Коралловые рифы — это жизненно важные экосистемы, поддерживающие морскую жизнь, экотуризм и защиту побережья. Под их поверхностью хранятся записи о прошлом океана. В плотных, похожих на камень, скелетных структурах массивных кораллов есть годичные полосы, аналогичные древесным кольцам. Учёные могут изучить условия, при которых формировались эти полосы, путём бурения, извлечения и анализа кернов, некоторые из которых представляют собой многовековые записи роста кораллов.
Исследования коралловых кернов
С 1970-х годов исследования коралловых кернов для определения закономерностей роста в области, известной как коралловая склерохронология, привели к заметным научным открытиям.
* Knutson et al. [1972] обнаружили, что годичные полосы состоят из чередующихся полос высокой и низкой плотности, которые отражают сезонные закономерности роста.
* Hudson [1981] выяснил, что обычно полосы высокой плотности образуются во время более медленного зимнего роста, а полосы низкой плотности — во время более быстрого летнего роста. Долгосрочные вариации роста кораллов зависят от качества воды и последствий развития прибрежной зоны.
* Некоторые керны также содержат высокоплотные «стресс-полосы», образовавшиеся из-за обесцвечивания кораллов или других экологических проблем [Lough, 2008].
Вместе эти полосы дают представление об истории роста кораллов, позволяя учёным создавать надёжные модели возраста прошлых океанических и климатических условий.
Современные методы исследования
Сегодня методы исследования коралловых кернов значительно усовершенствовались. Наряду с другими методами, такими как анализ стабильных изотопов и элементного состава, компьютерная томография (КТ) играет важную роль в получении данных, которые помогают выявить параметры роста кораллов.
Учёные могут использовать 2D-рентген и 3D-КТ для изучения внутренней структуры коралловых кернов, включая их годичные полосы плотности. В некоторых случаях такой анализ даже включает посещение учёным местной больницы для использования её КТ-аппарата.
Проблема отсутствия систематического архивирования
Однако до сих пор не было систематического архивирования данных изображений коралловых кернов, отчасти из-за отсутствия подходящего хранилища. Этот пробел создаёт риск потери ценных изображений и препятствует упорядоченному, прозрачному обмену научными интерпретациями этих изображений.
Поэтому централизованное, виртуальное хранилище коралловых кернов с открытым доступом имеет решающее значение для содействия прозрачной науке и сохранения этих ресурсов для будущих исследований.
Приложение для организации архива
Приложение CoralCT было разработано для консолидации и организации сканирований коралловых кернов в виртуальном хранилище, которое позволяет осуществлять цифровое архивирование и анализ изображений [DeCarlo et al., 2025].
В настоящее время хранилище содержит сканы более чем 1000 кернов, собранных из различных регионов коралловых рифов, включая Большой Барьерный риф, Карибский бассейн и Красное море. Эти сканы были предоставлены отдельными лицами и агентствами, включая Геологическую службу США (USGS) и NOAA.
Исследователи загружают рентгеновские или КТ-сканы в CoralCT и, когда они готовы, могут сделать свои данные общедоступными для всех, у кого есть компьютер и подключение к Интернету. Этот подход к прозрачности способствует сотрудничеству между исследователями коралловых кернов, которые могут просматривать каталог приложения и видеть, кто ещё собирал керны из интересующих их районов.
Аналитические инструменты
Используя аналитические инструменты приложения, наблюдатели могут наносить на карту годичные полосы плотности в коралловых кернах для извлечения данных о темпах роста и плотности скелета. Как и в исследованиях древесных колец, такой анализ даёт представление о прошлых условиях окружающей среды, поскольку рост кораллов может чувствительно реагировать на климатические колебания.
Например, Barkley et al. [2018] использовали CoralCT для визуализации высокоплотных стресс-полос и реконструкции истории обесцвечивания кораллов за 6 десятилетий на удалённом рифе в экваториальной части Тихого океана, где данные мониторинга были скудными.
Сбор старых записей и сбор новых
Архивирование ценных данных, которые в противном случае могли бы быть потеряны, является основополагающей целью CoralCT. Выдающимся примером того, как приложение служит этой цели, является спасение и оцифровка рентгеновских изображений более чем 20 кернов, собранных в Тихом океане в период с 1980-х по начало 2000-х годов.
Новые данные
Помимо этих исторических вкладов, хранилище CoralCT продолжает пополняться новыми данными. Одним из недавних вкладов является сканирование рифовых кернов, собранных у побережья Гавайев в 2023 году в рамках Международной программы океанических открытий (Expedition 389).
Рифовые керны отличаются от коралловых по составу и структуре, но также имеют решающее значение для понимания истории океана и экологических изменений. Во время экспедиции 389 были собраны керны из утонувших рифов, которые когда-то росли у поверхности океана, но перестали кальцифицироваться, когда были погружены в более глубокие воды.
Повторные анализы, проверяемые результаты
Когда необработанные, неоцифрованные изображения коралловых кернов не архивируются, ценность измерений роста и других анализов ограничена, поскольку другие учёные не могут легко и независимо их проверить. Это проблематично, поскольку наука в основе своей опирается на возможность повторения экспериментов и проверки результатов.
CoralCT решает эти проблемы, обеспечивая полную документацию, доступность и возможность скачивания всей информации и контекста о керне. Эта информация включает в себя важные метаданные, такие как происхождение керна, данные о владельце, дата сбора, глубина и идентификация видов.
Доступность и сотрудничество
CoralCT также представляет собой путь к тому, чтобы сделать науку более инклюзивной и доступной. Приложение разработано с учётом простоты использования и включает в себя такие ресурсы, как видеоуроки и пошаговые руководства для пользователей.
Потенциал приложения в области образования был продемонстрирован во время недавних информационно-просветительских мероприятий. Используя технологию виртуальной реальности, школьники в Новом Орлеане просматривали трёхмерные сканы коралловых кернов из CoralCT и практиковались в идентификации годичных полос плотности.
Интеграция искусственного интеллекта
Интеграция искусственного интеллекта (ИИ) в CoralCT может упростить вклад всех пользователей в анализ коралловых кернов, независимо от их академического образования или опыта работы в полевых условиях.
Если система ИИ будет обучена на основе существующих интерпретаций человека, она сможет автоматически предлагать маркировку полос, которую пользователи смогут просматривать и проверять. Это усовершенствование предлагает потенциал для более точного и эффективного анализа коралловых кернов при сохранении контроля со стороны человека.
Coral sclerochronology жизненно важна для понимания изменений окружающей среды в экосистемах коралловых рифов и воздействия, которое эти изменения оказали. Благодаря этим исследованиям мы получаем представление об океане в прошлом и углубляем наше понимание коралловых рифов сегодня.
CoralCT играет важную роль в сохранении ценных записей о росте кораллов и экологической истории, одновременно продвигая совместное использование данных, доступное для исследователей и общественности.