Поскольку коралловые рифы ухудшаются перед лицом изменения климата, междисциплинарная исследовательская группа Northwestern Engineering разработала инновационный метод для визуализации наноразмерных структур кораллов и количественного определения поглощения пигмента живыми кораллами, что является показателем здоровья кораллов. Платформа визуализации может стать ценным инструментом, помогающим морским биологам лучше понять физиологию кораллов, а также измерять и контролировать их здоровье.
Рифообразующие кораллы являются домом для более чем 1 миллиона видов в наших океанах. Тем не менее, повышение температуры океана привело к обесцвечиванию кораллов - явлению, при котором кораллы изгоняют обеспечивающие жизнь водоросли, что ставит под угрозу здоровье и устойчивость колоний.
«Коралловые рифы представляют собой критически важные экосистемы, но они обесцвечиваются с угрожающей скоростью из-за глобального потепления», - сказала Луиза Марселино, доцент кафедры гражданского и экологического строительства в Northwestern Engineering. «Чтобы разработать стратегии предотвращения гибели коралловых рифов, крайне важно понять механизмы обесцвечивания. Однако в настоящее время нет средств для визуализации живой коралловой ткани из-за сложности ее структуры».
Команда Инженерной школы Маккормика опубликовала свои выводы в статье под названием «Измерение рассеяния и поглощения света с помощью обратной спектроскопической оптической когерентной томографии (ISOCT): новый инструмент для неинвазивного мониторинга» 2 октября в журнал Научные отчеты. Марселино был соавтором исследования вместе с Вадимом Бэкманом, профессором биомедицинской инженерии Уолтера Дилла Скотта.
Исследование расширяет предыдущую работу Марселино и Бэкмана по изучению кораллов, которая включает в себя разработку количественного индекса реакции на обесцвечивание кораллов в 2016 году. Первая база данных такого рода, индекс использовал исторические данные для измерения статистического распределения плотности массы кораллов. скелеты, черта, связанная с восприимчивостью к отбеливанию. В индексе также указано, какие виды кораллов в мире больше всего подвержены риску обесцвечивания и, скорее всего, погибнут в результате теплового стресса, вызванного потеплением океанов.
Когда создавался коралловый индекс, команда не могла неинвазивно отображать образцы кораллов. Новый метод визуализации, называемый обратной спектроскопической оптической когерентной томографией (ISOCT), использует лазеры для сканирования живых кораллов и измерения их оптических свойств с полным трехмерным разрешением.
«Изначально мы разработали ISOCT для визуализации тканей человека, чтобы лучше понять изменения в раннем канцерогенезе», - сказал Бэкман, руководитель Северо-Западного центра физической геномики и инженерии.«Нам пришлось адаптировать и улучшить его для визуализации кораллов, что дало захватывающий пример перекрестного опыления в науке и технике».
ISOCT не только обеспечивает большую ясность статистического распределения плотности массы скелета и тканей различных видов кораллов, но и дает количественную оценку химической концентрации внутри коралла, включая уровни хлорофилла и других флуоресцентных пигментов.
"В ходе эволюции кораллы адаптировались к сбору света определенным образом. По мере изменения окружающей среды и нагревания океанов способность адаптироваться к этим изменениям может зависеть от их базовой физиологии", - сказал Грэм Спайсер (доктор философии). 19), соавтор исследования и бывший аспирант лаборатории Бэкмана. «ISOCT предоставляет информацию с пространственным разрешением, поэтому мы можем точно изучить, как виды кораллов могут лучше других адаптироваться к изменениям окружающей среды».
Открывая новое понимание того, как кораллы адаптируются к экологическим стрессам, команда считает, что ISOCT может помочь морским биологам разработать новые стратегии для защиты особо уязвимых видов от обесцвечивания из-за изменения климата.
«Новый метод визуализации обеспечивает первый всесторонний анализ структуры и функций живых кораллов, что является важным шагом на пути к лучшему пониманию того, как кораллы обесцвечиваются и умирают», - сказал Бэкман. «Понимание этих процессов может помочь разработать стратегии для замедления или предотвращения обесцвечивания кораллов».
Спайсер добавил, что более глубокое понимание кораллов также может открыть новые возможности на другом экологическом фронте - захвате солнечной энергии.
«Кораллы адаптировались за миллионы лет, чтобы собирать свет оптимальным образом с учетом окружающей среды», - сказал Спайсер. «Если бы мы могли полностью понять механизмы, с помощью которых кораллы в ходе эволюции оптимизировались для сбора света, мы могли бы разработать аналогичные стратегии в качестве основы для решений по сбору солнечной энергии».