在美屬薩摩亞海岸外，熱帶陽光照射在淺潮汐瀉湖上，每天將水加熱到令人灼熱的 35 °C 幾個小時。這樣的溫度會殺死大多數珊瑚礁，然而薩摩亞瀉湖卻孕育著庭院般的鹿角狀分枝珊瑚和冰箱大小的塊狀珊瑚。“它們在那裡的事實意味著它們已經適應了生存，”加利福尼亞州斯坦福大學的海洋生物學家史蒂夫·帕倫比說。“真正的問題是：它們是如何做到的，所有的珊瑚都能做到嗎？”帕倫比才剛剛開始瞭解這些薩摩亞珊瑚如何在如此極端的條件下茁壯成長。他認為他或許能夠利用這種能力來建立一個由耐寒珊瑚組成的珊瑚礁，使其有機會在因氣候變化而預期的炎熱海域中生存。從八月份開始，他和他的團隊將嘗試種植“我們能想象到的最聰明的未來珊瑚礁”。
帕倫比是世界各地一小群珊瑚研究人員中的一員，他們正在解決這些問題，以便為受威脅的珊瑚礁提供生命線。他們的最終目的是啟動一項“人類輔助進化”計劃，在受控苗圃中培育抗性珊瑚，並將它們種植在已經或將要受到環境變化重創的地區。“以這種方式與珊瑚合作是一個勇敢的新世界，”夏威夷大學馬諾阿分校的海洋生物學家露絲·蓋茨說，她與澳大利亞海洋科學研究所（位於湯斯維爾）的珊瑚遺傳學家瑪德琳·範·奧本一起，正在幫助開創這一領域。
這項工作並非沒有爭議。儘管目前還沒有人嘗試創造轉基因珊瑚，但一些研究人員擔心，人類輔助進化在改變自然系統的道路上走得太遠。“如果你基本上是在養殖珊瑚礁，那麼你就拿走了一個自然棲息地並將其改造了，”馬薩諸塞州納漢特市東北大學海洋科學中心的珊瑚遺傳學家史蒂夫·沃爾默說，他認為在開展此類專案之前需要了解更多。“這就像去中西部把草原變成大豆一樣。這樣做會產生巨大的影響。”
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水深火熱之中
近幾十年來，珊瑚礁一直受到各種因素的圍攻，從海水變暖到海洋酸化、疾病、過度捕撈和汙染。《世界珊瑚礁狀況：2008》是一份由數百名科學家和環境管理者編寫的綜合報告，其中指出，自 1950 年以來，世界 19% 的珊瑚礁已經消失，另有 35% 受到威脅或處於危急狀態。一些地區遭受的損失尤為嚴重：例如，自 20 世紀 70 年代以來，加勒比海地區已損失 80% 的珊瑚礁。到本世紀末，研究人員預計全球海洋的平均 pH 值將從 8.1 降至 7.9 或更低，並且升溫至少 2 °C。“這有點像你拔掉浴缸的塞子，水正在流出來——這就是珊瑚的狀況，”帕倫比說。
珊瑚礁修復專案 20 多年來一直側重於加勒比海和其他受災嚴重的地區。在這些專案中，從當地珊瑚礁採集小樣本，並在受控的珊瑚苗圃中生長。幾個月後，手掌大小或更大的碎片可以使用水下水泥“移植”到珊瑚礁中，珊瑚將在那裡繼續生長。此類專案表明，移植和珊瑚礁修復可以在小規模上進行。但移植的珊瑚比正常珊瑚生長得更慢，死亡率更高。“珊瑚修復一直非常昂貴、緩慢且效率低下，”帕倫比說。“弄清楚如何以更智慧的方式做到這一點是我們的目標。”
這種更智慧的方式利用了一些珊瑚及其內部共生藻類驚人的復原力和適應能力。“有時我們會發現一些珊瑚礁在最不期望找到它們的地方生長得非常好，”蓋茨說——例如臺灣附近的一個珊瑚礁，它位於核電站廢水排放管下方，每天經歷 6 °C 到 8 °C 的溫度波動。“根據我們所有的理解，我們預計這些珊瑚都會死亡。但它們沒有，它們正在蓬勃發展。”pH 值降低的水預計會溶解珊瑚骨骼——但在西太平洋的帛琉，研究人員發現，在相對酸性的水域中，珊瑚礁比太平洋平均水平更大、更多樣化。另一項研究發現，如果模型考慮到珊瑚在先前漂白事件後適應的能力，那麼關於未來珊瑚漂白事件（受脅迫珊瑚失去共生藻類時的大規模死亡）頻率的可怕預測將減少 20-80%。這會將預測的大規模珊瑚礁死亡推遲大約十年。
