From individuals to communities. Innovative methodologies to assess multiscale structural complexity of marine benthic habitats

The continuous development of new technologies allowed the rapid evolution of computer vision and graphic computing power, as well as the increasing interest of the scientific community for a proper assessment of three-dimensional (3D) features. Although structural complexity has been long recognized as one of the main factors driving ecosystems, only recently the proper tools to approach it have been provided. In this context, this PhD project approached different ecological levels, from communities to individuals, through the coupling of innovative and traditional methods. Firstly, a systematic review was conducted to explore the application of photogrammetry through time, while the collaborative effort performed during the 3DSeaFor workshop drove the next steps for the implementation of optical-based approaches in the monitoring of marine ecosystems, especially referred to those formed by ecosystems engineers. In fact, this project also deepens the crucial role covered by marine organisms in providing structural complexity, by studying not only the extent of the population at basin level through species distributional models of the habitat former Savalia savaglia, but also applying Structure-from-Motion (SfM) photogrammetry to explore the distributional patterns of benthic communities in marine caves as well as the growth rates of different sponge species. Together with SfM photogrammetry, an innovative methodology in biological studies was explored: micro-computed tomography (micro-CT). This technique helped in a better understanding of the erosive patterns of boring organisms (polychaetes and sponges), demonstrating to be a promising tool in the assessment of marine cryptic species. This PhD research represents a great example of how the current shift towards a 3D science may provide a more complete or representative perspective. The coupling of 3D and traditional approaches should be thus encouraged and promoted, as well as the development of new integrative procedures to describe the structural complexity of our environments.

Il continuo sviluppo di nuove tecnologie ha consentito la rapida evoluzione della computer vision e di schede grafiche più potenti, nonché il crescente interesse della comunità scientifica per una corretta valutazione delle caratteristiche tridimensionali (3D) di habitat e organismi. Sebbene la complessità strutturale sia stata a lungo riconosciuta come uno dei principali fattori che guidano gli ecosistemi, solo di recente sono stati forniti gli strumenti adeguati per definirla. In questo contesto, questo progetto di dottorato ha valutato diversi livelli ecologici, dalle comunità agli individui, attraverso il connubio di metodi innovativi e tradizionali. In primo luogo, è stata condotta una revisione sistematica per esplorare l'applicazione della fotogrammetria nel tempo, mentre lo sforzo collaborativo svolto durante il workshop 3DSeaFor ha messo in luce l’importanza di implementare metodi optical-based nel monitoraggio degli ecosistemi marini, in particolare quelli formati dai cosiddetti ecosystem engineers. Infatti, questo progetto approfondisce anche il ruolo cruciale ricoperto dagli organismi marini nel conferire complessità 3D, studiando non solo l'estensione della popolazione a livello di bacino attraverso modelli di distribuzione della specie strutturante Savalia savaglia, ma anche applicando la fotogrammetria Structure-from-Motion (SfM) per descrivere i pattern di distribuzione delle comunità bentoniche nelle grotte marine, nonché i tassi di crescita di diverse specie di spugne. Insieme alla fotogrammetria SfM, è stata esplorata anche una metodologia innovativa negli studi biologici: la micro-tomografia computerizzata (micro-CT). Questa tecnica ha contribuito a una migliore comprensione dei modelli erosivi di organismi perforatori (policheti e spugne), dimostrando di essere uno strumento promettente nello studio delle specie marine criptiche. Questo dottorato rappresenta un ottimo esempio di come l'attuale spostamento verso una scienza 3D possa fornire una prospettiva più completa. L'accoppiamento di 3D e approcci tradizionali dovrebbe essere quindi incoraggiato e promosso, così come lo sviluppo di nuove procedure integrative per descrivere la complessità strutturale dei nostri ecosistemi.