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佛羅里達珊瑚礁瀕危,人類可以做些什么?

Adam Erace
2021-05-02

沒有人類的干預(yù),沒有科學(xué)指導(dǎo)和技術(shù)支持,佛羅里達珊瑚礁將無法存活下去。

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在戰(zhàn)斗受傷老兵挑戰(zhàn)組織(Combat Wounded Veteran Challenge)和SCUBAnauts組織的共同努力下,莫特海洋實驗室于2018年6月26日周二在希望礁(Hope Reef)種植了300珠鹿角珊瑚。圖片來源:Courtesy of Mote Marine Laboratory

八月滿月后的一至七個夜晚,午夜過后的幾個小時,是佛羅里達珊瑚的繁殖時期。

珊瑚具有產(chǎn)卵同步性,它們釋放出卵子和精子,流向星光照耀的海面。“這簡直就像一場水下暴風(fēng)雪。”經(jīng)常觀察珊瑚繁殖的艾莉森·德拉什米特描述道。艾莉森是莫特海洋實驗室(Mote Marine Lab)伊麗莎白摩爾國際珊瑚礁研究與修復(fù)中心(Elizabeth Moore International Center for Coral Reef Research & Restoration)的運營主任,該中心位于佛羅里達礁島群著名的七英里大橋(Seven Mile Bridge)的南側(cè)。

許多“科學(xué)家、志愿者和任何擁有船只的人都愿意在半夜等待這一奇觀發(fā)生”,德拉什米特就是其中一位。但在她看來,這種一年一度的珊瑚繁殖現(xiàn)象雖然美麗,但效率卻極低。卵子和精子在海面散開后,精子有20分鐘的時間與卵子相遇并使其受精。受精卵成熟的幾率約為百萬分之一,也就是每25年成功一次。這是生長相對健康的珊瑚礁的情況。

然而,從大陸延伸到基韋斯特的佛羅里達珊瑚礁并不健康。2014年,邁阿密外一項疏浚工程被認定引發(fā)了細菌傳染,導(dǎo)致珊瑚感染了“石珊瑚組織損失癥”( Stony Coral Tissue Loss)這一細菌疫病,再加上海水變暖,這里98%到99%的珊瑚礁已經(jīng)白化,科學(xué)家稱其為功能性滅絕。繁殖能力強的健康珊瑚沒有達到臨界密度,在自然環(huán)境下受精變得極其困難。德拉什米特說:“所以我們必須幫助大自然母親擺脫困境?!睕]有人類的干預(yù),沒有科學(xué)指導(dǎo)和技術(shù)支持,佛羅里達珊瑚礁將無法存活下去。

使用環(huán)氧樹脂和釘子將健康的苗圃珊瑚出圃種植在佛羅里達大松礁島近海的出圃種植基地。

圖片來源:Courtesy of Mote Marine Laboratory

雖然莫特的團隊8月仍然在夜間工作,他們用網(wǎng)收集珊瑚精子和卵子,并迅速送回實驗室進行受精,但這種方式也可能是低效的。因為在8月的佛羅里達,夜間的雷雨比迪士尼樂園飛濺山水道上的水花來得更靠譜?!叭绻驗楸╋L(fēng)雨的沖擊而錯過一個晚上,那么你就錯過了整整一年的新遺傳物質(zhì)。”德拉什米特這樣說道。

為了避免這些無法控制的風(fēng)險,莫特的團隊開始運用一種新方法——水池繁殖。在建筑內(nèi)外是混凝土做成的分層實驗室,可以抵御暴風(fēng)的侵襲,汩汩作響的淺底水池培養(yǎng)著多達5萬個珊瑚寶寶,它們生長在廚柜把手大小的水泥塞里。這些珊瑚碎片是用一種名為微斷裂的方法從健康的珊瑚上切割下來的。

德拉什米特表示,“切割激活了生長反應(yīng),所以它們的生長速度比在自然環(huán)境下快50到60倍。”當這些珊瑚的直徑達到大約3厘米時,潛水隊就會把它們移植到珊瑚礁的一個死亡珊瑚頭上?!拔覀儠@出圓形的類似意大利辣香腸比薩樣式的洞,把水泥塞塞進那些洞里,珊瑚就會迅速生長在死亡珊瑚頭上?!?/font>

莫特海洋實驗室伊麗莎白摩爾國際珊瑚礁研究與修復(fù)中心的珊瑚研究,于2018年4月13日由莫特海洋實驗室珊瑚礁修復(fù)項目的生物學(xué)家薩拉·哈姆林拍攝。圖片來源:Conor Goulding/Mote Marine Laboratory

