Escaneo 3D de corales vivos para estudiar el impacto de los micro plásticos y el cambio climático

Los arrecifes de coral son ecosistemas marinos complejos y diversos que ofrecen refugio en todo el mundo a cerca de 8.000 especies de peces jóvenes de agua salada. Con abundantes alimentos a su alrededor, los peces pequeños pueden esconderse de los grandes depredadores en las numerosas grietas y pasadizos sinuosos de los arrecifes.

A pesar de lo que mucha gente piensa, los corales son criaturas frágiles y muy vivas. Cada coral está formado por cientos o miles de pequeñas criaturas llamadas "pólipos". Estos pólipos suelen tener entre 1 y 10 milímetros de diámetro, el grosor de una moneda y una estructura exterior blanda que recubre su duro exoesqueleto calcáreo.

Primer plano de un coral capucha (Stylophora pistillata). Imagen cortesía de la Dra. Jessica Reichert

Riesgo de extinción

Bajo una implacable presión medioambiental, más del 50% de los arrecifes de coral del mundo han desaparecido desde la década de 1950, a causa del cambio climático, la sobrepesca y la contaminación. De los que quedan, puede que hasta el 90% no sobreviva en los próximos 100 años. Si todos los corales mueren, también lo harán los peces, y la extinción es eterna.

Por no hablar de las repercusiones que tendrían en todo el mundo, como la pérdida de incontables millones de peces y otras especies marinas, así como de numerosas actividades industriales que dependen de su suministro constante.

Los arrecifes de coral han sido una fuente imprescindible de medicinas para el tratamiento del Alzheimer, el cáncer, las cardiopatías, etc.

La Dra. Jessica Reichert forma parte de un equipo de investigadores de la Universidad de Giessen que estudia los efectos a largo plazo de los factores estresantes del cambio global en diversas especies de coral.

La Dra. Jessica Reichert, Artec Spider, y un coral capucha (Stylophora pistillata). Imagen cortesía de la Dra. Jessica Reichert

Esto es posible gracias a las instalaciones de Ocean2100, que permiten a los investigadores simular escenarios de cambio climático global y estudiar sus efectos sobre los corales, los arrecifes y los organismos que viven en ellos.

Las instalaciones de Ocean2100 en la Universidad de Giessen. Imagen cortesía del Dr. Patrick Schubert

Crear las condiciones adecuadas

Con capacidad para casi 9.000 litros de agua de mar, esta instalación acuariológica de diseño exclusivo, consta de 18 acuarios de 265 litros cada uno, controlados por separado y vigilados las 24 horas del día, los 7 días de la semana.

En estas instalaciones, los investigadores recrean condiciones muy parecidas a las que afrontan los corales, como el aumento de la temperatura del agua, distintos niveles de acidificación, presencia de micro plásticos, etc.

Diversos tipos y tamaños de micro plástico. Imagen cortesía de la Dra. Jessica Reichert.

Reichert y su equipo trabajan actualmente con 30 especies de corales pétreos y más de 20 tipos diferentes de otros organismos de arrecife relacionados con ellos.

Los corales son criaturas extraordinarias. Aunque los pólipos individuales mueren, en teoría un solo coral puede vivir cientos de años. Por eso son tan importantes los estudios a largo plazo sobre la evolución de las distintas especies de coral. Los estudios tradicionales de entre 60 y 90 días no bastan para medir y comprender los cambios físicos que se producen.

Incluso si los estudios son más largos, los resultados pueden depender en gran medida de las herramientas de medición de que disponga el equipo de investigación. Medir el crecimiento de las colonias es uno de los factores más importantes que permiten a los científicos estudiar el impacto del estrés en los corales.

Arrecifes de coral en Bali, Indonesia. Imagen cortesía de la Dra. Jessica Reichert

Sin embargo, los métodos tradicionales para determinar las dimensiones de los corales, basados en cera caliente o papel de aluminio, no sirven para realizar mediciones precisas y repetidas de un solo coral vivo.

