Morfología digital del coral
Avanzar en la conservación y restauración de los corales explorando la estructura y complejidad de los arrecifes
Los corales proporcionan la estructura física que sustenta una asombrosa y vasta diversidad de vida en un ecosistema de arrecifes, pero la persistencia de estas complejas estructuras está muy influida por los cambios en la química oceánica y el medio ambiente. Utilizando un arsenal de tecnologías de vanguardia e innovación el Laboratorio Digital de Morfología Coralina del Programa Coralino del AOML trata de caracterizar, cuantificar y supervisar los cambios en la estructura física de los corales y las estructuras arrecifales a raíz del cambio climático y el aumento de los factores de estrés ambiental.
Quiénes somos
Nuestro laboratorio
Los corales y los arrecifes de coral son estructuralmente complejos. Corales ramificados, incrustantes, en forma de mesa, de cerebro y de montículo, no hay dos colonias iguales. Incluso en el interior de los esqueletos de estos corales, gusanos, esponjas y mejillones forman redes de agujeros a medida que disuelven sus esqueletos. En los grandes ecosistemas arrecifales, la topografía de la superficie y las elevaciones pueden cambiar drásticamente, desde llanuras arrecifales a pendientes, formaciones de espolones y surcos o lechos planos de escombros. Tenemos que medir, caracterizar y supervisar estas complejas características, una tarea nada fácil si tenemos en cuenta la diversidad de formas y tamaños presentes en un arrecife.
Para hacer frente a este reto y avanzar en los campos de la ecología y la conservación de los arrecifes de coral, utilizamos nuevas tecnologías digitales. Utilizamos el escaneado 3D y la macro y microtomografía computarizada (TC) para recopilar datos de objetos tan grandes como los arrecifes de coral hasta tan pequeños como las estructuras internas de los pólipos de coral. La fotogrametría de estructura a partir del movimiento (SFM) y la cartografía tridimensional se emplean para evaluar la complejidad estructural de los arrecifes, la cobertura coralina bentónica y caracterizar los hábitats para varias iniciativas de gestión y conservación en curso.
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Escaneado 3D
Nuestro equipo utiliza el escaneado 3D para obtener imágenes de alta resolución de los corales con mediciones precisas de su superficie y volumen. El escaneado repetido de fragmentos de coral nos permite seguir los cambios en su crecimiento a lo largo del tiempo y en respuesta a las distintas condiciones ambientales.
Kenzie Cooke, becaria del Programa Coral, escanea un fragmento de Acropora cervicornis (coral cuerno de ciervo) para producir una imagen en 3D.
El proceso
El seguimiento de los cambios en la tasa de crecimiento de los corales a lo largo del tiempo (normalmente durante meses) también nos permite estandarizar las mediciones para especies y genotipos de coral específicos, identificando tasas de calcificación de referencia que pueden aplicarse a modelos a mayor escala.
Modelo 3D de Acropora cervicornis (coral cuerno de ciervo).
En nuestro Laboratorio Experimental de Arrecifes (ERL ), donde los fragmentos de coral se exponen a cambios en los factores de estrés ambiental (temperatura, pH y/o tratamientos de luz), el escaneado 3D permite a nuestro equipo evaluar cómo estos factores de estrés afectan a la tasa de crecimiento de un coral en alta resolución. El seguimiento de los cambios en la superficie y el volumen de un coral mediante el escaneado repetido de fragmentos expuestos a estos factores de estrés nos permite identificar qué genotipos pueden crecer mejor en condiciones variables.
El Laboratorio Experimental de Arrecifes (ERL) del Programa Coral
Tomografía computarizada (TC)
Los corales producen cada año una banda de esqueleto de alta densidad a medida que crecen, como los anillos de un árbol. Cada año producen una capa más densa que la anterior, y con la tomografía computarizada (TC) podemos medir la distancia entre esas bandas. Esto nos permite calcular sus tasas de crecimiento en el pasado reciente e histórico, y la cantidad de material que el coral ha depositado en ese año. Al mismo tiempo, las estructuras internas de los corales albergan una variedad de organismos conocidos como "bioeroders", y nuestro laboratorio analiza los ritmos a los que se erosionan los esqueletos coralinos.