并不是所有珊瑚都會被放到珊瑚礁上,有些仍然留在實驗室作為繁殖的母群體。這一工作由漢娜·科赫博士和生物學(xué)家科迪·恩格爾斯瑪領(lǐng)導(dǎo)。一個大型水箱里,裝滿了從實驗室外面的運河抽來的水,“我們能夠控制各項條件,使珊瑚按照我們的時間表而不是它們自己的時間產(chǎn)卵?!?德拉什米特說道。加熱器可以讓水保持理想的溫度,燈光模仿滿月的浪漫光輝,這樣浪漫的場景布置,就差一瓶紅酒了。除了8月的自然產(chǎn)卵,團隊計劃啟動一個從2022年開始的春季產(chǎn)卵周期,確保有大量受精卵能夠在實驗室里培養(yǎng),最終被移植到珊瑚礁上。

莫特和其他海洋實驗室已經(jīng)在珊瑚礁修復(fù)方面取得有希望的成果,但面對氣候變化,德拉什米特承認,“這不是救世主,而是創(chuàng)可貼。僅僅做修復(fù)是不夠的,所以我們正在很努力地從研究層面進行探索?!边@也是考特尼·克萊帕克博士所做的事情。

克萊帕克稱:“我正在尋找可以適應(yīng)海洋變暖和氣候變化的珊瑚,或者天生具有更高的耐熱性,能夠在這種環(huán)境生存下去的珊瑚?!?/font>

我們可以做一個類比。一位種蘋果的農(nóng)民想看看自己的土地是否最適合種澳洲青蘋果、富士蘋果或嘎拉蘋果。在選擇了最合適的品種后,比如富士蘋果,她能夠在她的富士果園中選擇最強壯、最美味、最能抗蟲害的果樹,并將它們嫁接到新的標本上。不管是蘋果、拉布拉多德利犬還是珊瑚,原理都是一樣的,即選擇性繁殖。并沒有經(jīng)過幾代人的努力,莫特海洋實驗室將這一過程縮短到了兩個月的時間??巳R帕克博士通過她在歐道明大學(xué)(Old Dominion University)與人合作開發(fā)的自動計算機控制系統(tǒng)——珊瑚漂白自動應(yīng)力系統(tǒng)(Coral Bleaching Automated Stress System),將這一過程進一步加速。該系統(tǒng)處理標本僅需一天時間。

克萊帕克表示,“海洋夏季最高溫度平均約為80華氏度,所以基于本世紀末的溫度預(yù)測,我們一直以86華氏度至87華氏度的溫度對珊瑚進行應(yīng)力測試?!彼郎y量珊瑚的蛋白質(zhì)水平、密度、珊瑚共生藻類的光合生產(chǎn)力以及其他因素,“此外,我非常高興可以貢獻給莫特海洋實驗室的是我研究基因表達的分子實驗。通過實驗,生理學(xué)能夠告訴我珊瑚的感受,但遺傳學(xué)可以給我生理學(xué)的先兆,完成應(yīng)力反應(yīng)的圖像?!崩?,當一片摩羯鹿角珊瑚(鹿角珊瑚)的生理數(shù)據(jù)顯示其應(yīng)力小于另一片時,“我能夠看看這種耐力是否有任何遺傳標記?!?/font>

莫特海洋實驗室在佛羅里達夏地礁島近海水下培植的鹿角珊瑚。圖片來源:Joe Berg/Way Down Video

進入莫特海洋實驗室基因庫的是強壯的標本。“如果我可以告訴[科赫和恩格爾斯瑪]哪一種珊瑚基因更好,她們就能夠?qū)W⒂谂嘤鼜妷训纳汉?,然后我們就可以繼續(xù)繁殖那些所謂更強壯的珊瑚,這類珊瑚擁有在長期氣候變化中最有希望生存下來的機制。最終,某種輔助進化的高潮就會到來。”克萊帕克這樣說道。

輔助進化這個詞聽起來的確有點多管閑事。是人類導(dǎo)致了這個問題,所以必須解決它,特別是面對一個未來越來越不適合居住的海洋。德拉什米特說:“珊瑚礁是佛羅里達州最珍貴的東西,實際上對美國也很重要,但是這些珊瑚礁并不能夠自己自然恢復(fù)。人類需要迅速干預(yù),給珊瑚礁一個過渡期,讓它們可以經(jīng)過努力生存下去。”

