Mentre le barriere coralline si deteriorano a causa del cambiamento climatico, un team di ricerca interdisciplinare della Northwestern Engineering ha sviluppato un metodo innovativo per visualizzare le strutture su nanoscala dei coralli e quantificare l'assorbimento dei pigmenti nei coralli vivi, un indicatore della salute dei coralli. La piattaforma di imaging potrebbe diventare uno strumento prezioso per aiutare i biologi marini a comprendere meglio la fisiologia dei coralli, nonché a misurare e monitorare la salute dei coralli.

I coralli che costituiscono la barriera corallina ospitano più di 1 milione di specie nei nostri oceani. Eppure l'aumento delle temperature oceaniche ha dato origine allo sbiancamento dei coralli, un fenomeno in cui i coralli espellono le loro alghe che forniscono la vita, compromettere la salute e la sostenibilità delle colonie.

"Le barriere coralline forniscono ecosistemi di importanza critica, ma si stanno sbiancando a ritmi allarmanti a causa del riscaldamento globale, " disse Luisa Marcelino, professore assistente di ricerca di ingegneria civile e ambientale presso la Northwestern Engineering. "Al fine di sviluppare strategie per prevenire la morte della barriera corallina, è fondamentale comprendere i meccanismi dello sbiancamento. Però, non ci sono mezzi attuali per visualizzare il tessuto di corallo vivo a causa della complessità della sua struttura".

Il 2 ottobre il team della McCormick School of Engineering ha pubblicato le sue intuizioni in un articolo intitolato "Measuring Light Scattering and Absorption with Inverse Spectroscopic Optical Coherence Tomography (ISOCT):A New Tool for Non-invasive Monitoring" sulla rivista. Rapporti scientifici . Marcelino è stato l'autore corrispondente dello studio insieme a Vadim Backman, Walter Dill Scott Professore di ingegneria biomedica.

La ricerca amplia il lavoro precedente di Marcelino e Backman sullo studio del corallo, che include lo sviluppo di un indice quantitativo di risposta allo sbiancamento dei coralli nel 2016. Il primo database del suo genere, l'indice ha utilizzato dati storici per misurare la distribuzione statistica della densità di massa degli scheletri di corallo, un tratto legato alla suscettibilità allo sbiancamento. L'indice ha anche dettagliato quali delle specie di corallo del mondo sono più a rischio di sbiancamento e con maggiori probabilità di morire a causa dello stress termico causato dal riscaldamento degli oceani.

Quando è stato creato l'indice dei coralli, il team non è stato in grado di visualizzare campioni di corallo in modo non invasivo. La nuova tecnica di imaging, chiamata tomografia a coerenza ottica spettroscopica inversa (ISOCT), utilizza i laser per scansionare il corallo vivente e misurarne le proprietà ottiche alla piena risoluzione 3D.

"Inizialmente abbiamo sviluppato ISOCT per visualizzare i tessuti umani al fine di comprendere meglio le alterazioni nella carcinogenesi precoce, " disse Backman, che guida il Centro di genomica fisica e ingegneria della Northwestern. "Abbiamo dovuto adattarlo e migliorarlo per l'imaging dei coralli, che ha prodotto un entusiasmante esempio di impollinazione incrociata nella scienza e nella tecnologia".

ISOCT non solo fornisce una maggiore chiarezza nella distribuzione statistica della densità di massa dello scheletro e dei tessuti di diverse specie di corallo, quantifica anche la concentrazione chimica all'interno del corallo, compresi i livelli di clorofilla e altri pigmenti fluorescenti.

"I coralli si sono adattati attraverso l'evoluzione per raccogliere la luce in un modo specifico. Man mano che l'ambiente cambia e gli oceani si riscaldano, la capacità di adattarsi a tali cambiamenti potrebbe essere influenzata dalla loro fisiologia di base, " ha detto Graham Spicer (Ph.D. '19), un co-primo autore dello studio ed ex dottorato di ricerca. studente nel laboratorio di Backman. "ISOCT fornisce informazioni risolte spazialmente, così possiamo studiare esattamente come le specie di corallo potrebbero adattarsi meglio di altre ai cambiamenti ambientali".

Illuminando nuove intuizioni su come il corallo si adatta agli stress ambientali, il team ritiene che ISOCT potrebbe aiutare i biologi marini a creare nuove strategie per proteggere le specie particolarmente sensibili dallo sbiancamento dovuto al cambiamento climatico.

"La nuova tecnica di imaging fornisce la prima analisi completa della struttura e della funzione dei coralli vivi, che è un passo fondamentale verso una migliore comprensione di come i coralli sbiancano e muoiono, " ha detto Backman. "La comprensione di questi processi può aiutare a progettare strategie per rallentare o prevenire lo sbiancamento dei coralli".

Spicer ha aggiunto che una maggiore comprensione dei coralli potrebbe anche presentare nuove opportunità su un altro fronte ambientale:la cattura solare.

"I coralli si sono adattati nel corso di milioni di anni per raccogliere la luce in modo ottimale dato il loro ambiente, " ha detto Spicer. "Se potessimo comprendere appieno i meccanismi con cui i coralli sono stati ottimizzati tramite l'evoluzione per raccogliere la luce, potremmo sviluppare strategie simili come base per soluzioni per raccogliere l'energia solare".