通过3D扫描活体珊瑚探究微塑料与气候变化所造成的影响

珊瑚礁作为复杂多样的海洋生态系统，为全世界大约7000-8000种幼年海水鱼提供安全的避难所。其周围有着丰富的食物，小鱼可以在珊瑚礁的许多缝隙和蜿蜒的通道中躲避大型捕食者。

就像许多人认为的，珊瑚是脆弱而敏感的生物。每颗珊瑚都由数百至数千的被称为“珊瑚虫”的小生物组成。这些珊瑚虫长度通常有1-10毫米，大约有硬币厚，在坚硬的石灰岩骨架上覆盖着柔软的外部结构。

罩柱群珊瑚特写（Stylophora pistillata）。图片来源：Jessica Reichert博士

濒临灭绝

在无情的环境压力下，自1950年以来，由于气候变化、过度捕捞和污染，世界一半以上的珊瑚礁已经消失。幸存的珊瑚礁中，多达90%可能无法存活过下一个百年。

如果所有的珊瑚都消失了，那么鱼类也将消失，它们的灭绝将是不可逆转的。

更不用说将在全球范围内造成广泛的影响，包括数以百万的鱼类和其他海洋生物，以及相关产业的巨大损失。

珊瑚也作为治疗阿兹海默症、癌症、心脏病等多种药物的重要成分。

Jessica Reichert教授和吉森大学的科研人员们正在研究全球气候变化给各种珊瑚物种带来的长期影响。

Jessica Reichert博士，Artec Spider，和罩柱群珊瑚（Stylophora pistillata）。图片来源：Jessica Reichert博士

吉森大学的Ocean2100水族馆设施使研究人员有能力模拟全球气候变化的环境，从而研究其对珊瑚、礁石和生活在其中的生物所造成的影响。

吉森大学的Ocean2100水族馆设施。图片来源：Patrick Schubert博士

创建适合的条件

这个特别设计的水族馆，海水容量有近9000升，由18个265升的水族箱组成，分别进行单独控制、全天候的监控。

研究人员在这里重建了与珊瑚生存环境非常相似的各种条件，例如水温升高、不同程度的酸化、存在的微塑料等等。

各种类型和大小不同的微塑料。图片来源：Jessica Reichert博士

Reichert和她的团队目前正在研究30种石珊瑚和20多种其类型的珊瑚礁生物。

珊瑚作为难以置信的生物，即便个体珊瑚虫死亡，但理论上完整的珊瑚却可以存活几百年。这就是为什么针对不同珊瑚物种进行长期的研究尤为重要。传统60至90天的研究时间根本不足以测量和了解正在发生的物理变化。

即使将研究时间延长，团队的测量仪也会影响结果的准确性。珊瑚虫生长是帮助科学家研究环境压力对珊瑚影响的最重要参数之一。

巴厘岛（印度尼西亚）的珊瑚礁。图片来源：Jessica Reichert博士

然而，使用热蜡或铝箔的传统方法来确定珊瑚的尺寸，对个体活珊瑚进行精确、重复的测量几乎是不可能的。

尽管如今仍在沿用这两种方法，但局限性显而易见。热蜡法是将个体珊瑚浸入滚烫的石蜡中，然后待蜡壳完全凝固后测量所增加的重量。

不幸的是，珊瑚永远无法通过这一过程的考验，因此，只能对具有不同尺寸的相邻珊瑚进行后续的测量。

虽然也可以使用铝箔来进行类似的测量，但准确度则低得多。要使珊瑚在此过程中存活下来，研究人员需要漫长的时间进行非常缓慢地移动，然而得到的结果并不敏锐，无法量化珊瑚的缓慢生长速度（每月0.8至5毫米）。

引入新技术

但吉森大学并没有使用这两种过时的方法。相反，他们采用了Artec Spider的3D扫描作为他们的首选测量方式。

Artec Spider与等待扫描的蓝珊瑚（Heliopora coerulea）。图片来源：Jessica Reichert博士

通过微小的接触，不仅所有的珊瑚都能在每次测量过程中存活下来，而且完成整个扫描过程所需的时间不到1分钟。

这对研究人员的工作效率有着深远的影响。用Reichert的话说：“我通常用一下午的时间就可以扫描大约50颗珊瑚，或者在一天内扫描完100颗。过去我们从没能如此高效地工作，更不用说百分百保证珊瑚的安全了。”

“一项长期扫描项目包含了300颗珊瑚。它们必须紧密地放在一起进行扫描，假使我没有Spider，必须使用老办法来进行，就需要多名研究人员共同参与测量珊瑚，或者不得不放弃精确度，因为我根本不可能在这么短的时间内完成测量所有的珊瑚，”Reichert解释道。