Para lograrlo, empleamos tres estrategias clave que nos permiten examinar grandes extensiones de arrecife sin causar graves daños a los lugares que vigilamos:
- Extracción de núcleos de coral
- Despliegue de unidades de control de la bioerosión (BMU)
- Micro TC
El técnico en morfología digital Ben Chomitz cargando muestras de carbonato en el escáner CT.
Extracción de núcleos de coral para analizar las tasas de crecimiento
El proceso
Los núcleos de coral son muestras cilíndricas extraídas de arrecifes existentes que proporcionan información clave sobre la estructura interna y el crecimiento histórico a escala de décadas.
Los núcleos de coral extraídos se colocan en la máquina de TC médica del AOML para ser escaneados.
Con esta imagen escaneada, tiramos de un hilo virtual a través de cada uno de los pólipos a medida que crecen unos sobre otros a lo largo de los años. Este hilo representa el eje de crecimiento del coral. Midiendo la longitud de esta línea entre cada una de las bandas de crecimiento podemos obtener la extensión lineal del coral.
Los pólipos visibles en la superficie de un arrecife constituyen el crecimiento más reciente del coral y el extremo vivo del núcleo.
Como la máquina de TC ve la densidad, podemos medir la distancia entre estas bandas para obtener la tasa de crecimiento de cada año de vida de la colonia de coral. Podemos calcular la cantidad de material de carbonato cálcico que el coral acumula cada año midiendo la densidad del núcleo entre las bandas de crecimiento.
Este gráfico muestra la densidad del coral a lo largo del eje de crecimiento de la colonia, es decir, el hilo virtual que atraviesa el núcleo. Cada "pico" es una banda de alta densidad, la distancia entre esos picos es cuánto ha crecido el coral en un año. La distancia entre los picos multiplicada por la densidad media del coral entre los picos es la tasa de calcificación.
Nuestro laboratorio cuenta con más de 2.000 testigos procedentes de todas partes, principalmente de los arrecifes de los Cayos de Florida. El análisis continuado de estos núcleos nos permite medir las tasas históricas de crecimiento y calcificación de los corales. Además, dado que conocemos la cronología relativa del crecimiento de los corales, podemos establecer una correlación entre los fenómenos climáticos del pasado y las características de crecimiento de los corales, lo que nos permite saber no sólo lo que ocurrió en el pasado, sino también cómo pueden responder los corales a un clima cambiante en el futuro.
Unidades de control de la bioerosión (BMU)
Utilizamos unidades de control de la bioerosión (BMU) para medir directamente la velocidad a la que los organismos marinos erosionan la estructura del arrecife en nuestros lugares de estudio. Una BMU es un bloque de coral que se pesa, mide y escanea cuidadosamente antes de su colocación en el fondo marino.
BMU antes del despliegue BMU en recuperación
A continuación, se pesan las BMU y se escanean de nuevo con la máquina CT. Comparando los escáneres previos y posteriores, podemos cuantificar con precisión el volumen de material acumulado (producido) o erosionado de las estructuras arrecifales en el lugar del estudio. También podemos identificar los organismos responsables de estos cambios (almejas, esponjas, gusanos, etc.). Estos datos proporcionan un contexto real para la modelización predictiva y los experimentos de laboratorio llevados a cabo por el Programa Coral del AOML.
La estructura interna de una BMU tras su despliegue sobre el terreno.
Cuando las BMU se recuperan entre dos y cuatro años después, los organismos marinos que construyen y descomponen la estructura del arrecife las incrustan y erosionan internamente.
Antes del despliegue Después del despliegue
"Hay todo un ecosistema que vive dentro de la estructura carbonatada de los corales, y la gente no le presta tanta atención. Se pueden ver los caminos de los gusanos, el número de almejas, la cantidad de esponjas erosionadas y podemos hacernos una idea real de qué animales viven dentro de los propios corales." - Ben Chomitz, Técnico de Morfología Digital
La máquina Micro-CT se utiliza para la medición y observación de estructuras a escala micrométrica. Aunque inicialmente los núcleos de coral y las BMU se cortaban en trozos más pequeños para examinar las bandas de crecimiento, los avances de nuestro laboratorio y la integración de la máquina Macro-CT nos permitieron ampliar nuestro uso de la Micro-CT a más investigaciones en química oceánica, examinando los esqueletos de microorganismos marinos con como formaníferas, diatomeas y otros con esqueletos calcificados de carbonato. El Micro - CT nos permite medir la densidad de estos organismos a medida que empezamos a analizar cómo influyen en la química oceánica y en los procesos naturales.
