Использование инженерных методов для отслеживания незаметных движений каменистых кораллов
Коралловые рифы по всему миру находятся под угрозой из-за повышения температуры моря, окисления океана, болезней и перелова рыбы, среди прочих причин.
Отслеживать признаки стресса и плохого состояния здоровья сложно, потому что кораллы — животные-хозяева, сосуществующие с водорослями, бактериями, вирусами и грибками — являются динамичными организмами, которые ведут себя по-разному в зависимости от происходящего в их среде. Некоторые учёные задаются вопросом, может ли запись изменений в движениях кораллов со временем помочь в мониторинге здоровья рифа.
Это не всегда простая задача. Некоторые виды кораллов колышутся и пульсируют в течении, но у других есть каменистые скелеты, и их движения могут быть невидимы для человеческого глаза. Новое исследование под руководством учёных Вашингтонского университета позаимствовало методы анализа изображений из инженерии, чтобы обнаружить мельчайшие движения каменистого коралла.
Команда опубликовала эти результаты 8 апреля в Scientific Reports.
«В механике мы должны уметь измерять незаметные деформации в материалах и конструкциях, чтобы понимать, какую нагрузку испытывают эти системы, и прогнозировать возможные сбои», — сказал соавтор-корреспондент Джинкю Ян, доцент кафедры аэронавтики и астронавтики UW. — «Мы подумали, что можем использовать те же методы анализа для изучения живых систем, таких как кораллы».
Сначала исследователям нужно было найти подходящий для тестирования вид коралла.
«Наш метод анализа легко фиксирует поверхностную деформацию, когда то, что мы снимаем, имеет текстуру на своей поверхности. Гладкие поверхности без текстуры, такие как полированный металл и стекло, работают не так хорошо», — сказал ведущий автор Шуайфэн Ли, докторант кафедры аэронавтики и астронавтики UW. — «К счастью, каменистые кораллы, такие как Montipora capricornis, имеют уникальные узоры на своих поверхностях».
Для начала исследователи устроили фотосессию кораллу. Они сделали 200 изображений образца M. capricornis в аквариуме со скоростью 30 фотографий в час как в дневных, так и в ночных условиях, которые контролировались с помощью разного освещения.
«Было сложно сохранять резкую фокусировку на коралле из-за преломления света от стеклянного аквариума», — сказал Ли. — «Кроме того, нам нужно было уделить особое внимание, чтобы условия освещения оставались постоянными на протяжении всего теста».
Получив снимки, исследователи использовали два метода анализа для поиска движения. Оба метода сравнивают последующие изображения в серии с первым изображением, воспроизводя их как книжку-раскладушку, чтобы извлечь изменения. Отсюда команда могла измерить такие параметры, как скорость пикселей, какие части коралла движутся и происходит ли сжатие или растяжение. Исследователи также дополнительно обработали фотографии, чтобы иметь возможность выделить различные типы движений, происходящих по всему кораллу.
Во всех измерениях исследователи наблюдали большую активность в ночных условиях. Команда также наблюдала движение как ткани, растущей на каменистом скелете коралла, так и коралловых полипов, хотя у полипов движения были более выраженными.
«Кораллы часто больше питаются ночью, расширяя свои полипы и используя щупальца для ловли зоопланктона, и здесь мы можем количественно оценить эти ночные движения», — сказала соавтор-корреспондент Холли Патнэм, доцент биологических наук в Университете Род-Айленда. — «Это применение инженерных методов и анализов для оценки тонких и динамичных движений может изменить наше понимание поведения и физиологии кораллов, что крайне важно, поскольку кораллы находятся под угрозой из-за множества стрессоров».
Команда планирует расширить этот метод для работы с другими видами кораллов, включая мягкие кораллы, которые имеют гораздо более крупные движения. В конечном счёте, цель состоит в том, чтобы сделать эту технику полезной для определения потенциальных изменений в здоровье кораллов в различных обстоятельствах.
«Одно из исследований, которое следует рассмотреть, — это изучение того, как меняется движение тканей коралла при воздействии загрязняющих веществ, образующихся в результате антропогенной деятельности, таких как химические диспергаторы и нефть», — сказал Ян. — «Кроме того, этот метод можно использовать для мониторинга коралловых рифов с помощью спутниковых снимков или фотографий, сделанных гражданскими учёными».