Scanner en 3D des coraux vivants pour étudier l'impact des microplastiques et du changement climatique

À l’échelle planétaire, on estime entre 7 000 et 8 000 le nombre d’espèces de jeunes poissons d’eau de mer qui trouvent refuge dans les écosystèmes marins complexes et variés que sont les récifs de corail. Entourés d'une nourriture abondante qui tournoie autour d’eux, les petits poissons peuvent se cacher des grands prédateurs dans les nombreuses crevasses et passages sinueux du récif.

Contrairement aux idées reçues, les coraux sont des êtres fragiles bien vivants. Chaque corail est constitué de centaines, voire de milliers de petites créatures appelées « polypes ». Les polypes font en général entre 1 et 10 millimètres de long, sont aussi épais qu'une pièce de monnaie et possèdent une structure extérieure souple qui recouvre leur exosquelette dur en calcaire.

Plan rapproché d'un corail digitiforme (Stylophora pistillata). Photo gracieusement fournie par Jessica Reichert

Menacés d’extinction

Soumis à des pressions environnementales incessantes, plus de la moitié des récifs coralliens du monde entier ont disparu depuis les années 1950 en raison du changement climatique, de la surpêche et de la pollution. Parmi les survivants, jusqu’à 90 % pourraient ne pas survivre aux cent prochaines années.

Si tous les coraux disparaissent, les poissons mourront eux aussi. Leur extinction serait irréversible.

Sans oublier les conséquences étendues qui se feraient ressentir à travers le monde, notamment la perte de millions de poissons et autres créatures marines ainsi que des dizaines de secteurs d’activité qui dépendent de leur approvisionnement constant.

Les coraux entrent dans la composition de nombreux médicaments prescrits pour traiter la maladie d’Alzheimer, différents cancers, des maladies cardiaques, etc.

Le Dr Jessica Reichert et plusieurs chercheurs de l’Université de Giessen étudient les effets à long terme du changement climatique sur diverses espèces de coraux.

Jessica Reichert, Artec Spider et un corail digitiforme (Stylophora pistillata). Photo gracieusement fournie par Jessica Reichert

Leurs recherches sont rendues possibles par l’installation Ocean2100, qui permet aux scientifiques de simuler des scénarios de changement climatique mondial et d’étudier leurs effets sur les coraux, les récifs et les organismes qui y vivent.

L'installation Ocean2100 à l’Université de Giessen. Photo gracieusement fournie par Patrick Schubert

Créer les bonnes conditions

L’installation spéciale peut contenir près de 9 000 litres d’eau de mer et est constituée de 18 aquariums de 265 litres chacun, contrôlés séparément et surveillés 24h/24 et 7j/7.

C’est là que les chercheurs recréent des conditions similaires à celles dans lesquelles vivent les coraux, par exemple une température de l’eau plus élevée, des taux d’acidification variables, la présence de microplastiques, etc.

Divers types de microplastiques de différentes tailles. Photo gracieusement fournie par Jessica Reichert

Jessica Reichert et son équipe travaillent actuellement avec 30 espèces de coraux durs et une vingtaine d’autres types d'organismes vivant dans les récifs.

Les coraux sont des créatures véritablement remarquables. Bien que les polypes d'un corail meurent, le corail peut en théorie vivre plusieurs siècles. Voilà pourquoi les études à long terme portant sur différentes espèces de coraux sont cruciales. Les études traditionnelles de 60 à 90 jours ne sont pas suffisamment longues pour mesurer et comprendre les changements physiques à l'œuvre.

Même si ces études duraient plus longtemps, les instruments de mesure d’une équipe de recherche peuvent influer sur la précision des résultats. La croissance de la colonie est un des paramètres les plus importants qui aident les scientifiques à étudier l’impact du stress sur les coraux.

Récifs coralliens à Bali (Indonésie). Photo gracieusement fournie par Jessica Reichert

Toutefois, les approches avec de la cire chaude ou du papier aluminium traditionnellement adoptées pour déterminer les dimensions d'un corail rendent presque impossible la prise de mesures précises et répétées du moindre corail vivant.

Bien que ces deux méthodes soient encore appliquées aujourd'hui, leurs limites sautent aux yeux. Le processus à la cire chaude nécessite de plonger le corail dans un bassin de paraffine brûlante puis de mesurer le poids augmenté par la coque de cire une fois celle-ci complètement sèche.

