Alors que les récifs coralliens se détériorent face au changement climatique, une équipe de recherche interdisciplinaire Northwestern Engineering a développé une méthode innovante pour imager les structures à l'échelle nanométrique des coraux et quantifier l'absorption des pigments dans les coraux vivants, un indicateur de la santé des coraux. La plate-forme d'imagerie pourrait devenir un outil précieux pour aider les biologistes marins à mieux comprendre la physiologie des coraux ainsi qu'à mesurer et surveiller la santé des coraux.

Les coraux constructeurs de récifs abritent plus d'un million d'espèces dans nos océans. Pourtant, l'augmentation des températures des océans a provoqué le blanchissement des coraux, un phénomène où les coraux expulsent leurs algues vitales, mettant en péril la santé et la pérennité des colonies.

"Les récifs coralliens fournissent des écosystèmes d'une importance critique, mais ils blanchissent à des taux alarmants en raison du réchauffement climatique, " dit Luisa Marcelino, professeur adjoint de recherche en génie civil et environnemental à Northwestern Engineering. "Afin de développer des stratégies pour empêcher la mort des récifs coralliens, il est essentiel de comprendre les mécanismes du blanchiment. Cependant, il n'y a actuellement aucun moyen d'imager le tissu corallien vivant en raison de la complexité de sa structure."

L'équipe de la McCormick School of Engineering a publié ses conclusions dans un article intitulé "Measuring Light Scattering and Absorption with Inverse Spectroscopic Optical Coherence Tomography (ISOCT):A New Tool for Non-invasive Monitoring" le 2 octobre dans le journal Rapports scientifiques . Marcelino a été co-auteur de l'étude avec Vadim Backman, Walter Dill Scott Professeur de génie biomédical.

La recherche s'étend sur les travaux antérieurs de Marcelino et Backman sur le corail, qui comprend le développement d'un indice de réponse quantitatif au blanchissement des coraux en 2016. La première base de données du genre, l'indice a utilisé des données historiques pour mesurer la distribution statistique de la densité de masse des squelettes coralliens, un trait lié à la susceptibilité au blanchiment. L'indice a également détaillé quelles espèces de coraux du monde sont les plus menacées de blanchissement et les plus susceptibles de périr en raison du stress thermique causé par le réchauffement des océans.

Lors de la création de l'indice corallien, l'équipe n'a pas pu imager des échantillons de coraux de manière non invasive. La nouvelle technique d'imagerie, appelée tomographie par cohérence optique spectroscopique inverse (ISOCT), utilise des lasers pour scanner le corail vivant et mesurer ses propriétés optiques en pleine résolution 3-D.

"Nous avons initialement développé ISOCT pour imager les tissus humains afin de mieux comprendre les altérations de la cancérogenèse précoce, " dit Backman, qui dirige le Centre de génomique physique et d'ingénierie de Northwestern. « Nous avons dû l'adapter et l'enrichir pour l'imagerie des coraux, qui a produit un exemple passionnant de pollinisation croisée en science et technologie. »

Non seulement l'ISOCT fournit une plus grande clarté dans la distribution statistique de la densité de masse du squelette et des tissus de différentes espèces de coraux, il quantifie également la concentration chimique dans le corail, y compris les niveaux de chlorophylle et d'autres pigments fluorescents.

"Les coraux se sont adaptés au cours de l'évolution pour récolter la lumière d'une manière spécifique. À mesure que l'environnement change et que les océans se réchauffent, la capacité de s'adapter à ces changements peut être affectée par leur physiologie de base, " a déclaré Graham Spicer (Ph.D. '19), un co-premier auteur de l'étude et ancien Ph.D. étudiant dans le laboratoire de Backman. "ISOCT fournit des informations résolues spatialement, afin que nous puissions étudier exactement comment les espèces de coraux pourraient s'adapter mieux que d'autres aux changements environnementaux."

En éclairant de nouvelles connaissances sur la façon dont le corail s'adapte aux stress environnementaux, l'équipe pense que l'ISOCT pourrait aider les biologistes marins à créer de nouvelles stratégies pour protéger les espèces particulièrement sensibles du blanchissement dû au changement climatique.

"La nouvelle technique d'imagerie fournit la première analyse complète de la structure et de la fonction des coraux vivants, ce qui est une étape cruciale pour mieux comprendre comment les coraux blanchissent et meurent, " a déclaré Backman. " La compréhension de ces processus peut aider à concevoir des stratégies pour ralentir ou empêcher le blanchissement des coraux. "

Spicer a ajouté qu'une meilleure compréhension des coraux pourrait également présenter de nouvelles opportunités sur un autre front environnemental :la capture solaire.

"Les coraux se sont adaptés au fil des millions d'années pour récolter la lumière de manière optimale compte tenu de leur environnement, " Spicer a déclaré. " Si nous pouvions comprendre pleinement les mécanismes par lesquels les coraux ont été optimisés via l'évolution pour récolter la lumière, nous pourrions développer des stratégies similaires comme base de solutions pour récolter l'énergie solaire."