譯者:郝秀

審校:汪皓

八月滿月后的一至七個夜晚,午夜過后的幾個小時,是佛羅里達珊瑚的繁殖時期。

珊瑚具有產(chǎn)卵同步性,它們釋放出卵子和精子,流向星光照耀的海面?!斑@簡直就像一場水下暴風(fēng)雪?!苯?jīng)常觀察珊瑚繁殖的艾莉森·德拉什米特描述道。艾莉森是莫特海洋實驗室(Mote Marine Lab)伊麗莎白摩爾國際珊瑚礁研究與修復(fù)中心(Elizabeth Moore International Center for Coral Reef Research & Restoration)的運營主任,該中心位于佛羅里達礁島群著名的七英里大橋(Seven Mile Bridge)的南側(cè)。

許多“科學(xué)家、志愿者和任何擁有船只的人都愿意在半夜等待這一奇觀發(fā)生”,德拉什米特就是其中一位。但在她看來,這種一年一度的珊瑚繁殖現(xiàn)象雖然美麗,但效率卻極低。卵子和精子在海面散開后,精子有20分鐘的時間與卵子相遇并使其受精。受精卵成熟的幾率約為百萬分之一,也就是每25年成功一次。這是生長相對健康的珊瑚礁的情況。

然而,從大陸延伸到基韋斯特的佛羅里達珊瑚礁并不健康。2014年,邁阿密外一項疏浚工程被認定引發(fā)了細菌傳染,導(dǎo)致珊瑚感染了“石珊瑚組織損失癥”( Stony Coral Tissue Loss)這一細菌疫病,再加上海水變暖,這里98%到99%的珊瑚礁已經(jīng)白化,科學(xué)家稱其為功能性滅絕。繁殖能力強的健康珊瑚沒有達到臨界密度,在自然環(huán)境下受精變得極其困難。德拉什米特說:“所以我們必須幫助大自然母親擺脫困境?!睕]有人類的干預(yù),沒有科學(xué)指導(dǎo)和技術(shù)支持,佛羅里達珊瑚礁將無法存活下去。

使用環(huán)氧樹脂和釘子將健康的苗圃珊瑚出圃種植在佛羅里達大松礁島近海的出圃種植基地。

雖然莫特的團隊8月仍然在夜間工作,他們用網(wǎng)收集珊瑚精子和卵子,并迅速送回實驗室進行受精,但這種方式也可能是低效的。因為在8月的佛羅里達,夜間的雷雨比迪士尼樂園飛濺山水道上的水花來得更靠譜?!叭绻驗楸╋L(fēng)雨的沖擊而錯過一個晚上,那么你就錯過了整整一年的新遺傳物質(zhì)?!钡吕裁滋剡@樣說道。

為了避免這些無法控制的風(fēng)險,莫特的團隊開始運用一種新方法——水池繁殖。在建筑內(nèi)外是混凝土做成的分層實驗室,可以抵御暴風(fēng)的侵襲,汩汩作響的淺底水池培養(yǎng)著多達5萬個珊瑚寶寶,它們生長在廚柜把手大小的水泥塞里。這些珊瑚碎片是用一種名為微斷裂的方法從健康的珊瑚上切割下來的。

德拉什米特表示,“切割激活了生長反應(yīng),所以它們的生長速度比在自然環(huán)境下快50到60倍?!碑斶@些珊瑚的直徑達到大約3厘米時,潛水隊就會把它們移植到珊瑚礁的一個死亡珊瑚頭上。“我們會鉆出圓形的類似意大利辣香腸比薩樣式的洞,把水泥塞塞進那些洞里,珊瑚就會迅速生長在死亡珊瑚頭上?!?/font>

并不是所有珊瑚都會被放到珊瑚礁上,有些仍然留在實驗室作為繁殖的母群體。這一工作由漢娜·科赫博士和生物學(xué)家科迪·恩格爾斯瑪領(lǐng)導(dǎo)。一個大型水箱里,裝滿了從實驗室外面的運河抽來的水,“我們能夠控制各項條件,使珊瑚按照我們的時間表而不是它們自己的時間產(chǎn)卵。” 德拉什米特說道。加熱器可以讓水保持理想的溫度,燈光模仿滿月的浪漫光輝,這樣浪漫的場景布置,就差一瓶紅酒了。除了8月的自然產(chǎn)卵,團隊計劃啟動一個從2022年開始的春季產(chǎn)卵周期,確保有大量受精卵能夠在實驗室里培養(yǎng),最終被移植到珊瑚礁上。

