En un estudio publicado recientemente en Los arrecifes de coral , Científicos de la Institución de Oceanografía Scripps en UC San Diego crearon y analizaron fotomosaicos detallados del arrecife de coral en Palmyra Atoll, e hizo descubrimientos sorprendentes en torno a la ecología espacial de los corales. Los científicos, dirigido por el estudiante graduado Clinton Edwards, encuestados más de 17, 000 pies cuadrados de arrecife, y 44, 008 colonias de coral, tomando más de 39, 000 imágenes que luego se unieron para crear fotomosaicos en 3D que abarcaban el arrecife.

Edwards y sus coautores analizaron estos mosaicos y descubrieron que las colonias de coral en el arrecife de Palmyra están dispuestas de forma no aleatoria. Demostraron por primera vez que los corales tienden a agruparse en el paisaje del arrecife, y que la fuerza de esta agrupación está estrechamente ligada a la estrategia específica de crecimiento y reproducción utilizada por un coral dado.

Edwards dijo que basándose en lo que había observado durante las muchas horas que había pasado analizando los mosaicos, tenía el presentimiento de que verían alguna evidencia de agrupamiento no aleatorio. "Era, sin embargo, bastante sorprendido de encontrar tan poca evidencia de aleatoriedad, "Hay un nivel de textura matemática que el ojo simplemente no puede captar y no creo que nadie esperara resultados tan consistentes".

Stuart Sandin, profesor de ecología marina en Scripps, quien es el asesor de doctorado de Edwards y autor principal del artículo, dice que la tecnología del mosaico puede ayudar a que la comprensión de los científicos de la ecología marina se ponga al día con su conocimiento de la ecología terrestre.

Para comprender los ecosistemas terrestres, "Usamos cámaras montadas en aviones para tomar fotos desde diez mil pies, y puedes ver dónde viven los árboles y dónde crecen. Y ahora los satélites tienen una cobertura aún más completa, "Dijo Sandin." Esa es una enorme cantidad de datos, y el cielo es el límite de lo que analizamos y hemos aprendido sobre ecología básica y aplicada. Ahora te sumerges y los datos espaciales están esencialmente ausentes. ¿Qué podemos hacer? Tienes que empezar por intentar mapearlo ".

Tener una comprensión del paisaje general de los bosques y otros ecosistemas terrestres ha sido muy valioso para la conservación y gestión de esos entornos. Ahora, Sandin dice que el mapeo detallado de fotomosaicos de los arrecifes de coral podría usarse de la misma manera para la gestión de los ecosistemas marinos.

"En los arrecifes de coral, una de las grandes preocupaciones es que si una tormenta mata a un montón de corales, ¿Cómo se recuperan los corales? Una de las herramientas que tenemos es plantarlas, ", Dijo Sandin." Un enfoque que la gente ha tenido es decir:bien, Cada uno de estos fragmentos de coral que planto podría llegar a ser de cinco metros cuadrados. Eso significa que los espaciaré de forma muy regular, y dispersarlos cada dos metros ".

Pero según lo que ahora entienden sobre la ecología espacial de los corales, este enfoque podría resultar problemático. "Un bosque donde plantas árboles demasiado separados, llega una tormenta de viento y todos los árboles se caen, porque dependen el uno del otro para la estabilidad. Lo mismo es válido para los corales, ", dijo. Y esa no es la única consideración. En un arrecife de coral, como en un bosque, hay reglas que describen cuán densamente o escasamente diferentes especies les gusta crecer, cuánto les gusta estar uno al lado del otro, ya menudo obtienen oportunidades ecológicas al vivir cerca unos de otros. Los fotomosaicos están ayudando a los ecologistas de coral a decodificar cómo estas reglas estructuran un arrecife.

Crear los fotomosaicos y extraerles información útil es un proceso que requiere mucho tiempo. Durante la recopilación de datos, los científicos generalmente hacen tres inmersiones al día, y se necesitaron más de cinco días completos de buceo para recopilar las imágenes de las dieciséis parcelas utilizadas en este estudio. De vuelta en el laboratorio Edwards usó un sistema informático personalizado de alto rendimiento para unir los 2, 500-3, 500 imágenes individuales que componen cada mosaico. El software tarda varios días en completar el renderizado de la imagen compuesta, y alrededor de 100 horas para etiquetar y clasificar todos los corales en cada imagen. Luego, el paso final es extraer la información de la especie y analizarla, lo que tarda unos tres días más por imagen.

