När korallrev försämras inför klimatförändringarna, ett tvärvetenskapligt Northwestern Engineering forskargrupp har utvecklat en innovativ metod för att avbilda strukturer i korallnanoskala och kvantifiera pigmentabsorption i levande koraller, en indikator på korallhälsa. Bildplattformen kan bli ett värdefullt verktyg för att hjälpa marinbiologer att bättre förstå korallfysiologi samt mäta och övervaka korallhälsa.

Revbyggande koraller ger hem för mer än 1 miljon arter i våra hav. Ändå har ökande havstemperaturer gett upphov till korallblekning, ett fenomen där koraller driver ut sina livsgivande alger, äventyra koloniernas hälsa och hållbarhet.

"Korallrev ger kritiskt viktiga ekosystem, men de bleker i alarmerande takt på grund av global uppvärmning, "sa Luisa Marcelino, forskningsassistent professor i civil- och miljöteknik vid Northwestern Engineering. "För att utveckla strategier för att förhindra korallrevdöd, Det är viktigt att förstå blekningsmekanismerna. Dock, det finns inga aktuella medel för att avbilda levande korallvävnad på grund av dess komplexitet. "

Teamet från McCormick School of Engineering publicerade sina insikter i en uppsats med titeln "Measuring Light Scattering and Absorption with Inverse Spectroscopic Optical Coherence Tomography (ISOCT):A New Tool for Non-invasive Monitoring" den 2 oktober i tidskriften Vetenskapliga rapporter . Marcelino fungerade som medförsvarande författare till studien tillsammans med Vadim Backman, Walter Dill Scott Professor i biomedicinsk teknik.

Forskningen utvidgar Marcelino och Backmans tidigare arbete med att studera koraller, som inkluderar utveckling av ett kvantitativt korallblekningssvarindex 2016. Den första databasen i sitt slag, indexet använde historiska data för att mäta den statistiska massdensitetsfördelningen av korallskelett, en egenskap kopplad till blekbarhet. Indexet redogjorde också för vilka av världens korallarter som löper störst risk att bleka och som sannolikt kommer att gå under på grund av värmestress orsakad av uppvärmning av hav.

När korallindex skapades, laget kunde inte avbilda korallprover icke-invasivt. Den nya bildtekniken, kallad invers spektroskopisk optisk koherens tomografi (ISOCT), använder lasrar för att skanna levande koraller och mäta dess optiska egenskaper med full 3D-upplösning.

"Vi utvecklade ursprungligen ISOCT för att avbilda mänskliga vävnader för att bättre förstå förändringar i tidig cancerframkallande, sa Backman, som leder Northwestern's Center for Physical Genomics and Engineering. "Vi var tvungna att anpassa och förbättra det för korallbildning, som gav ett spännande exempel på korsbestämning inom vetenskap och teknik. "

ISOCT ger inte bara större klarhet i den statistiska massdensitetsfördelningen av skelettet och vävnaderna hos olika korallarter, det kvantifierar också den kemiska koncentrationen inom koraller, inklusive halter av klorofyll och andra fluorescerande pigment.

"Koraller har anpassat sig genom evolutionen för att skörda ljus på ett specifikt sätt. När miljön förändras och haven blir varmare, förmågan att anpassa sig till dessa förändringar kan påverkas av deras grundläggande fysiologi, "sa Graham Spicer (doktorand '19), en förste författare till studien och tidigare doktorand. student i Backmans laboratorium. "ISOCT ger rumsligt uppklarad information, så vi kan studera exakt hur korallarter kan anpassa sig bättre än andra till miljöförändringar. "

Genom att belysa nya insikter om hur koraller anpassar sig till miljöbelastningar, teamet tror att ISOCT kan hjälpa marinbiologer att skapa nya strategier för att skydda särskilt mottagliga arter från blekning på grund av klimatförändringar.

"Den nya bildtekniken ger den första omfattande analysen av levande korallers struktur och funktion, vilket är ett kritiskt steg mot bättre förståelse för hur koraller blekar och dör, "Backman sa." Att förstå dessa processer kan hjälpa till att utforma strategier för att sakta ner eller förhindra korallblekning. "

Spicer tillade att en större förståelse för koraller också kan ge nya möjligheter på en annan miljöfront - solfångst.

"Koraller har anpassat sig under miljontals år för att skörda ljus på ett optimalt sätt med tanke på sin miljö, "Spicer sa." Om vi ​​fullt ut kunde förstå de mekanismer genom vilka koraller har optimerats via evolution för att skörda ljus, vi kan utveckla liknande strategier som grunden för lösningar för att skörda solenergi. "