Scansionare in 3D i coralli per studiare l'impatto delle microplastiche e del cambiamento climatico

Le barriere coralline sono ecosistemi marini complessi e diversificati che in tutto il mondo fungono da casa a quasi 8.000 specie di giovani creature marine. Nella barriera corallina questi pesciolini sono letteralmente immersi in sostanze di cui cibarsi, e possono anche nascondersi dai grandi predatori tra le sue numerose fessure e gallerie.

Nonostante vengano spesso considerati alla stregua di rocce, i coralli sono creature vive e purtroppo molto fragili. Ogni corallo è costituito da centinaia o addirittura migliaia di piccole creature chiamate "polipi". Questi polipi vanno in genere da 1 a 10 millimetri di diametro, la grandezza di una moneta, e sono dotati di una struttura esterna morbida che copre il loro duro esoscheletro calcareo.

Primo piano di un corallo Stylophora pistillata. Immagine gentilmente concessa dalla dott.ssa Jessica Reichert

A rischio di estinzione

Da quando si è iniziato a misurarle negli anni '50, più della metà delle barriere coralline del mondo sono morte a causa del cambiamento climatico, della pesca eccessiva e dell'inquinamento. Delle rimanenti, fino al 90% potrebbe non sopravvivere ai prossimi 100 anni.

Se tutti i coralli muoiono, anche i pesci che le abitano si estingueranno, scomparendo per sempre.

L'impatto avrebbe ripercussioni in tutto il mondo: milioni di pesci e altre forme di vita marina moriranno, e le decine di industrie che dipendono dalla loro esistenza saranno costrette a chiudere.

Le barriere coralline sono una fonte essenziale di numerosi medicinali per il trattamento del morbo di Alzheimer, del cancro, delle malattie cardiache, ecc.

La dott.ssa Jessica Reichert fa parte di un team di ricercatori della Giessen University che studia gli effetti a lungo termine degli agenti stressanti del cambiamento globale su numerose specie di coralli.

Dr. Jessica Reichert, Artec Spider, e un corallo stylophora pistillata. Immagine gentilmente concessa dalla dott.ssa Jessica Reichert

Ciò è reso possibile dalla struttura Ocean2100 dell'università, che offre ai ricercatori la possibilità di simulare scenari di cambiamento climatico globale e studiarne gli effetti su coralli, barriere coralline e organismi che vivono al loro interno.

La struttura Ocean2100 della Giessen University. Immagine gentilmente concessa dal Dr. Patrick Schubert

Ricreare le giuste condizioni

L’acquario della struttura è stato appositamente progettato con una capacità totale di quasi 9.000 litri di acqua marina, ed è composto da 18 vasche da 265 litri controllate separatamente 24 ore su 24, 7 giorni su 7.

È qui che i ricercatori ricreano condizioni che imitano quelle che i coralli si trovano ad affrontare: l'aumento della temperatura dell'acqua, vari livelli di acidificazione, la presenza di microplastiche, ecc.

Vari tipi e dimensioni di microplastiche. Immagine gentilmente concessa dalla dott.ssa Jessica Reichert

Reichert e il suo team stanno attualmente lavorando su 30 specie di coralli duri e oltre 20 diversi tipi di altri organismi della barriera corallina.

I coralli sono creature davvero straordinarie. Anche se i singoli polipi corallini muoiono, un singolo corallo può teoricamente vivere per centinaia di anni. Questo è il motivo per cui gli studi a lungo termine sui cambiamenti nel corso del tempo di diverse specie di coralli sono fondamentali. I tradizionali studi di 60-90 giorni non sono abbastanza lunghi per misurare e comprendere i cambiamenti fisici in corso.

Anche se gli studi fossero più lunghi, l'accuratezza dei risultati di un team di ricerca dipende fortemente dagli strumenti di misurazione utilizzati. La crescita delle colonie è uno dei parametri che più aiuta gli scienziati a studiare gli impatti dello stress sui coralli.

Barriere coralline a Bali, Indonesia. Immagine gentilmente concessa dalla dott.ssa Jessica Reichert

Purtroppo, seguendo gli approcci tradizionali per stabilire le dimensioni dei coralli, utilizzando cera calda o del foglio di alluminio, prendere più misurazioni di un singolo corallo vivo con precisione è quasi impossibile.

Sebbene entrambi i metodi siano ancora in uso oggi, i loro limiti sono immediatamente evidenti. La procedura della cera calda consiste nell'immergere un singolo corallo in una vasca di paraffina bollente e, una volta asciugatosi, misurare il peso aggiunto del guscio di cera.

