Naarmate koraalriffen verslechteren als gevolg van klimaatverandering, een interdisciplinair onderzoeksteam van Northwestern Engineering heeft een innovatieve methode ontwikkeld om structuren op nanoschaal van koraal in beeld te brengen en pigmentabsorptie in levende koralen te kwantificeren, een indicator voor de gezondheid van koralen. Het beeldvormingsplatform kan een waardevol hulpmiddel worden om mariene biologen te helpen de koraalfysiologie beter te begrijpen en de gezondheid van koralen te meten en te monitoren.

Rifbouwende koralen bieden onderdak aan meer dan 1 miljoen soorten in onze oceanen. Maar de stijgende oceaantemperaturen hebben geleid tot koraalverbleking, een fenomeen waarbij koralen hun levengevende algen verdrijven, de gezondheid en het voortbestaan ​​van kolonies in gevaar brengen.

"Koraalriffen bieden cruciale ecosystemen, maar ze verbleken in een alarmerend tempo als gevolg van de opwarming van de aarde, " zei Luisa Marcelino, onderzoeksassistent-professor civiele en milieutechniek bij Northwestern Engineering. "Om strategieën te ontwikkelen om de dood van koraalriffen te voorkomen, het is van cruciaal belang om de mechanismen van bleken te begrijpen. Echter, er zijn momenteel geen middelen om levend koraalweefsel in beeld te brengen vanwege de complexiteit van de structuur."

Het team van de McCormick School of Engineering publiceerde zijn inzichten in een paper getiteld "Measuring Light Scattering and Absorption with Inverse Spectroscopic Optical Coherence Tomography (ISOCT):A New Tool for Non-invasive Monitoring" op 2 oktober in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten . Marcelino was de co-corresponderende auteur van de studie, samen met Vadim Backman, Walter Dill Scott hoogleraar biomedische technologie.

Het onderzoek borduurt voort op het eerdere werk van Marcelino en Backman bij het bestuderen van koraal, waaronder het ontwikkelen van een kwantitatieve koraalbleekresponsindex in 2016. De eerste database in zijn soort, de index gebruikte historische gegevens om de statistische massadichtheidsverdeling van koraalskeletten te meten, een eigenschap die verband houdt met gevoeligheid voor bleken. De index geeft ook aan welke van 's werelds koraalsoorten het meeste risico lopen te verbleken en het meest waarschijnlijk zullen vergaan als gevolg van thermische stress veroorzaakt door opwarmende oceanen.

Toen de koraalindex werd gemaakt, het team kon koraalmonsters niet niet-invasief in beeld brengen. De nieuwe beeldtechniek, genaamd inverse spectroscopische optische coherentietomografie (ISOCT), gebruikt lasers om levend koraal te scannen en de optische eigenschappen ervan te meten met volledige 3D-resolutie.

"We hebben oorspronkelijk ISOCT ontwikkeld om menselijke weefsels in beeld te brengen om veranderingen in vroege carcinogenese beter te begrijpen, " zei Backman, die leidt Northwestern's Center for Physical Genomics and Engineering. "We moesten het aanpassen en verbeteren voor beeldvorming van koralen, die een opwindend voorbeeld van kruisbestuiving in wetenschap en technologie opleverde."

ISOCT biedt niet alleen meer duidelijkheid in de statistische massadichtheidsverdeling van het skelet en weefsel van verschillende koraalsoorten, het kwantificeert ook de chemische concentratie in koraal, inclusief niveaus van chlorofyl en andere fluorescerende pigmenten.

"Koralen hebben zich door evolutie aangepast om op een specifieke manier licht te oogsten. Naarmate de omgeving verandert en de oceanen warmer worden, het vermogen om zich aan die veranderingen aan te passen kan worden beïnvloed door hun basale fysiologie, " zei Graham Spicer (Ph.D. '19), een co-eerste auteur van de studie en voormalig Ph.D. student in het laboratorium van Backman. "ISOCT biedt ruimtelijk opgeloste informatie, zodat we precies kunnen bestuderen hoe koraalsoorten zich beter dan andere kunnen aanpassen aan veranderingen in het milieu."

Door nieuwe inzichten te verschaffen in hoe koraal zich aanpast aan omgevingsstress, het team is van mening dat ISOCT mariene biologen kan helpen nieuwe strategieën te ontwikkelen om bijzonder gevoelige soorten te beschermen tegen verbleking als gevolg van klimaatverandering.

"De nieuwe beeldvormingstechniek biedt de eerste uitgebreide analyse van de structuur en functie van levende koralen, wat een cruciale stap is om beter te begrijpen hoe koralen verbleken en afsterven, "Zei Backman. "Het begrijpen van deze processen kan helpen bij het ontwerpen van strategieën om koraalverbleking te vertragen of te voorkomen."

Spicer voegde eraan toe dat een beter begrip van koralen ook nieuwe kansen zou kunnen bieden op een ander milieufront:zonne-opname.

"Koralen hebben zich in de loop van miljoenen jaren aangepast om op een optimale manier licht te oogsten gezien hun omgeving, Spicer zei. "Als we de mechanismen waarmee koralen via evolutie zijn geoptimaliseerd om licht te oogsten, volledig zouden kunnen begrijpen, we zouden vergelijkbare strategieën kunnen ontwikkelen als basis voor oplossingen om zonne-energie te oogsten."