Ny billeddannelsesplatform undersøger mekanismer bag koralblegning

Efterhånden som koralrev forværres over for klimaforandringer, et tværfagligt Northwestern Engineering -forskerteam har udviklet en innovativ metode til billedbehandling af korallananoskala strukturer og kvantificere pigmentabsorption i levende koraller, en indikator for koralles sundhed. Billedplatformen kan blive et værdifuldt værktøj til at hjælpe havbiologer med bedre at forstå koralfysiologi samt måle og overvåge koralles sundhed.

Koralrev, der bygger koral, huser mere end 1 million arter i vores oceaner. Alligevel har stigende havtemperaturer givet anledning til koralblegning, et fænomen, hvor koraller udviser deres livgivende alger, bringer koloniernes sundhed og bæredygtighed i fare.

"Koralrev giver kritisk vigtige økosystemer, men de blegner i alarmerende hastigheder på grund af global opvarmning, "sagde Luisa Marcelino, forskningsassistent professor i civil- og miljøteknik ved Northwestern Engineering. "For at udvikle strategier til at forhindre koralrevdød, det er afgørende at forstå blegemekanismerne. Imidlertid, der er ingen aktuelle midler til at forestille levende koralvæv på grund af kompleksiteten i dets struktur. "

Holdet fra McCormick School of Engineering offentliggjorde sine indsigter i et papir med titlen "Measuring Light Scattering and Absorption with Inverse Spectroscopic Optical Coherence Tomography (ISOCT):A New Tool for Non-invasive Monitoring" den 2. oktober i tidsskriftet Videnskabelige rapporter . Marcelino fungerede som den tilsvarende forfatter af undersøgelsen sammen med Vadim Backman, Walter Dill Scott Professor i biomedicinsk teknik.

Forskningen udvider Marcelino og Backmans tidligere arbejde med at studere koraller, som omfatter udvikling af et kvantitativt koralblegningsresponsindeks i 2016. Den første database af slagsen, indekset brugte historiske data til at måle den statistiske massefyldefordeling af koralskeletter, en egenskab, der er knyttet til blegemodtagelighed. Indekset beskriver også, hvilke af verdens korallarter, der er mest udsatte for blegning og sandsynligvis vil dø som følge af termisk belastning forårsaget af opvarmning af oceaner.

Da koralindekset blev oprettet, teamet kunne ikke forestille koralprøver ikke-invasivt. Den nye billedteknik, kaldet invers spektroskopisk optisk kohærens tomografi (ISOCT), bruger lasere til at scanne levende koraller og måle dets optiske egenskaber ved fuld 3D-opløsning.

"Vi udviklede oprindeligt ISOCT til billede af menneskelige væv for bedre at forstå ændringer i tidlig carcinogenese, sagde Backman, der leder Northwestern's Center for Physical Genomics and Engineering. "Vi var nødt til at tilpasse og forbedre det til koralbilleder, som frembragte et spændende eksempel på krydsbestøvning inden for videnskab og teknologi. "

Ikke alene giver ISOCT større klarhed i den statistiske massefyldefordeling af skelet og væv fra forskellige korallarter, det kvantificerer også den kemiske koncentration inden for koraller, herunder niveauer af klorofyl og andre fluorescerende pigmenter.

"Koraller har tilpasset sig gennem evolutionen til at høste lys på en bestemt måde. Efterhånden som miljøet ændrer sig og oceanerne bliver varmere, evnen til at tilpasse sig disse ændringer kan blive påvirket af deres grundlæggende fysiologi, "sagde Graham Spicer (Ph.D. '19), en medforfatter til undersøgelsen og tidligere ph.d. studerende i Backmans laboratorium. "ISOCT giver rumligt opklarede oplysninger, så vi kan studere præcis, hvordan korallarter kan tilpasse sig bedre end andre til miljøforandringer. "

Ved at belyse ny indsigt i, hvordan koraller tilpasser sig miljøbelastninger, teamet mener, at ISOCT kan hjælpe havbiologer med at oprette nye strategier for at beskytte særligt modtagelige arter mod blegning på grund af klimaændringer.

"Den nye billedteknik giver den første omfattende analyse af strukturen og funktionen af ​​levende koraller, hvilket er et kritisk skridt mod en bedre forståelse af hvordan koraller blegner og dør, "Backman sagde." At forstå disse processer kan hjælpe med at designe strategier til at bremse eller forhindre koralblegning. "

Spicer tilføjede, at en større forståelse af koraller også kunne give nye muligheder på en anden miljøfront - solfangst.

"Koraller har tilpasset sig over millioner af år til at høste lys på en optimal måde i betragtning af deres omgivelser, "Spicer sagde." Hvis vi fuldt ud kunne forstå de mekanismer, hvormed koraller er blevet optimeret via evolution til at høste lys, vi kunne udvikle lignende strategier som grundlag for løsninger til høst af solenergi. "