Sfortunatamente, il corallo non può sopravvivere al bagno di cera, quindi le misurazioni successive potranno essere prese solo su un altro corallo vicino simile, che avrà diverse dimensioni misurabili.

Anche se è possibile utilizzare il foglio di alluminio per effettuare una misurazione simile ma molto meno accurata (e che permette al corallo di sopravvivere a questo calvario), ciò costringe il ricercatore a operare con estrema lentezza, producendo risultati mai abbastanza sensibili da rilevare il lento tasso di crescita di un corallo (dagli 8 ai 5 mm al mese).

Introdurre nuove tecnologie

Ma gli specialisti di Giessen non utilizzano questi vecchi metodi ormai da anni. Utilizzano invece la scansione 3D con Artec Spider come unico metodo di misurazione, e ne sono molto soddisfatti.

Artec Spider insieme a un corallo heliopora coerulea in attesa di scansione. Immagine gentilmente concessa dalla dott.ssa Jessica Reichert

Non solo il contatto con lo scanner è ridotto al minimo, ma tutti i coralli sopravvivono a ogni sessione di misurazione, e una scansione completa richiede poco meno di un minuto.

Ciò si è tradotto un profondo impatto sulla loro produttività. Secondo le parole di Reichert, "Posso scansionare circa 50 coralli in un pomeriggio e 100 in un'intera giornata. Non abbiamo mai lavorato così velocemente in passato, per non parlare della garanzia che il corallo sarà al 100% al sicuro."

"In uno dei nostri progetti a lungo termine ci siamo trovati a scansionare 300 coralli. Dovevamo scansionarli in rapida successione, se avessimo dovuto farlo alla vecchia maniera, senza il nostro Spider, ci sarebbero voluti più ricercatori addetti alle misurazioni, o avremmo dovuto accontentarci di un livello ridotto di precisione, dato che sarebbe stato semplicemente impossibile misurarli tutti in un così breve lasso di tempo", ha detto Reichert.

In termini di flusso di lavoro di scansione, Reichert esegue tutte le scansioni contemporaneamente e solo in seguito elabora le scansioni nel software Artec Studio.

Scansione di un corallo acropora humilis con Artec Spider. Immagine gentilmente concessa dalla dott.ssa Jessica Reichert

Per la scansione è cruciale avere due ricercatori: uno porterà il corallo appena pescato dall'acquario su una tavola rotante per essere scansionato, mentre l'altro lo scansionerà con Spider.

Hanno anche sviluppato un metodo per posizionare alcuni tipi di corallo con aghi e stuzzicadenti che permette loro di scansionare l'intero corallo dalla testa ai piedi senza doverlo spostare nemmeno una volta.

Anche la capacità di Spider di scansionare le superfici umide si è dimostrata utile. Reichert ha detto: "Spider cattura bene anche i coralli bagnati, senza problemi in termini di riflettività. Lo abbiamo scoperto sperimentando con le impostazioni di scansione."

Ha continuato: "Spider offre impostazioni personalizzabili, quindi non rimaniamo mai bloccati, possiamo scansionare tutto. In questo modo, ciò che potrebbe essere impossibile da catturare con un altro scanner diventa possibile con Spider."

Per fare un esempio, durante la scansione di coralli dalle superifci chiare e complesse, utilizziamo un'impostazione di sensibilità più elevata per raccogliere anche le strutture più piccole e intricate. I coralli più scuri sono molto più semplici, con loro possiamo utilizzare una sensibilità inferiore. Il team ha stilato fin dall’inizio un elenco di impostazioni ottimali dello scanner per ciascuna delle specie di corallo.

Screenshot di una scansione di Spider (senza e con texture) di un corallo s. pistillata. Immagine gentilmente concessa dalla dott.ssa Jessica Reichert

Dopo aver elaborato le scansioni in Artec Studio, i modelli 3D del corallo vengono in genere esportati come file OBJ su MeshLab. I ricercatori hanno persino creato i loro script Python per analizzare automaticamente la superficie e il volume dei modelli di corallo.

Si sono aperte anche altre possibilità significative per le scansioni Spider. Un collega brasiliano, il matematico André R. Backes, ha sviluppato un programma in C per analizzare le dimensioni frattali del corallo, allo scopo di esaminarne la complessità, così come quanto sono simili l'uno all'altro.