莫特和其他海洋實驗室已經(jīng)在珊瑚礁修復(fù)方面取得有希望的成果,但面對氣候變化,德拉什米特承認,“這不是救世主,而是創(chuàng)可貼。僅僅做修復(fù)是不夠的,所以我們正在很努力地從研究層面進行探索?!边@也是考特尼·克萊帕克博士所做的事情。

克萊帕克稱:“我正在尋找可以適應(yīng)海洋變暖和氣候變化的珊瑚,或者天生具有更高的耐熱性,能夠在這種環(huán)境生存下去的珊瑚?!?/font>

我們可以做一個類比。一位種蘋果的農(nóng)民想看看自己的土地是否最適合種澳洲青蘋果、富士蘋果或嘎拉蘋果。在選擇了最合適的品種后,比如富士蘋果,她能夠在她的富士果園中選擇最強壯、最美味、最能抗蟲害的果樹,并將它們嫁接到新的標本上。不管是蘋果、拉布拉多德利犬還是珊瑚,原理都是一樣的,即選擇性繁殖。并沒有經(jīng)過幾代人的努力,莫特海洋實驗室將這一過程縮短到了兩個月的時間。克萊帕克博士通過她在歐道明大學(xué)(Old Dominion University)與人合作開發(fā)的自動計算機控制系統(tǒng)——珊瑚漂白自動應(yīng)力系統(tǒng)(Coral Bleaching Automated Stress System),將這一過程進一步加速。該系統(tǒng)處理標本僅需一天時間。

克萊帕克表示,“海洋夏季最高溫度平均約為80華氏度,所以基于本世紀末的溫度預(yù)測,我們一直以86華氏度至87華氏度的溫度對珊瑚進行應(yīng)力測試?!彼郎y量珊瑚的蛋白質(zhì)水平、密度、珊瑚共生藻類的光合生產(chǎn)力以及其他因素,“此外,我非常高興可以貢獻給莫特海洋實驗室的是我研究基因表達的分子實驗。通過實驗,生理學(xué)能夠告訴我珊瑚的感受,但遺傳學(xué)可以給我生理學(xué)的先兆,完成應(yīng)力反應(yīng)的圖像?!崩?,當一片摩羯鹿角珊瑚(鹿角珊瑚)的生理數(shù)據(jù)顯示其應(yīng)力小于另一片時,“我能夠看看這種耐力是否有任何遺傳標記。”

進入莫特海洋實驗室基因庫的是強壯的標本。“如果我可以告訴[科赫和恩格爾斯瑪]哪一種珊瑚基因更好,她們就能夠?qū)W⒂谂嘤鼜妷训纳汉?,然后我們就可以繼續(xù)繁殖那些所謂更強壯的珊瑚,這類珊瑚擁有在長期氣候變化中最有希望生存下來的機制。最終,某種輔助進化的高潮就會到來?!笨巳R帕克這樣說道。

輔助進化這個詞聽起來的確有點多管閑事。是人類導(dǎo)致了這個問題,所以必須解決它,特別是面對一個未來越來越不適合居住的海洋。德拉什米特說:“珊瑚礁是佛羅里達州最珍貴的東西,實際上對美國也很重要,但是這些珊瑚礁并不能夠自己自然恢復(fù)。人類需要迅速干預(yù),給珊瑚礁一個過渡期,讓它們可以經(jīng)過努力生存下去。”

譯者:郝秀

審校:汪皓

A couple hours after midnight, one to seven nights after the August full moon, Florida coral are in the mood.

With a swimmer’s synchronicity, they release their eggs and sperm, which stream toward the starlit surface, “l(fā)ike reverse snow happening in the water,” as described by frequent coral spawning observer Allison Delashmit, the director of operations for Mote Marine Lab’s Elizabeth Moore International Center for Coral Reef Research & Restoration on Summerland Key, on the south side of the Keys’ famous Seven Mile Bridge.

From Delashmit’s perspective, amid a flotilla of “scientists, volunteers, and anyone with a boat that was willing to sit out in the middle of the night and wait for this event to happen,” the annual phenomenon is beautiful, but incredibly inefficient. When the bundles of eggs and sperm detonate on the surface, the latter has 20 minutes to reach and fertilize the former. Chances of a fertilized egg reaching maturity is about one in a million. Every 25 years. That’s in a relatively healthy reef.