Aunque ambos métodos se siguen utilizando hoy en día, es evidente que tienen sus limitaciones. El procedimiento de la cera caliente consiste en sumergir un solo coral en un recipiente de parafina hirviendo y medir el aumento de peso del armazón de cera una vez que se ha secado por completo.

Desgraciadamente, el coral nunca sobrevive a este paso, por lo que las mediciones posteriores sólo pueden realizarse en un coral vecino separado, con dimensiones claramente diferentes.

Es posible utilizar papel de aluminio para realizar una medición similar, aunque mucho menos precisa, para que el coral sobreviva a la prueba, pero para ello el investigador tiene que moverse lentamente durante mucho tiempo, lo que produce resultados muy imprecisos para cuantificar la lenta tasa de crecimiento de un coral (de 0,8 a 5 mm al mes).

Introducción de nuevas tecnologías

Sin embargo, en Giessen llevan años sin usar ninguno de estos métodos. En su lugar, han adoptado totalmente la medición por escaneo 3D, con Artec Spider.

Artec Spider con un coral azul (Heliopora coerulea) a punto de ser escaneado. Imagen cortesía de la Dra. Jessica Reichert

Gracias a que apenas hay contacto, los corales sobreviven a todas las sesiones de medición y se tarda menos de un minuto en realizar un escaneo completo.

Este hecho ha repercutido mucho en su productividad. Reichert, nos cuenta “Suelo escanear alrededor de 50 corales la misma tarde, o 100 en un día. Nunca antes habíamos podido trabajar tan rápido, y además con total seguridad para los corales”.

“Uno de los proyectos de escaneo a largo plazo incluía 300 corales. Había que escanearlos muy juntos, así que, si tuviera que haberlo hecho a la antigua usanza, sin Spider, habría necesitado que varios investigadores midieran el coral, o tendría que haber aceptado una precisión menor, porque simplemente no podrían medirse tan rápido...”.

En cuanto al flujo de trabajo de escaneo, Reichert efectúa todos los escaneos a la vez y cuando los tiene todos, los procesa en el programa Artec Studio.

Escaneando un coral dedo (Acropora humilis) con Artec Spider. Imagen cortesía de la Dra. Jessica Reichert

Hacen falta dos investigadores, ya que uno se encarga de manipular los corales que se traen del acuario mojados y se colocan en una mesa giratoria para escanearlos, mientras que el otro escanea con Spider.

También han desarrollado su propio método de "palillos y agujas" para colocar ciertos tipos de coral, ya que les permite escanear todo el coral de arriba abajo sin tener que recolocarlo ni una sola vez.

La capacidad de Spider para escanear a través de la humedad ha resultado muy útil. Dice Reichert, “Aunque los corales estén mojados, Spider los capta bien, sin problemas de reflectividad, lo averiguamos probando los ajustes de escaneo”.

Con Spider podemos personalizar los ajustes. Lo que puede parecer imposible de capturar con otros escáneres se hace posible con Spider".

Por ejemplo, al escanear corales brillantes y complejos, emplean un ajuste de sensibilidad más alto para captar incluso las estructuras más pequeñas e intrincadas. Con corales más oscuros y simples, cambian a una sensibilidad más baja. Desde el principio, el equipo elaboró una lista de ajustes óptimos del escáner para cada especie de coral.

Capturas de pantalla de un escaneo Spider (sin y con textura aplicada) de un coral de capucha (S. pistillata). Imagen por cortesía de la Dra. Jessica Reichert

Después de procesar los escaneos en Artec Studio, se exportan los modelos 3D del coral como archivos OBJ a MeshLab. También han creado sus propios scripts en Python para analizar automáticamente el área superficial y el volumen de los modelos de coral.

También se han abierto otras posibilidades interesantes para los escáneres Spider. Un colaborador brasileño, el matemático André R. Backes, ha desarrollado un programa en C para analizar las dimensiones fractales del coral, esencialmente para ver lo complejos que son los corales, así como sus similitudes.

Sus últimas investigaciones han revelado que los crecientes niveles de microplásticos en los océanos de todo el mundo están afectando al crecimiento y la salud de los corales. Al mismo tiempo, los corales limpian las aguas que los rodean tragando microplásticos, confundiéndolos con alimento y encapsulándolos en sus esqueletos.

