珊瑚礁是重要的自然生态系统,但面临包括气候变化在内的多种风险。
海洋生物学家正在修复项目中帮助珊瑚繁殖。
了解成功的繁殖过程,或许是珊瑚礁生存的关键。
珊瑚礁为全球四分之一的海洋物种提供栖息地,但气候变化、过度捕捞和污染可能在几十年内使这些生态系统走向灭绝。
海洋生物学家一直在争分夺秒地修复退化的珊瑚礁。他们从野外采集珊瑚并将其切割成碎片。这种方法能促使珊瑚快速生长,并迅速产生数百个较小的珊瑚,这些珊瑚可在苗圃中培育,最终移植回珊瑚礁。
但如果每个碎片都是同一亲本的相同复制体,那么由此形成的任何群体很可能在基因上与种群其他个体完全相同。这一点至关重要——具有多样化遗传特征的群体,有助于增强珊瑚礁抵御疾病和快速变化环境的能力。
那么,如果科学家能够在珊瑚修复项目中利用有性繁殖会怎样?在野外,构成全球热带珊瑚礁主体的石珊瑚物种会将精子和卵子释放到水体中进行繁殖。珊瑚通常会在满月时同步进行这种大规模产卵,此时潮汐格外高。强劲的水流会将卵子广泛扩散,使其被远处群体的精子受精。
有性繁殖产生的后代拥有来自不同亲本的独特基因组合,这有助于保持珊瑚种群的遗传多样性。通过有性繁殖培育的珊瑚修复的珊瑚礁可能更具韧性,不过科学家们对这一过程的管理一直并不容易。但通过参与墨西哥的一个项目,我看到了这一切的可能性,并学会了如何亲自操作。
实验室中的珊瑚有性繁殖
珊瑚礁规模庞大,从太空中即可看到。但观察它们的产卵过程却出奇地困难。它们每年只在少数几个夜晚产卵,而具体日期和时间由环境因素决定,科学家们仍在努力深入了解这些因素。
气候变化也使得已知产卵模式的珊瑚礁改变了产卵时间,使这些产卵事件变得更加罕见且难以预测。这使得不同群体难以同步产卵,从而降低了它们在野外成功受精的几率。
墨西哥国立自治大学的CORALIUM实验室隶属于一个加勒比地区范围的网络,该网络由专门研究珊瑚产卵的专家组成。这里的科学家从多个加勒比珊瑚礁采集珊瑚精子和卵子,以便在实验室中使其受精。
团队会等待满月,以确定珊瑚可能产卵的时间。珊瑚的精子和卵子通过漂浮网和塑料容器收集,潜水员会极其小心,以避免破坏珊瑚礁。所采集的数百万个精子和卵子会被迅速运回实验室,在那里进行清洁和整夜监测,并在辅助受精后开始成为可自由游动的幼虫。这些幼虫对水质、温度和病原体极为敏感,因此需要持续照料。
最终,幼虫会附着在坚硬的表面上,并转变为息肉——即珊瑚群体的初始构建单元。在海洋中,这些表面通常是已死亡的珊瑚骨骼。在实验室中,它们则是播种单元——由保护组织SECORE的科学家设计的三维结构,形状类似珊瑚碎屑,可在海流中漂浮,随后沉降到珊瑚礁上。
以这种方式培育出的每个幼体都携带独特的基因组合,它们会将这些基因传递给新一代珊瑚。由此形成的种群拥有更强的基因库,有助于其抵御新的疾病和其他威胁。这种长期策略还确保了有性繁殖能够在修复后的珊瑚礁上持续进行,而这对于由相同克隆体组成的种群而言是不可能实现的。
修复加勒比珊瑚礁
自20世纪70年代中期以来,加勒比地区可能已损失高达80%的珊瑚覆盖面积。剩余的珊瑚群体现已相对孤立,降低了它们相互杂交的可能性。但在实验室的受控条件下,受精率超过80%已十分常见,幼虫存活率也很高。这意味着数千只幼年珊瑚只需经过短短几周的培育,便可达到可移植到珊瑚礁上的状态。
然而,夜间潜水作业、专用的产卵收集材料以及需要精确控制受精过程的实验室,使得这项工作对于规模较小的修复项目而言往往成本过高。因此,这里的科学家开发了低成本的实验室产卵方法,并正在培训来自整个加勒比地区的团队以采用这些方法。
我于2016年参加了他们的课程,一年后,我发现自己正在坎昆附近、CORALIUM实验室以南一小时车程的阿库马尔(Akumal)建立一个新的产卵站点。此前这里从未观察到珊瑚产卵,但我培训了当地潜水中心的志愿者,教他们如何识别相关迹象。在我们连续进行的第五次夜间潜水中,我们观察到多个Elkorn珊瑚群体同步产卵。
我们将一间酒店客房临时改造为实验室,配备了经过消毒的塑料幼虫养殖槽和过滤海水,并为修复地点培育了数千只珊瑚幼体。2018年,我们以有限的预算在海滩边建造了一座珊瑚产卵实验室。该建筑位于一棵树下,采用砌块结构,墙壁为防蚊网,凉爽的海风得以使养殖槽保持在恒定的28-29°C。
该实验室恰好在当年月食到来之际基本投入运行。我们没有预料到会有如此多的珊瑚群体同时大规模产卵,因此实验室启用当天一片混乱,到处都是来自不同站点和亲本群体、颜色编码的收集杯。
经营珊瑚产卵站点是我迄今为止职业生涯中最有成就感的经历。它体现了研究应有的一切:前沿、充满活力且具有挑战性。这正是我成为海洋科学家时所期望的。
