta pueda asociarse al grupo racial y por extrapolación a la posible adaptación climática de los animales en los ecosistemas en donde fueron evaluados.

Se requieren futuros estudios en donde el análisis de la temperatura corporal de los animales no solo este en función del clima, si no, incluir otras variables fisiológicas y productivas como: peso metabólico, alzada y condición corporal, horas de consumo de alimento y producción diaria de leche, podrían ser analizadas y así poder estudiar mecanismos de adaptación y diseñar estrategias para mitigar los efectos del cambio climático, así mismo conocer los procesos de respuesta al estrés calórico en diferentes grupos genéticos asociados con sistemas ganaderos bovinos bajo pastoreo en condiciones de trópico bajo