La digitalización de las imágenes es claramente el paso límite, él dijo. Pero eso puede cambiar pronto. "Contamos con excelentes colaboradores en el departamento de informática e ingeniería de UC San Diego, y se están acercando a tener un flujo de trabajo asistido por computadora que acelerará drásticamente este proceso, "Dijo Edwards.

Vid Petrovic, un estudiante de doctorado en el laboratorio del profesor Falko Kuester en el departamento de ciencias de la computación de UC San Diego que creó el software que el equipo de Sandin usa para visualizar sus modelos 3D, está trabajando en la creación de un software personalizado para este propósito.

"Cada vez se recopilan más imágenes en el campo de las ciencias marinas, y el ritmo y la escala del esfuerzo solo aumentarán, pero más datos no significan automáticamente más, o mejor ciencia, ", Dijo Petrovic." Es un honor y una alegría trabajar tan estrechamente con un grupo de ecologistas marinos para abordar esto, Desarrollar en colaboración las herramientas y los flujos de trabajo necesarios para hacer un uso productivo de las imágenes. ya sea para monitorear la salud de los arrecifes, o para el avance de la ciencia básica ".

Petrovic dice que el equipo está haciendo posible que los científicos exploren virtualmente los arrecifes en el laboratorio, permitiéndoles viajar en el tiempo de un año a otro y rastrear el crecimiento y declive de colonias individuales, y estudiar las relaciones espaciales y temporales a través del arrecife.

"Estamos acelerando la digitalización y la anotación, y despejar el camino para permitir que las técnicas de aprendizaje automático lleven más de esta carga, ", Dijo Petrovic." Todo esto es tremendamente emocionante, y con mucho más por venir. Pero el aspecto más gratificante para mí es la colaboración interdisciplinar que lo hace posible en primer lugar, eso nos permite aplicar una década de investigación en visualización en apoyo de un trabajo ecológico vital ".

Edwards, Sandin, y sus colaboradores dicen que esperan que la tecnología fotomosaica conduzca a muchos más descubrimientos científicos, y continuar ayudando en los esfuerzos de conservación. Los datos recopilados en el arrecife de Palmyra son parte del 100 Island Challenge, cuyo objetivo es crear una perspectiva global sobre cómo los arrecifes de coral están cambiando con el tiempo.

El equipo de 100 Island Challenge, compuesto por investigadores postdoctorales, personal, y estudiantes graduados de los laboratorios de la ecologista de Sandin y Scripps, Jennifer Smith, se está asociando con científicos y comunidades de todo el mundo para visitar 100 islas diferentes y utilizar estas novedosas técnicas de imágenes en 3-D para crear mosaicos fotográficos que capturan cada detalle de la estructura y ecología de los arrecifes de coral. Hasta ahora, el equipo ha visitado casi 70 de las islas para capturar mosaicos, con un cronograma para volver a inspeccionar cada sitio después de dos años. De vuelta en el laboratorio analizarán los mosaicos para ver cómo los arrecifes están cambiando con el tiempo, y cómo la variación de las condiciones del océano y las actividades humanas impactan en cada arrecife. Estas imágenes también se convertirán en datos de referencia para que las agencias locales las utilicen para estudiar sus propios arrecifes.

"Lo que realmente me entusiasmó del enfoque fotomosaico de área grande es que básicamente te permite llevarte el arrecife a casa. "Dijo Edwards." Cuando estás buceando, existen muchas limitaciones prácticas para lo que puedes hacer. Estás limitado por el aire corrientes, condiciones de la superficie, ya veces no tienes la oportunidad de detenerte y oler las rosas ".

Dijo que poder pasar horas moviéndose lentamente sobre el arrecife, mirando detenidamente miles de corales individuales, le ayuda a ver cosas que nunca habría podido observar en el campo. "Aprendí mucho buceando y nunca cambiaría esas experiencias, pero la mayoría de mis conocimientos se han obtenido frente a una computadora mientras digitalizaba estas imágenes, " él dijo.

"Es exactamente esta oportunidad para nuevas observaciones y nuevos conocimientos lo que es necesario para impulsar la ciencia hacia adelante, ", Agregó Edwards." Estoy realmente honrado y emocionado de ser parte de esto ".