Malheureusement, le corail ne survit jamais à cette étape. Les mesures ultérieures doivent donc être prises sur un corail voisin aux dimensions différentes.

S'il est possible d’utiliser du papier aluminium pour effectuer des mesures similaires mais bien moins précises, pour que le corail survive à cette épreuve, le chercheur devrait bouger très lentement pendant de longues périodes de temps et les résultats produits auraient une précision loin d’être suffisante pour quantifier la vitesse de croissance lente d'un corail (entre 0,8 et 5 mm par mois).

Une nouvelle technologie à la rescousse

Depuis plusieurs années maintenant, les chercheurs de l’Université de Giessen n’utilisent plus ces deux méthodes dépassées. Au lieu de quoi ils ont complètement adopté le scan 3D avec Artec Spider comme technique de mesure de prédilection.

Artec Spider et un corail bleu (Heliopora coerulea) avant le scan. Photo gracieusement fournie par Jessica Reichert

Grâce aux contacts minimes, non seulement l’ensemble des coraux survivent à chaque session de mesure mais moins d'une minute à peine est nécessaire pour effectuer un scan complet.

Cette méthode a un effet considérable sur la productivité des chercheurs. « En général, je scanne environ 50 coraux en un après-midi, ou 100 en une journée, explique Jessica Reichert. Nous n’avions jamais pu travailler aussi rapidement par le passé, sans parler de la sécurité désormais garantie à 100 % du corail. »

« Un projet de scan de longue durée comprenait 300 coraux, poursuit-elle. Il fallait les scanner ensemble, donc si j’avais dû m’y prendre à l’ancienne, sans notre Spider, j’aurais dû faire appel à de nombreux chercheurs pour mesurer les coraux ou bien j’aurais dû me résigner à un niveau de précision inférieur car je n’aurais tout simplement pas été capable de tous les mesurer en aussi peu de temps. »

En ce qui concerne le processus de scan, Jessica Reichert effectue tous les scans en une fois et seulement ensuite les traite dans le logiciel Artec Studio.

Scan d’un corail vinaigrier (Acropora humilis) avec Artec Spider. Photo gracieusement fournie par Jessica Reichert

Le scan nécessite la présence de deux chercheurs, dont un manipule le corail à peine sorti de l’aquarium et placé sur un plateau tournant tandis que l’autre le scanne avec Spider.

Les chercheurs ont également mis au point une méthode originale pour positionner certains types de coraux à l’aide de cure-dents et d’aiguilles. Celle-ci leur permet de scanner le corail entier de haut en bas sans devoir le repositionner une seule fois.

La capacité de Spider à scanner à travers l'humidité s’est également révélée utile. « Même si les coraux sont humides, Spider les numérise correctement sans problème de réflexion, commente Jessica Reichert. Nous avons découvert cela en testant les paramètres du scan. »

« Grâce à Spider, nous pouvons personnaliser les paramètres, ce qui nous permet de scanner tout ce que nous voulons, poursuit-elle. De cette façon, ce qui peut être impossible à numériser avec un autre scanner devient possible avec Spider. »

À titre d’exemple, lorsqu'ils scannent des coraux complexes brillants, ils appliquent une sensibilité plus élevée pour capter les structures les plus petites. À l’inverse, avec les coraux plus foncés et très simples, ils diminuent la sensibilité. Dès le départ, l’équipe a dressé la liste des réglages optimaux du scanner pour chaque espèce de corail.

Captures d’écran d'un scan de Spider (sans et avec texture) d'un corail digitiforme (S. pistillata). Photo gracieusement fournie par Jessica Reichert

Après le traitement des scans dans Artec Studio, les modèles 3D du corail sont généralement exportés au format OBJ dans MeshLab. L’équipe a créé ses propres scripts Python pour analyser automatiquement la superficie et le volume des modèles de coraux.

D’autres possibilités significatives sont apparues pour les scans de Spider. Un collègue brésilien, le mathématicien André R. Backes, a ainsi développé un programme en C pour analyser les dimensions fractales du corail, principalement dans le but d’étudier la complexité des coraux et les similarités qui existent entre eux.

