“迁移、适应或死亡”:科学家能否帮助珊瑚在气候变化中生存下来?

香港大学的科学家正在研究通过辅助进化和接种“益生菌”等手段能否帮助珊瑚在不断变暖的水域中生存。

Dr Shelby McIlroy checking on coral Galaxea fascicularis whose symbiotic algae are being chaged in the lab as part of experimental work

香港大学的谢尔比·麦基尔罗伊博士正在检查丛生盔形珊瑚。这种珊瑚的共生藻经过实验性的改造,有可能帮助珊瑚提高对温暖水域的耐受性。图片来源:乔恩∙齐布尔斯基

海中的珊瑚主要依赖与其共生的藻类进行的光合作用而获得食物。同时,珊瑚坚硬的石灰石骨架又为栖身其中的共生藻提供了庇护,并呼出能够进一步促进光合作用的二氧化碳。共生藻类往往比珊瑚本身更不耐热,因此海洋变暖会干扰藻类物种,进而威胁这个古老的共生循环。

如果一个地区的温度比通常最高温度高出1或2摄氏度,只需一个月,就足以迫使珊瑚排出藻类共生体,导致其丧失鲜艳的色彩(即“白化”)。如果这一过程持续太长时间,珊瑚可能会饿死。近年来,大规模珊瑚白化事件发生的频率和严重程度都不断增加。考虑到珊瑚礁维持着四分之一海洋生物的生存以及10亿人的生计,这一点尤其令人担忧

香港大学太古海洋科学研究所(Swire Institute of Marine Science)教授谢尔比·麦基尔罗伊(Dr Shelby McIlroy)认为,对于那些生活在正在变暖的海域中的珊瑚,它们剩下的选择是“迁移、适应或死亡”。

而珊瑚也的确正在迁移。在亚洲,珊瑚正在向北发展。现在,韩国海岸和东京湾都出现了珊瑚群落,而这些地方曾经因为太冷而不适合珊瑚的生存。

与麦基尔罗伊同在太古海洋科学研究所共事的珊瑚生态学家、副教授大卫·贝克(David Baker)认为,中国内地和香港的科学家有得天独厚的条件来帮助珊瑚迁移,在一切还来得及的时候,将珊瑚从不断变暖的热带水域中迁移出来。

“中国是地球上为数不多海岸线横跨热带和温带的地区之一,而香港大学则是中国具有珊瑚礁生态方面专长的院校之一。随着气候变化的持续,中央和地方政府可以共同努力,帮助加快中国南海珊瑚的北移,”贝克说。

尽管20世纪50年代以来,中国已经丧失了80%的珊瑚礁,但它正在尽力恢复它们。

Dr McIlroy and the aquarium in the Swims lab where corals collected from the field are held to acclimate | Credit Jon Cybulski
野外收集的珊瑚首先要在水箱里适应一段时间,之后麦基尔罗伊的团队便可以用它们来做实验。图片来源:乔恩∙齐布尔斯基

为珊瑚提供“益生菌”?

麦基尔罗伊说,另一个办法是选择性繁殖,又称辅助进化,帮助珊瑚适应不断升高的温度。家养的猫、狗和金鱼,以及大部分粮食作物都是这一过程的产物。但珊瑚的生长和繁殖速度远低于宠物,而热带海洋正在迅速变暖。“我们剩下的时间可能不够用选择性繁殖来提高珊瑚的耐热性,”麦基尔罗伊说。

麦基尔罗伊说,帮助珊瑚适应高温的一个更快的方法可能就是让共生藻发挥类似“益生菌”的作用,为珊瑚添加更耐热的共生藻类。

在野外,珊瑚上的藻类都是来自周围的海水,不同的藻类可以共存于同一株珊瑚上。麦基尔罗伊的团队发现,这些不同种类的海藻之间非但不是睦邻,反而是竞争对手,在竞争资源的同时互相“欺凌”。不幸的是,珊瑚中耐热性更高的藻类都是“被欺凌”的对象。

Galaxea fascicularis corals in Swims lab where their symbiont species are manipulated | Credit Jon Cybulski
近距离观察太古海洋科学研究所实验室中的丛生盔形珊瑚。图片来源:乔恩∙齐布尔斯基