到目前為止，研究人員只有少數線索表明是什麼使一些珊瑚具有復原力。在 2013 年發表的一項研究中，帕倫比和他的同事，包括斯坦福大學的海洋生物學家丹尼爾·巴什斯，比較了美屬薩摩亞奧富島附近野外站點的兩種造礁珊瑚鹿角珊瑚 (Acropora hyacinthus) 種群。一個種群生活在溫暖的水池中，夏季低潮時溫度達到 35 °C，每天波動高達 6 °C；另一個種群受潮汐隔離較少，必須應對僅約 29 °C 的溫度。該團隊將樣本放入受控水箱中，並用比正常溫度高近 3 °C 的溫度衝擊它們四天。到第四天結束時，所有珊瑚都漂白了。但來自較熱水池的珊瑚存活時間更長，並且 60 個基因的表達更高，包括眾所周知的耐熱基因，例如那些產生熱休克蛋白和抗氧化酶的基因。
帕倫比和巴什斯認為，遺傳適應性和馴化都在提高耐受性方面發揮著重要作用。他們的分析表明，珊瑚可以在其生命過程中“變得更強壯”，以應對環境條件。巴什斯說，那些在炎熱水池中的珊瑚在生理上已經準備好承受額外的熱應激，“就像一個從小就每天訓練的運動員”。
一個有希望的轉折是，更耐熱的物種似乎也更易於移植。在將來自兩個珊瑚礁區域的約 400 個樣本實驗性地重新種植到兩個水池後，帕倫比和他的團隊發現，來自較熱水池的珊瑚比來自較冷水池的珊瑚移植效率更高，生長速度更快。
今年八月，帕倫比和他的同事計劃在奧富島附近的西利珊瑚礁開始一項實驗性修復專案。為了選擇最好的珊瑚，研究人員將依靠他們在該地區的大量資料，包括生長測量和轉錄組——基因組中積極轉錄成蛋白質的部分的藍圖。他們還計劃使用帕倫比正在開發的珊瑚行動式壓力測試資料——“就像人類心臟功能的跑步機測試一樣”，他說。他和他的團隊用 7.5 升的冷藏箱建造了水箱，這些水箱裝有燈、加熱器和冷卻器，可以對珊瑚進行受控的高生理壓力衝擊。透過監測漂白和葉綠素含量，他們應該能夠預測珊瑚可能如何應對潛在的漂白條件。
以所有這些資訊為指導，他們將為他們的智慧珊瑚礁手工挑選最耐寒、生長最快和最耐熱的珊瑚。與此同時，他們將用隨機選擇的珊瑚建造第二個珊瑚礁。然後，他們將監測珊瑚礁在未來幾年的生存狀況。“問題是：如果我們掌握了大量關於單個珊瑚的資訊，我們能否做得更好？”帕倫比說。“老實說，我不知道答案。”
生存的遺產
其他人已經發現令人鼓舞的證據，表明透過馴化獲得的抗逆性可以遺傳給後代。夏威夷大學的霍莉·普特南領導的蓋茨未發表的研究表明，在育雛期間暴露於壓力的成年菜花珊瑚（Pocillopora damicornis）產生的幼蟲對熱和海洋酸化的抵抗力增強。該團隊推測，這種跨代保護是由表觀遺傳變化引起的：基因組上分子標籤的修飾，這些標籤會影響基因表達。
蓋茨和範·奧本的目標是專門研究那些已經經歷了大規模漂白事件的地區，例如法屬波利尼西亞的莫雷阿島、澳大利亞中部的大堡礁和塞席爾群島，在 1997-98 年厄爾尼諾海洋變暖事件之後，塞席爾內島 97% 的珊瑚死亡。（塞席爾倖存珊瑚的苗圃已經建立，從中生長的碎片已被種植到珊瑚礁上以幫助其恢復。）蓋茨和範·奧本的目標是雜交繁殖在如此壓力重重的漂白事件中倖存下來的珊瑚，並跟蹤後代的復原力。
他們的想法為蓋茨和範·奧本贏得了 2013 年保羅·G·艾倫海洋挑戰獎 10,000 美元，以及申請數百萬美元資金的邀請。根據資金到位情況，他們還計劃在珊瑚繁殖前使用熱和酸來脅迫珊瑚，以觀察耐受性是否以及如何代代相傳。從五月份開始，範·奧本和她的團隊將開始從大堡礁收集分枝珊瑚尖枝鹿角珊瑚 (Pocillopora acuta) 的成體，並將在澳大利亞海洋科學研究所的大型國家海洋模擬器中培育它們，這是一個水族館設施，提供受控水箱以複製開放海洋條件。
