A medida que los arrecifes de coral se deterioran ante el cambio climático, un equipo de investigación interdisciplinario de Northwestern Engineering ha desarrollado un método innovador para obtener imágenes de estructuras a nanoescala de coral y cuantificar la absorción de pigmentos en corales vivos, un indicador de la salud de los corales. La plataforma de imágenes podría convertirse en una herramienta valiosa para ayudar a los biólogos marinos a comprender mejor la fisiología de los corales, así como a medir y monitorear la salud de los corales.

Los corales formadores de arrecifes albergan a más de 1 millón de especies en nuestros océanos. Sin embargo, el aumento de la temperatura del océano ha provocado el blanqueamiento de los corales, un fenómeno en el que los corales expulsan las algas que les dan vida, poniendo en peligro la salud y la sostenibilidad de las colonias.

"Los arrecifes de coral proporcionan ecosistemas de importancia crítica, pero se están blanqueando a un ritmo alarmante debido al calentamiento global, "dijo Luisa Marcelino, profesor asistente de investigación de ingeniería civil y ambiental en Northwestern Engineering. "Con el fin de desarrollar estrategias para prevenir la muerte de los arrecifes de coral, es fundamental comprender los mecanismos del blanqueamiento. Sin embargo, no existen medios actuales para obtener imágenes del tejido de coral vivo debido a la complejidad de su estructura ".

El equipo de la Escuela de Ingeniería McCormick publicó sus ideas en un artículo titulado "Medición de la dispersión y absorción de la luz con tomografía de coherencia óptica espectroscópica inversa (ISOCT):una nueva herramienta para el monitoreo no invasivo" el 2 de octubre en la revista Informes científicos . Marcelino se desempeñó como coautor correspondiente del estudio junto con Vadim Backman, Walter Dill Scott Catedrático de Ingeniería Biomédica.

La investigación amplía el trabajo anterior de Marcelino y Backman en el estudio del coral, que incluye el desarrollo de un índice cuantitativo de respuesta al blanqueamiento de los corales en 2016. La primera base de datos de este tipo, el índice utilizó datos históricos para medir la distribución estadística de la densidad de masa de los esqueletos de coral, un rasgo ligado a la susceptibilidad al blanqueamiento. El índice también detalla cuáles de las especies de coral del mundo tienen mayor riesgo de decoloración y más probabilidades de morir como resultado del estrés térmico causado por el calentamiento de los océanos.

Cuando se creó el índice de coral, el equipo no pudo obtener imágenes de muestras de coral de forma no invasiva. La nueva técnica de imagen, llamada tomografía de coherencia óptica espectroscópica inversa (ISOCT), utiliza láseres para escanear corales vivos y medir sus propiedades ópticas con una resolución tridimensional completa.

"Originalmente desarrollamos ISOCT para obtener imágenes de tejidos humanos con el fin de comprender mejor las alteraciones en la carcinogénesis temprana, "dijo Backman, quien dirige el Centro de Genómica e Ingeniería Física de Northwestern. "Tuvimos que adaptarlo y mejorarlo para obtener imágenes de coral, que produjo un ejemplo emocionante de polinización cruzada en ciencia y tecnología ".

ISOCT no solo proporciona una mayor claridad en la distribución estadística de la densidad de masa del esqueleto y los tejidos de diferentes especies de coral, también cuantifica la concentración química dentro del coral, incluidos los niveles de clorofila y otros pigmentos fluorescentes.

"Los corales se han adaptado a través de la evolución para recolectar luz de una manera específica. A medida que el medio ambiente cambia y los océanos se calientan, la capacidad de adaptarse a esos cambios podría verse afectada por su fisiología básica, "dijo Graham Spicer (Ph.D. '19), co-primer autor del estudio y ex Ph.D. estudiante en el laboratorio de Backman. "ISOCT proporciona información resuelta espacialmente, para que podamos estudiar exactamente cómo las especies de coral podrían adaptarse mejor que otras a los cambios ambientales ".

Al iluminar nuevos conocimientos sobre cómo el coral se adapta al estrés ambiental, el equipo cree que ISOCT podría ayudar a los biólogos marinos a crear nuevas estrategias para proteger a las especies particularmente susceptibles del blanqueamiento debido al cambio climático.

"La nueva técnica de imágenes proporciona el primer análisis completo de la estructura y función de los corales vivos, que es un paso fundamental para comprender mejor cómo se blanquean y mueren los corales, ", Dijo Backman." Comprender estos procesos puede ayudar a diseñar estrategias para ralentizar o prevenir el blanqueamiento de los corales ".

Spicer agregó que una mayor comprensión de los corales también podría presentar nuevas oportunidades en otro frente ambiental:la captura solar.

"Los corales se han adaptado durante millones de años para cosechar luz de una manera óptima dado su entorno, "Dijo Spicer." Si pudiéramos comprender completamente los mecanismos por los cuales los corales se han optimizado a través de la evolución para cosechar luz, podríamos desarrollar estrategias similares como base de soluciones para aprovechar la energía solar ".