关于扫描的流程，Reichert一次性完成了所有的扫描，然后在Artec Studio软件中进行处理。

使用Artec Spider扫描一颗粗野鹿角珊瑚（Acropora humilis）。图片来源：Jessica Reichert博士

扫描需要两名研究人员在场，其中一名研究人员从水族箱中取出珊瑚并放置在转盘上，而另一名研究人员则用Spider进行扫描。

研究人员还发明了使用“牙签和大头针”的方法来固定某些类型的珊瑚，这使他们能够从上到下扫描完整的珊瑚，而无需重新定位。

Spider扫描水分的能力也被印证是有效的。Reichert说：“即使珊瑚被水浸泡过，Spider也能正确地捕捉它们，而不会出现任何反射方面的问题。我们通过测试扫描设置时发现了这一点。”

她继续说，“使用Spider可以自定义设置，能够扫描任何我们需要的目标。这样一来，可能无需再使用其他的设备进行扫描了。”

例如，当扫描颜色浅、结构复杂的珊瑚时，他们会应用较高的灵敏度设置，以采集最微小、复杂的结构。相反，对于颜色较深、结构简单的珊瑚，他们则会降低灵敏度。在初期，该团队就总结出了每颗珊瑚物种的最佳扫描仪设置。

Spider扫描柱状珊瑚（S. pistillata）的屏幕截图（有纹理和无纹理）。图片来源：Jessica Reichert博士

在Artec Studio中处理扫描后，珊瑚的3D模型通常以OBJ格式导出到MeshLab。该团队还创建了自己的Python脚本用来自动分析珊瑚模型的表面积和体积。

Spider扫描的同时还显示了另外的重要潜能。巴西同事——数学家André R. Backes，开发了一个C语言程序，用于分析珊瑚的分形维数，主要目的是研究珊瑚的复杂性，以及它们之间的相似性。

研究人员的最新发现表明，世界各地海洋中不断上升的微塑料含量直接影响了珊瑚的生长和健康。珊瑚正在通过吞食微塑料来清洁它们周围的水域，将微塑料误以为是食物，嵌入了珊瑚的骨架当中。

嵌入珊瑚碳酸钙骨架中的微塑料。图片来源：Jessica Reichert博士

深入水下研究

与普遍的看法相反，微塑料的最大来源并不是沐浴露和化妆品等奢侈品。相反，在很大程度上，罪魁祸首是来源于汽车轮胎的磨损、合成服装和油漆颗粒。

Reichert和她的团队正在调查摄入的微塑料是否削弱了珊瑚的结构，导致它们更易破损。如果这一假设成立，将进一步揭示出全球海岸线面临着失去唯一阻挡风暴和海啸的天然屏障：珊瑚礁。

除了对环境的破坏，研究表明微塑料具有神经毒性，甚至能够改变人类的DNA。

谈到这些后果，Reichert说：“我们正在研究未来的影响，如果现在不消除或大幅减少微塑料，10年或20年后会发生什么。必须及时悔改，我们有能力和责任立即解决。”

Reichert和她的同事们还关注气候变化对珊瑚造成的影响，包括海水变暖和海水中二氧化碳的含量增加。特别是海洋酸化，因为这对珊瑚骨架的形成造成了巨大的影响。

研究人员正在进一步调查珊瑚发生形态上的变化是否有来自波浪的影响。由于珊瑚受到其周围环境的强烈影响，而水中存在强大的水流，导致珊瑚的生长在微弱或中等的水流情况下的不同。

考虑到这一点，Reichert的同事，来自哥伦比亚国立大学Sede Caribe海洋学和沿海生态系统研究组（OCEÁNICOS）的Juan David Osorio Cano，I.C，M. Ing博士，根据Reichert使用Spider的扫描进行3D打印珊瑚模型，并放置在风浪水槽中，用来分析珊瑚形状变化对其周围水流的影响。

在3D打印前，使用Blender准备柱状珊瑚（S. pistillata）的3D模型。图片来源：Juan David Osorio Cano博

使用3D打印的珊瑚，研究人员们在每次实验中都能得到精确的珊瑚尺寸。因此大小和形状的变量恒定，而没有发生任何因处理不当而导致的珊瑚死亡。

Reichert强调，“毫不夸张地说，如果我们没有用Spider进行3D扫描，这项研究是不可能推进的。我们以前从未能够如此准确地追踪珊瑚生长和形状随着时间所发生的变化。但现在我们有能力做到这一切。”

并补充说：“任何受过观察力训练的研究人员都可以监测珊瑚，看到它们的形状变化，但从科学的角度来说，还是不够的。使用Spider扫描仪，可以对其进行测定，以准确显示形状发生的变化以及具体以何种方式变化的。只有这样，我们才能开始了解正在发生的事情以及原因。”

用于水流研究的3D打印柱状珊瑚（S. pistillata）。图片来源：Juan David Osorio Cano博士

Reichert和她的团队继续在吉森大学研究许多不同种类的珊瑚。

然而，还有更多的东西有待我们去探索：改变珊瑚形状的多种方式，导致这些变化的因素，在珊瑚礁生态系统层面应用这些技术的最佳方式，最终，了解珊瑚礁的多样性将受到怎样的影响，对生活在这些珊瑚礁中的鱼类，乃至对人类来说，将会造成怎样的后果。