Explicación de la fotogrametría y los mosaicos
La evaluación de los cambios en la cobertura coralina y la abundancia de especies específicas, la bioerosión y la respuesta de los arrecifes a factores de estrés ambiental, como la decoloración masiva durante largos periodos de tiempo, son algunas de las muchas posibilidades que ofrece la fotogrametría SFM.
Photomosaic Fly - A través de las rocas Cheeca
La oceanógrafa Kayelyn Simmons, Ph.D., con un póster que muestra un modelo de ortomosaico de un arrecife de coral.
Realización de encuestas con fotomosaicos
La capa azul muestra la zona del arrecife cubierta con la cámara tras moverse en un patrón de cortadora de césped por la zona. Esta zona se cubre repetidamente al realizar estudios de fotomosaico sobre el terreno.
Los buceadores científicos utilizan cámaras de alta resolución para captar imágenes que se utilizan para construir modelos en 3D nadando en un patrón de cortadora de césped horizontalmente por encima del sustrato del arrecife.
La doctora Kayelyn Simmons analiza el fotomosaico del arrecife obtenido en el estudio.
Las imágenes adquiridas se cargan en el programa informático Metashape Agisoft v1.8 para producir dos tipos de imágenes que permiten examinar la complejidad tridimensional y los detalles minuciosos de estos ecosistemas bentónicos:
- Modelos digitales de elevación
- Modelos de ortomosaicos
Modelos digitales de elevación (MDE)
Modelo digital de elevación con barras de escala y puntos de control del terreno. Puntos de control del terreno utilizados para georreferenciar los modelos.
Los MDE ayudan a responder preguntas sobre el crecimiento estructural (acreción) y la erosión de los arrecifes a lo largo del tiempo. En concreto, los MDE nos permiten observar los cambios en la acreción y erosión del carbonato cálcico, cuantificar las métricas de complejidad del hábitat (es decir, rugosidad, aspereza, espacio de refugio) y los cambios en la profundidad del sedimento tras los impactos de factores de estrés antropogénicos (es decir, humanos) como el dragado o los factores de estrés naturales (es decir, huracanes).
Modelos de ortomosaicos
Ortomosaico del modelo 3D Cheeca Rocks 2020. Ayuda a responder preguntas sobre el crecimiento estructural del arrecife (acreción) y la erosión a lo largo del tiempo.
Los ortomosaicos de alta resolución ayudan a cuantificar la cobertura bentónica, como el porcentaje de cobertura de corales y esponjas a nivel de especie, así como a rastrear y supervisar la propagación de enfermedades coralinas o el éxito de las nuevas especies de coral trasplantadas en el espacio y el tiempo. Este método se utiliza actualmente en el AOML para apoyar varios proyectos en curso, como la Misión de Arrecifes Icónicos de la Oficina de Santuarios Marinos Nacionalesde la NOAA y el Programa Nacional de Vigilancia de Arrecifes de Coral de la NOAA.
Seguimiento de los arrecifes de Florida mediante modelos de fotomosaico
Cheeca Rocks, un arrecife de coral costero poco profundo y lugar de seguimiento climático a largo plazo del Programa Nacional de Vigilancia de Arrecifes de Coral (NCRMP), se inspecciona con frecuencia para producir fotomosaicos que sigan los cambios en la estructura del arrecife a lo largo del tiempo.
Cuando se descubrió que el arrecife estaba completamente blanqueado debido a la persistente ola de calor marina de 2023, nuestro equipo actuó con rapidez para realizar estudios de fotomosaicos con el fin de evaluar el alcance del blanqueamiento.
Modelo de ortomosaico de las rocas Cheeca (postblanqueo)
Modelo de ortomosaico de las rocas Cheeca (antes del blanqueo)
La evaluación continuada tras el episodio de blanqueamiento de 2023 contribuye aún más a nuestra capacidad para seguir la recuperación de los corales con imágenes de alta resolución y tecnología punta, haciendo avanzar nuestros conocimientos sobre la capacidad de recuperación de los corales gracias a una innovación pionera.