Le loro ultime ricerche hanno rivelato che i crescenti livelli di microplastiche negli oceani di tutto il mondo stanno influenzando direttamente la crescita e la salute dei coralli. Allo stesso tempo, i coralli hanno la capacità di pulire l'acqua intorno a loro ingoiando le microplastiche (che percepiscono come cibo) e poi incapsulandole all'interno dei loro scheletri.

Microplastiche incorporate nello scheletro di carbonato di calcio di un corallo. Immagine gentilmente concessa dalla dott.ssa Jessica Reichert

Una migliore ricerca sottomarina

Contrariamente a quanto molti pensano, le maggiori fonti di microplastiche non sono oggetti di lusso come gel doccia e cosmetici. La stragrande maggioranza deriva dalla polvere di pneumatici di automobili, vestiti sintetici e particelle di vernice.

Reichert e il suo team stanno anche studiando se le microplastiche ingerite stiano indebolendo le strutture coralline e facendole rompere più facilmente. Se dimostrato, questo evidenzierà ulteriormente come le coste di tutto il mondo stiano correndo il rischio di perdere l'unica cosa che si frappone tra loro e gli assalti di tempeste e tsunami: le barriere coralline.

Oltre al danno ambientale, gli studi hanno dimostrato che le microplastiche sono neurotossiche e persino in grado di cambiare il nostro DNA.

Riferendosi a queste conseguenze, Reichert ha dichiarato: "Stiamo guardando agli impatti futuri, a cosa accadrà tra 10 o 20 anni se non eliminiamo o riduciamo drasticamente le microplastiche in questo momento. Dobbiamo cambiare rotta e abbiamo il potere e la responsabilità di iniziare a farlo immediatamente."

Un'altra priorità per Reichert e i suoi colleghi sono gli effetti del cambiamento climatico sul corallo, tra cui l'aumento di temperatura e del livello di CO₂ nell'acqua marina. In particolare l'acidificazione oceanica, poiché influenza fortemente il modo in cui si forma lo scheletro del corallo.

Si sta anche indagando se questi cambiamenti morfologici che avvengono nel corallo abbiano qualche influenza sul moto ondoso. I coralli sono fortemente influenzati dall'ambiente che li circonda: in presenza di una forte corrente cresceranno in modo diverso rispetto a quando le correnti sono deboli o moderate.

Indagando questo tema, un collega di Reichert, Juan David Osorio Cano, I.C, M. Ing, PhD, dell'Università Nazionale della Colombia, Sede Caribe, membro del Grupo de Investigación en Oceanografía e Ingeniería Costera (OCEÁNICOS), ha stampato in 3D i modelli di corallo dalle scansioni fatte con Spider di Reichert, posizionandoli in un canale per studiare gli effetti sul flusso d'acqua intorno ai coralli man mano che le loro forme cambiavano nel tempo.

Screenshot di Blender della preparazione di un modello 3D di un corallo s. pistillata per la stampa 3D. Immagine gentilmente concessa da Dr. Juan David Osorio Cano

Grazie ai coralli stampati in 3D, i ricercatori avranno le dimensioni precise del corallo, esperimento dopo esperimento, quindi le variabili di dimensione e forma rimarranno costanti, senza alcun rischio che il corallo muoia a causa di un'errata manipolazione.

Reichert ha detto: "Non posso sottolineare abbastanza come la nostra ricerca non sarebbe possibile senza la scansione 3D con Spider. Una volta non eravamo in grado di monitorare con tale precisione la crescita e i cambiamenti nella forma del corallo che si verificano nel corso del tempo. Ma ora abbiamo il potere di farlo."

Ha aggiunto: "Qualsiasi ricercatore con occhio esperto può guardare un corallo e vedere che la sua forma è cambiata, ma non è abbastanza per una ricerca scientifica. Con il nostro scanner Spider possiamo misurare queste variazioni quantitativamente, per mostrare esattamente come la forma è cambiata e in che modo. Solo allora possiamo iniziare a capire cosa sta succedendo e perché."

Corallo s. pistillata stampata in 3D pronto per gli studi sul flusso dell'acqua. Immagine gentilmente concessa da Dr. Juan David Osorio Cano

Reichert e il suo team continuano il loro lavoro a Giessen, studiando molte diverse specie di coralli.

Tuttavia, c'è molto altro che attende di essere esplorato: la diversità dei modi in cui il corallo può cambiare forma, quali parametri stanno guidando tale cambiamento, come meglio applicare queste conoscenze al livello dell'ecosistema della barriera corallina, quindi capire come la complessità della barriera corallina ne verrà influenzata e quali conseguenze emergeranno per i pesci che vivono al suo interno  e, in definitiva, anche per noi.