La dernière étude en date des chercheurs révèle que le taux croissant de microplastiques dans les océans du monde entier a un effet direct sur la croissance et la santé des coraux. Les coraux nettoient l’eau qui les entoure en avalant les microplastiques présents, qu'ils prennent pour de la nourriture, et en les enveloppant à l’intérieur de leur squelette.

Microplastiques incrustés dans le squelette en carbonate de calcium d'un corail. Photo gracieusement fournie par Jessica Reichert

Approfondir les recherches sous-marines

Contrairement à ce qu'on pense souvent, les principaux responsables des microplastiques ne sont pas les articles de luxe comme les gels douche et les cosmétiques. Les premiers coupables sont en réalité l’usure des pneus de voiture, les vêtements synthétiques et les particules de peinture.

Jessica Reichert et son équipe étudient également la question de savoir si les microplastiques ingérés par les coraux fragilisent la structure de ceux-ci et les font se briser plus facilement. Si cette hypothèse est confirmée, elle mettra encore davantage en évidence le fait que les littoraux à travers le monde risquent de perdre la seule chose qui se dresse entre eux et les tempêtes ou les tsunamis : les récifs coralliens.

Outre les dégâts environnementaux, des études ont prouvé que les microplastiques étaient neurotoxiques et même capables de modifier notre ADN.

« Nous examinons les répercussions futures, ce qui se produira dans 10 ou 20 ans si nous n’éliminons pas ou ne réduisons pas sensiblement les microplastiques dès aujourd'hui, explique Jessica Reichert. Nous devons changer de cap. Nous avons la capacité et la responsabilité de nous y atteler immédiatement. »

La chercheuse et ses collègues se concentrent également sur les effets du changement climatique sur les coraux, notamment le réchauffement des eaux et l’augmentation de la quantité de CO₂ dans l’eau de mer. Ils prêtent particulièrement attention à l’acidification des océans car celle-ci influe fortement sur la formation du squelette du corail.

Les chercheurs étudient en outre si ces changements morphologiques du corail ont un impact sur l’action des vagues. Les coraux étant fortement influencés par leur environnement, la présence d'un courant fort dans l’eau les fera croître différemment qu’en cas de courants faibles ou modérés.

Dans cette optique, un collègue de Jessica Reichert, Juan David Osorio Cano, I.C, M. Ing, PhD, de l’Université nationale de Colombie, Sede Caribe, Groupe d'investigation en océanographie et en ingénierie côtière (OCEÁNICOS), imprime des modèles de coraux en 3D à partir des scans de Spider faits par la chercheuse et les utilise dans un canal pour étudier les effets du changement de forme des coraux sur le flux d’eau qui les entoure.

Préparation du modèle 3D d’un corail digitiforme (S. Pistillata) dans Blender avant son impression 3D. Photo gracieusement fournie par Juan David Osorio Cano

En utilisant des coraux imprimés en 3D, les chercheurs obtiennent les dimensions précises du corail à chaque expérience. Les variables de taille et de forme restent ainsi constantes sans risque de mauvaise manipulation du corail qui entraînerait sa mort.

« Je n’exagère pas en disant que cette recherche serait impossible sans le scan 3D avec Spider, souligne Jessice Reichert. Auparavant, nous n’avions jamais été capables de suivre aussi précisément ces changements de croissance et de forme du corail. Désormais, nous en avons le pouvoir. »

Et d’ajouter : « En examinant un corail, l'œil averti remarque si sa forme a changé mais ce n’est pas suffisant d'un point de vue scientifique. Grâce à notre scanner Spider, nous pouvons mesurer cela quantitativement pour montrer exactement à quel point la forme a changé et de quelles façons précisément. C’est seulement à ce moment-là que nous pouvons commencer à comprendre ce qui se passe et pourquoi. »

Corail digitiforme (S. Pistillata) imprimé en 3D et prêt pour des études sur les flux d’eau. Photo gracieusement fournie par Juan David Osorio Cano

Jessica Reichert et son équipe continuent à étudier de nombreuses espèces de coraux à l'Université de Giessen.

Il leur reste toutefois encore beaucoup à découvrir : les diverses façons dont un corail peut changer de forme, les facteurs à l’origine de ces changements, la meilleure façon d’appliquer ces connaissances au niveau de l’écosystème corallien et, enfin, la manière dont la complexité du récif sera touchée et les conséquences pour les poissons qui vivent dans ces récifs et, en définitive, pour nous-mêmes.