Repercusiones de la investigación y conclusiones principales
Las aplicaciones de estas tecnologías son ilimitadas e informan de intereses como las variabilidades genotípicas en las tasas de crecimiento de los organismos en determinadas condiciones ambientales, las interacciones espaciales entre especies a lo largo del tiempo y las diferencias en las densidades de los esqueletos de corales de distintas localidades, todo lo cual hace avanzar la comprensión científica con el objetivo de informar las decisiones de gestión.
La fotogrametría de estructura a partir del movimiento (SFM) proporciona datos espaciales a escala fina de las comunidades de arrecifes de coral y esponjas antes del dragado de canales, las intervenciones en corales y otros esfuerzos de gestión adaptativa. El enfoque combinado de los estudios realizados por buceadores y la fotogrametría apoya los esfuerzos de seguimiento y restauración a largo plazo en el espacio y el tiempo.
Publicaciones destacadas
Variación espacio-temporal de los conjuntos coralinos y de la complejidad del hábitat del arrecife en los arrecifes poco profundos del Santuario Marino Nacional de los Cayos de Florida
Kayelyn R. Simmons, DelWayne R. Bohnenstiehl y David B. Eggleston
Con la degradación y pérdida sin precedentes de los arrecifes de coral a múltiples escalas, los cambios subyacentes en las características abióticas y bióticas relevantes para la arquitectura tridimensional de los arrecifes de coral son fundamentales para la conservación y la restauración. Este estudio caracterizó la variación espaciotemporal de las métricas de hábitat en ocho sitios de arrecifes delanteros que representan tres zonas de gestión en los Cayos de Florida, Estados Unidos, utilizando encuestas visuales de hábitat (2017-2018) adquiridas antes y después del huracán Irma. Después del huracán, cinco de esos sitios fueron inspeccionados utilizando fotogrametría de estructura a partir del movimiento para investigar más a fondo la morfología del coral en la complejidad estructural. Los resultados multivariados de los estudios visuales identificaron una separación moderada entre los sitios, con sitios de pesca caracterizados por características físicas complejas como profundidad y relieve vertical duro, mientras que los sitios protegidos generalmente albergaban altas abundancias de cobertura de coral vivo.
Descargue el documento completo: https://doi.org/10.3390/d14030153
Tomografía computarizada:
Manzello, D., Enochs, I.C., Kolodziej, G., Carlton, R. "Coral growth patterns of Montastrea cavernosa y Porites astreoides en los Cayos de Florida: The importance of thermal stress and inimical waters". Revista de biología y ecología marina experimental 471, 198 - 207 (2015). https://doi.org/10.1016/j.jembe.2015.06.010
Manzello, D., Enochs, I.C., Kolodziej, G., Carlton, R. "Recent decade of growth and calcification of Orbicella faveolata in the Florida Keys: an inshore-offshore comparison". Serie de proyectos de ecología marina 521, 81-89 (2015). doi: 10.3354/meps11085
Groves, S.H., Holstein, D.M., Enochs, I.C. et al. "Growth rates of Porites astreoides y Orbicella franksi in mesophotic habitats surrounding St. Thomas, US Virgin Islands". Coral Reefs 37, 345-354 (2018). https://doi.org/10.1007/s00338-018-1660-7
Enochs, I., et al. "Volcanic Acidification of a Coral Reef at Maug Island: Influences on Biological Processes and Ecosystem Structure". Unión Geofísica Americana (2016): AH52A-02. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2016AGUOSAH52A..02E
Escaneado 3D:
Enochs, I.C., et al. "The influence of diel carbonate chemistry fluctuations on the calcification rate of Acropora cervicornis bajo condiciones actuales y futuras de acidificación". Revista de biología y ecología marina experimental 506, 135 - 143 (2018). https://doi.org/10.1016/j.jembe.2018.06.007
Fotogrametría:
Gintert, B.E., Manzello, D.P., Enochs, I.C. et al. "Marked annual coral bleaching resilience of an inshore patch reef in the Florida Keys: ¿Una pepita de esperanza, una aberración o el último hombre en pie?". Coral Reefs 37, 533-547 (2018). https://doi.org/10.1007/s00338-018-1678-x
Simmons, K.R., Bohnenstiehl, D.R., Eggleston, D.B. "Spatiotemporal Variation in Coral Assemblages and Reef Habitat Complexity among Shallow Fore-Reef Sites in the Florida Keys National Marine Sanctuary". Diversidad 2022, 14, 153. https://doi.org/10.3390/d14030153
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