最終，蓋茨和範·奧本希望建立一個來自極端環境的配子和受精卵胚胎的“種子庫”，在這些極端環境中，珊瑚不顧一切地存活下來——包括夏威夷椰子島周圍的淺珊瑚礁，那裡的溫度和 pH 值都劇烈波動，達到類似於 2050 年開放海洋中預期的上限。種子庫將為美國史密森尼學會與夏威夷和澳大利亞機構合作牽頭的努力做出貢獻，這些機構已經在儲存珊瑚精子和胚胎細胞。拼圖的最後一個重要部分是珊瑚的共生藻類：這些藻類比它們的宿主壽命更短、進化速度更快，研究表明它們可以傳遞耐熱性。例如，一項研究發現，當暴露在高達 32 °C 的溫度下時，用從以耐熱性聞名的溫暖珊瑚礁收集的藻類菌株接種的幼年珊瑚生長良好，而用來自較冷珊瑚礁的藻類接種的相同珊瑚樣本則遭受漂白和組織死亡。
佛羅里達州邁阿密大學的海洋生物學家安德魯·貝克和他的同事發現，當某些珊瑚受到熱應激時，來自稱為 D 進化枝的譜系的共生體往往會變得更加普遍，這表明該藻類比其他菌株更能在這種條件下生存，並且它們也有助於宿主生存。此後，研究表明，D 進化枝共生體，特別是 D1 和 D1a 型別，在各種在極端漂白事件中倖存下來的珊瑚中很普遍。普特南、蓋茨及其同事發現，另一種菌株 C15 似乎在莫雷阿島附近耐熱珊瑚中占主導地位。
像貝克這樣的研究人員開始考慮是否有可能有意用更耐寒的藻類菌株為珊瑚礁播種，以幫助它們抵抗氣候變化的危害。但目前尚不清楚是否有可能在野外有效地操縱共生體種群，在野外，環境條件可能會導致珊瑚偏愛一種藻類而不是另一種藻類。
現有珊瑚苗圃和農場的工作人員一直在向研究人員傳送珊瑚和共生體的樣本進行基因測序，同時密切關注哪些生物在熱衝擊或疾病爆發中表現良好。馬薩諸塞州波士頓大學的海洋生物學家萊斯·考夫曼說，研究人員已經儲存了來自少數幾種珊瑚物種的數百種基因分型菌株，包括來自加勒比地區、極度瀕危的鹿角珊瑚（Acropora cervicornis）。
幫助還是傷害
用設計師打造的珊瑚建造珊瑚礁的日子還在未來。但隨著研究朝著這個方向發展，一些人擔心這種修補可能會弊大於利。
例如，選擇耐熱或耐酸等性狀可能會導致遺傳瓶頸。“選擇性育種計劃可能會透過縮小遺傳變異來有效降低珊瑚適應未來環境變化的能力，”湯斯維爾詹姆斯庫克大學的珊瑚生物學家大衛·米勒說。而且，這還是假設珊瑚的選擇性育種有效。他說，現在甚至還為時過早，無法判斷耐酸和耐熱性是否具有很強的遺傳性。
米勒和其他人指出，例如，雜交育種以增強作物和狗的特定性狀，往往是以犧牲其他性狀為代價的。“通常存在‘權衡’效應，例如，更耐壓力的個體可能生長得更慢，”米勒說。例如，選擇抵抗熱和酸性的能力可能會導致更容易感染疾病。
沙烏地阿拉伯圖瓦爾市阿卜杜拉國王科技大學紅海研究中心的進化分子生物學家曼努埃爾·阿蘭達同意，育種可能會付出代價。但他表示，珊瑚礁健康的嚴重下降值得探索所有可用的選擇。“如果你想到失去整個生態系統，你就會想要從某個地方開始。”
貝克說，直到最近，珊瑚礁管理的目標還只是建立海洋保護區，減少汙染和捕撈的壓力，希望這能使珊瑚礁足夠強大，以應對氣候變化。“隨著人們意識到情況有多麼危急，鐘擺已經發生了某種程度的轉變，”貝克說。“我們需要做的不僅僅是這些。我們需要採取行動。”
約有 5 億人以某種方式依賴珊瑚礁獲取食物和收入，另有 3000 萬人的生計完全依賴珊瑚礁。對於蓋茨來說，諸如此類的資料，再加上氣候變化的事實，使得追求輔助進化成為必要且緊迫的事情。“我們沒有太多時間了，”她說。