Aiptasia larvae are phenotypically validated as a model of coral bleaching using high-throughput machine-learning image analysis

Le barriere coralline sono tra gli ecosistemi più vibranti e vitali della Terra, poiché sostengono una vasta gamma di vita marina e proteggono le coste dalle tempeste. Eppure, queste città sottomarine stanno scomparendo. Un fattore primario di questa perdita è un fenomeno noto come sbiancamento, che si verifica quando l'aumento delle temperature oceaniche interrompe la delicata collaborazione tra gli animali coralli e i microscopici alghe che vivono al loro interno. Queste alghe forniscono al corallo il cibo attraverso la fotosintesi, ma quando l'acqua diventa troppo calda, il corallo le espelle, diventando bianco e morendo di fame. Per capire come salvare queste barriere, gli scienziati devono studiare esattamente come e perché questa collaborazione crolli. Per anni, i ricercatori hanno utilizzato un piccolo anemone di mare chiamato Aiptasia come sostituto del corallo. Sebbene gli anemoni adulti siano utili, sono grandi, opachi e difficili da studiare in grandi quantità senza danneggiarli. Questo limite ha reso difficile condurre gli esperimenti rapidi e su larga scala necessari per trovare soluzioni.

Un team di ricercatori si è ora rivolto a una fase diversa della vita dell'anemone: la larva. Queste creature minuscole e trasparenti sono larghe solo quanto un capello umano e sono abbastanza chiare da poter essere viste attraverso. I ricercatori hanno scoperto che queste larve reagiscono allo stress termico in modo molto simile agli anemoni adulti, perdendo le loro alghe interne e "sbiancando". Per dimostrare questo, hanno sottoposto migliaia di larve ad acqua calda e le hanno osservate per diversi giorni. Hanno scoperto che, entro due giorni di stress termico, il numero di larve sane è diminuito significativamente e, entro quattro giorni, la maggior parte aveva perso le proprie alghe. Ciò ha confermato che le piccole e trasparenti larve sono un modello perfetto e a crescita rapida per studiare la rottura della relazione corallo-alga.

Tuttavia, contare e analizzare queste minuscole creature a mano è incredibilmente lento e faticoso. Una singola immagine al microscopio può contenere decine di larve in diversi stati di salute, e determinare se una cellula algale sia al sicuro all'interno del tessuto di una larva o stia solo galleggiando nel suo stomaco richiede l'osservazione dell'immagine in tre dimensioni. Fare questo per centinaia di immagini ha richiesto ai ricercatori più di venti ore di intensa concentrazione. Per risolvere questo collo di bottiglia, hanno costruito un nuovo programma per computer chiamato SYMPHONY. Questo strumento utilizza l'intelligenza artificiale per esaminare le immagini al microscopio, identificare ogni singola larva e determinarne lo stato di salute in pochi minuti. Il programma funziona appiattendo le immagini 3D in un formato 2D che preserva l'informazione sulla profondità necessaria per capire se le alghe si trovino nel posto giusto. Successivamente, utilizza un sistema pre-addestrato, originariamente progettato per individuare le cellule nei tessuti umani, per trovare le larve, e un secondo sistema per classificarle come sane, sbiancate o troppo difficili da giudicare.

I risultati hanno mostrato che il programma per computer poteva eguagliare il lavoro degli esperti umani con un'alta precisione, identificando correttamente lo stato di salute delle larve circa il 79 percento delle volte. Ancora più importante, il programma ha confermato le stesse tendenze trovate dagli umani: lo stress termico causa la perdita di alghe nelle larve e, più a lungo dura il calore, più grave diventa la perdita. Sebbene il computer abbia segnalato alcune immagini come troppo confuse per essere giudicate automaticamente, ha comunque fatto risparmiare ai ricercatori oltre venti ore di lavoro per questo singolo studio. Combinando un modello animale minuscolo e trasparente con un modo intelligente e automatizzato per contarli, i ricercatori hanno creato un potente nuovo strumento. Questo approccio permette agli scienziati di testare migliaia di larve rapidamente, aprendo la strada a scoperte più veloci su come i coralli rispondono al calore e su cosa potrebbe aiutarli a sopravvivere a un oceano che si riscalda.