The Florida reef, which stretches from the upper mainland to Key West, is not a healthy reef. Stemming from a 2014 infection thought to originate from a dredging project outside Miami, the bacterial blight of Stony Coral Tissue Loss disease coupled with warming seas has left the reef 98% to 99% bleached, a state scientists call functional extinction. Absent a critical density of fit, reproductively capable coral, fertilization in the wild becomes extremely difficult. “So we have to help Mother Nature out,” Delashmit says. Without human intervention, guided by science and supported by tech, the Florida reef won’t survive.

While the Mote team still does the August overnight shifts, collecting the sperm and eggs in a net and quickly transporting them back to the lab for fertilization, that can also be inefficient—because if there’s one thing more reliable in Florida in August than tantrums in line at Splash Mountain, it’s nighttime thunderstorms. “And if you miss your one night because you’re run off the water by a storm,” Delashmit says, “then you’ve missed a whole year of new genetic material.”

To hedge against these uncontrollable elements, Mote has started a new process of tank-spawning. Inside and outside the building, a hurricane-proof concrete lasagna of laboratories, shallow, burbling tanks support up to 50,000 coral babies growing cement plugs the size of kitchen cabinet knobs. These pieces are cut from healthy coral in a method called microfragmentation.

“Cutting activates a growth response, so these grow 50 to 60 times faster than they would naturally in the wild,” Delashmit says. When these animals reach roughly three centimeters in diameter, the dive team transports them to a dead coral head on the reef. “We drill holes in a circular, pepperoni-pizza pattern, stick the plugs in those holes, and the coral quickly grows onto the dead coral head.”

Not all of the animals head to the reef. Some remain at the lab as parent colonies for reproduction led by Dr. Hanna Koch and biologist Cody Engelsma. In a large aquarium filled with water pumped from the canal outside the lab, “we are going to be able to manipulate conditions to what we need them to be for the corals to spawn on our schedule and not their own,” Delashmit says. Heaters maintain the ideal water temperature. Lights mimic the romantic glow of the full moon. These coral get everything but a bottle of wine. In addition to the natural spawning in August, the plan is to trigger a spring cycle starting in 2022, guaranteeing a healthy crop of fertilized eggs that can be raised in the lab and eventually, transplanted out to the reef.

Mote and other marine labs have seen promising results with reef restoration, but in the face of climate change, Delashmit admits, “It’s not a savior, it’s a Band-Aid. Doing restoration is not enough, so we’re really trying to dig into the research side of things,” which is where Dr. Courtney Klepac comes in.

“I'm looking for corals that can keep the pace with ocean warming and climate change or that have a naturally inherently higher tolerance that [will allow them to] survive,” Klepac says.

For comparison’s sake, consider an apple farmer who wants to see if her land is best suited for growing Granny Smith, Fuji, or Gala apples. After selecting the best performer—say, the Fuji—she can select the strongest, tastiest, most pest-resistant trees in her Fuji orchard and graft them into new specimens. Whether apples or Labradoodles or coral, the principle is the same: selective breeding. But instead of doing this over generations, Mote has sped up the process to two months. Klepac has accelerated it even further through a computer-controlled automatic system she co-developed while at Old Dominion University, the Coral Bleaching Automated Stress System (CBASS), which processes specimens in one-day experiments.

“The summertime maximum [ocean temperature] average is about 80 degrees, so we’ve been stressing our corals at 86, almost 87 degrees, based on end-of-century predictions,” Klepac says. She measures protein levels, density, photosynthesis productivity of coral’s symbiotic algae, and other factors, “and then the other side that, which I'm excited to bring to MOAT, is my molecular work where I look at gene expression. After an experiment, the physiology can tell me what the coral is feeling, but the genetics can give me a precursor to the physiology, completing the picture of the stress response.” When the physiological data from one piece of Acropora cervicornis (staghorn coral), for example, shows less stress than another piece, “I can look and see if there’s any genetic marker for that resistance.”

Into Mote’s gene bank strong specimens go. “If I can tell [Koch and Engelsma] which corals are doing the best, she can focus on breeding those stronger corals, and then we can just keep populating the quote-unquote strong corals that have the most promising mechanisms for surviving long-term change,” Klepac says. “Ultimately this culminates into kind of assisted evolution.”

If that term sounds meddlesome, it is. Humans created this problem and have to solve it, especially in the face of an increasingly inhospitable future ocean. “Our reef is the crown jewel of Florida, but really the crown jewel of the United States, and cannot naturally recover on its own,” Delashmit says. “It will take swift human intervention to provide the stopgap to give the reef a fighting chance.”

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