主要的“霸凌者”之一是一种拉丁名为Cladocopium goreaui的C系虫黄藻。在30摄氏度左右的最适温度下,它会抑制其他藻类,包括耐热型虫黄藻Durusdinium trenchii

麦基尔罗伊称耐热型虫黄藻是一种“背景”共生藻——正常温度下仅占珊瑚内藻类生物量的5%左右。

不同于耐热型虫黄藻的是C系虫黄藻无法耐受高温。温度一旦超过30摄氏度,其生长速度就会减慢,而这时耐热型虫黄藻就从受到压抑的状态中解放出来,扩张到珊瑚组织中,帮助其恢复生命。麦基尔罗伊称其为“最后的存活者——能够在其他所有藻类都不可能存活的地方茁壮生长。”

问题是一旦温度回落,C系虫黄藻就会卷土重来,对耐热型虫黄藻形成压制,使其缩回珊瑚组织深处。这样一来,珊瑚又变得不耐高温。

瞄准珊瑚幼虫

科学家能否通过调整共生藻类的平衡,扶植更加耐热的品种来提高珊瑚的耐热性?可否通过给珊瑚“接种”能够耐受更高温度的藻类来应对这一“新常态”呢?

麦基尔罗伊认为这是可行的:“耐热型虫黄藻存在于多种不同的珊瑚和环境中,珊瑚‘益生菌’的想法也在获得重视。2006年以色列科学家首次提出利用‘益生菌’法来防治珊瑚病。”

但她警告称,这一过程不会是“把耐热型虫黄藻倒在珊瑚礁上”这么简单,原因在于成年珊瑚中的藻类群落很难操控,因此应该给幼年珊瑚接种耐热藻。

“我们必须利用珊瑚的幼年阶段,这个阶段它们对于共生藻类的选择最为灵活。这是一个或另一个共生体占据主导之前的窗口期——大约10周。成年后这个窗口期就变短了。可以在早期给珊瑚接种藻类,供(成年)珊瑚以后使用,”她解释说。

McIlroy with flasks where the symbiotic dinoflagellate algae are grown Credit Jon Cybulski
太古海洋科学研究所实验室中培育的用于接种实验的珊瑚共生藻类。图片来源:乔恩∙齐布尔斯基

珊瑚一旦接种耐热性更高的藻类,另一个挑战就出现了:如何在珊瑚内保持理想的藻类比例。目前还不清楚影响这一比例的因素,或者珊瑚本身能否调节这一比例。

“我们可以将藻类植入进去,但不知道怎么控制它们的比例和丰度。我认为珊瑚在某种程度上能够有所控制,但还没有多少直接证据可以证明这一点。这是我未来要研究的问题,利用同位素标记过的食物来研究珊瑚是否会在藻类中做出选择,”麦基尔罗伊说。

她接着解释称,或许有可能以野外的珊瑚幼虫为目标,在珊瑚产卵时将耐热藻类投放到海里。

但她认为更好的办法是采集珊瑚幼虫,然后在水箱中接种,让它们在人造砖上安顿下来形成群落。等群落长大到合适的大小,再把砖和珊瑚一起移植到海中,形成新的耐热型珊瑚礁。

太古海洋科学研究所的科学家正率先尝试利用3D打印的粘土砖进行珊瑚修复,在这些粘土砖上种上具有特定共生藻的珊瑚碎片后将其放置在海底。粘土砖专门设计的结构可以保护珊瑚幼体免受海胆等食肉动物的伤害。2019年,太古海洋科学研究所推出了一项由香港渔农自然护理署资助并共同管理的项目,在海下湾海洋公园放置了128块这样的粘土砖。

麦基尔罗伊称这两种方法可以混合使用。为了不依赖每年的产卵活动,“我们可以采集活的珊瑚碎片,在实验室内使其白化,但不能让其死亡。然后在水中加入不同的藻类,让它们开始重新在珊瑚上繁衍生息。”然后,可以将这些接种后的碎片种到3D打印的粘土砖上,再移植回海里。

然而,尽管“益生菌”法有可能帮助珊瑚,麦基尔罗伊称这个方法是“治标不治本”。

“如果海洋继续变得越来越热,就算是耐热型共生藻也有可忍受的温度上限。除非我们开始扭转导致气候变化的因素,否则50到100年后,我们将看到珊瑚生态系统彻底崩溃,”她警告称。

翻译:YAN