Micro plásticos incrustados en el esqueleto de carbonato cálcico de un coral. Imagen cortesía de la Dra. Jessica Reichert

Investigación submarina

Mucha gente piensa que las mayores fuentes de micro plásticos son los artículos de lujo como geles de ducha y cosméticos.  Pero los peores son, en gran medida, el polvo de los neumáticos de los automóviles, la ropa sintética y las partículas de pintura.

Reichert y su equipo también están investigando si los micro plásticos que ingieren están debilitando las estructuras coralinas y provocando que se rompan con más facilidad. Si se demuestra, esto pondrá aún más de manifiesto que las costas de todo el mundo corren el riesgo de perder su único escudo contra tormentas y tsunamis: los arrecifes de coral.

Aparte del daño medioambiental, los estudios han demostrado que los micro plásticos son neurotóxicos, incluso capaces de cambiar nuestro propio ADN.

Con respecto a estas consecuencias, Reichert afirma: "Estamos estudiando las futuras consecuencias, lo que ocurrirá dentro de 10 o 20 años si no eliminamos o reducimos de forma drástica los plásticos desde ya. Debemos cambiar de rumbo, y tenemos el poder y la responsabilidad de empezar a hacerlo inmediatamente".

Otro tema de interés para Reichert y sus compañeros son los efectos del cambio climático en los corales, como el calentamiento del agua y el aumento de los niveles de CO2 en el agua de mar. En particular, la acidificación de los océanos, ya que afecta en gran medida a cómo se forma el esqueleto del coral.

También se está investigando si estos cambios morfológicos que sufren los corales influyen en la acción de las olas. Debido a que los corales están fuertemente influenciados por el entorno que les rodea, si hay una fuerte corriente en el agua, crecerán de una manera diferente a si hay corrientes suaves.

En esta dirección, el colega de Reichert Juan David Osorio Cano, I.C, M. Ing, PhD, de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Caribe, Grupo de Investigación en Oceanografía e Ingeniería Costera (OCEÁNICOS) ha estado imprimiendo en 3D modelos de coral a partir de los escaneos de Spider de Reichert, usándolos en un canal, para estudiar los efectos en el flujo de agua alrededor de los corales a la vez que sus formas cambian con el tiempo.

Utilizando Blender para preparar un modelo 3D de un coral campana (S. pistillata) para impresión 3D. Imagen cortesía del Dr. Juan David Osorio Cano.

Utilizando corales impresos en 3D, los investigadores contarán con las dimensiones precisas del coral, experimento tras experimento, por lo que las variables de tamaño y forma se mantendrán constantes, sin riesgo de muerte del coral debido a una mala manipulación.

Reichert dice, “No me canso de repetir que esta investigación no sería posible sin el escaneo 3D que estamos haciendo con Spider. Antes no podíamos hacer un seguimiento tan preciso de los cambios en el crecimiento y la forma de los corales a lo largo del tiempo. Pero ahora tenemos la posibilidad de hacerlo, y así de bien.”

"Cualquier científico con buena vista puede observar un coral y ver que su forma ha cambiado, pero eso no es suficiente desde el punto de vista científico. Con nuestro escáner Spider, podemos medirlo cuantitativamente, para mostrar exactamente cómo ha cambiado la forma y de qué manera. Sólo así podemos empezar a entender qué está pasando y por qué".

Coral campana impreso en 3D (S. pistillata) listo para estudios de flujo de agua. Imagen cortesía del Dr. Juan David Osorio Cano

Reichert y su equipo siguen trabajando en Giessen, estudiando muchas especies diferentes de coral.

Sin embargo, aún queda mucho por explorar: la diversidad de formas que puede adoptar el coral, los parámetros que impulsan este cambio, la mejor manera de transferir estos conocimientos a los ecosistemas arrecifales y, por último, cómo se verá afectada la diversidad de los arrecifes y qué consecuencias tendrá para los peces que viven en ellos y, en última instancia, para nosotros.