科學家正採取極端措施幫助珊瑚生存

我正站在澳大利亞的海灘上，腳趾深深地陷入沙灘中，拉上潛水服的拉鍊，準備潛入大堡礁。當我凝視著大海時，十年前我曾在這個地點潛水的回憶讓我興奮不已。在俄亥俄州長大，我童年時期除了痴迷於探索頻道外，還閱讀了《海洋生物學家的一天》。我在俄亥俄州一個昏暗的石灰石採石場獲得了水肺潛水認證，並在一年後到達了大堡礁。我回憶起那次潛水那天，期待感擠壓著我的胸膛。我的朋友艾米麗，現在是一位海洋藻類專家，和我打賭誰能讓我們的空氣持續更久，結果大約是神奇的兩個小時。我們被充滿活力的珊瑚森林迷住了，那裡有墨魚、巨大的紫色蛤蜊和優雅的海龜。

現在我又回來了，這次是作為澳大利亞海洋科學研究所的博士後研究員。我涉水走到齊下巴深的地方，將頭傾入水下，透過面罩觀看。我的心沉了下去。墨魚不見了。巨大的蛤蜊不見了。海龜不見了。珊瑚變得黯淡無光。大部分生機勃勃的生命已被藻類和沉積物取代。雖然我知道一些資深科學家分享了令人心碎的故事，講述了特定珊瑚礁如何在他們漫長的職業生涯中退化，但我感覺自己太年輕了——才工作10年——就看到了如此驚人的變化程度。我不應該在我的任期結束時才有這種經歷嗎，而不是開始時？或者更好的是，根本沒有這種經歷？

我的震驚的 realization 發生在 2014 年，當時第三次全球大規模白化事件開始了。珊瑚，經常被誤認為是岩石，是由活的動物組織組成的，這些組織包含微小的藻類，藻類為珊瑚蟲提供食物並賦予其顏色。當海洋溫度升高給珊瑚帶來壓力時，它們會排出藻類，導致組織白化——變成白色——並使其容易受到飢餓和疾病的侵襲。大規模白化持續了三年，摧毀了世界各地的珊瑚礁，令人心碎。雖然珊瑚礁可能受到過度捕撈、汙染和海洋酸化的威脅，但今天最令人擔憂的是變暖造成的快速而廣泛的破壞。

關於支援科學新聞業

如果您喜歡這篇文章，請考慮支援我們屢獲殊榮的新聞業，方式是 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續刊登關於塑造我們當今世界的發現和想法的有影響力的故事。

第一次重大全球白化事件發生在 1998 年和 2010 年，每次都是由厄爾尼諾現象加劇的海洋變暖引發的。2014-2017 年的事件是迄今為止持續時間最長、範圍最廣的一次，損害了全球 70% 以上的珊瑚礁。據報道，大堡礁三分之二的珊瑚礁已經死亡或嚴重白化，破壞性影響仍在持續。珊瑚礁正在我們眼前消失。在過去的 30 年裡，我們已經失去了全球約 50% 的珊瑚，聯合國政府間氣候變化專門委員會 (IPCC) 最近釋出的一份報告估計，到 2050 年，我們面臨失去 90% 以上珊瑚礁的風險。我們需要解決方案，而且我們需要快速行動。

雖然珊瑚礁僅覆蓋海洋底部的 0.1%，但它們卻支援著近 25% 的海洋物種，包括為全球數百萬人提供食物的漁業。它們還提供天然防波堤，透過減少高達 97% 的波浪能量和高達 84% 的浪高來保護沿海社群。而且它們還創造了巨大的旅遊收入。如果我們失去珊瑚礁，我們將危及 5 億人的生計以及每年超過 300 億美元的商品和服務。即使您沒有直接從珊瑚礁中受益，它們的破壞也會觸動許多人的心絃。正如我在加州科學院的同事路易斯·羅查所說，“我可能永遠看不到《蒙娜麗莎》，但我仍然不希望它被燒燬。”

在緊迫感的驅使下，科學家們正在嘗試越來越大膽和富有創意的方式來保護和恢復珊瑚礁生態系統。我們正在尋找具有可擴充套件性且不會耗盡資金的技術。目前，我們專注於少數相互補充且可以整合的方案，包括自然過程和人為輔助。這些步驟加在一起，可能會給珊瑚提供它們度過未來幾十年所需的機會，之後，希望世界能夠大幅減少排放，從而減緩變暖的速度。

我經常被問到：珊瑚礁會生存下去嗎？我認為答案是它們具有韌性，並且可能能夠應對，但它們現在需要喘息的空間。

護理珊瑚恢復健康

如果您在佛羅里達州海岸約七公里處潛水，您可能會偶然發現幾片水下塑膠樹林，珊瑚像裝飾聖誕樹的飾品一樣懸掛在樹枝上。研究人員正在使用這種苗圃，以及陸地上的苗圃，來培育珊瑚，然後可以將這些珊瑚移植或“外植”到退化的珊瑚礁上。苗圃利用了所有珊瑚都可以進行有性和無性繁殖的事實。珊瑚是克隆生物——由成百上千個基因相同的珊瑚蟲組成的動物，這些珊瑚蟲都是彼此的克隆體。它們可以透過產生卵子和精子進行有性繁殖，卵子和精子融合形成幼蟲；也可以透過一個珊瑚蟲萌發另一個珊瑚蟲進行無性繁殖。

當珊瑚被風暴破壞時，一塊珊瑚群可能會斷裂、翻滾，最終重新附著在底部並透過克隆自身繼續生長。因此，苗圃從業人員可以故意將珊瑚碎片化以創造基因相同的克隆體。如今，全球已成功養殖近 90 個物種。加勒比海和西大西洋的從業人員現在每年種植和外植數萬株珊瑚到退化的珊瑚礁上，通常由私人捐助者、贈款或政府修復專案資助。

科學家們正在尋求擴大這種修復規模。大約 14 年前，戴夫·沃恩曾在莫特珊瑚修復中心工作。當時研究人員依賴的技術在六年內生產了 600 株珊瑚。單株珊瑚的價格約為 1000 美元。但他發現，由於一種自然的癒合反應，被破碎成微小的、橡皮擦大小的“微碎片”的珊瑚，其生長速度比野外珊瑚快 25 到 50 倍。如果將具有相同基因構成（來自同一親本）的碎片放置在幾釐米的距離處，它們將重新連線成一個更大的珊瑚群。

現在，莫特科學主任艾琳·穆勒表示，該團隊可以在一個下午培育出那 600 株珊瑚，並且在他們嘗試過的所有六種物種中都取得了成功；他們的運營成本低於每株珊瑚 100 美元，有些物種每株珊瑚僅花費 25 美元。透過整合公民科學家和志願者，莫特相信它可以將成本降到遠低於這個數字。該團隊可以培育出足球大小的珊瑚，而這些珊瑚在野外需要數年才能長大。莫特計劃每年生產和外植多達 20,000 株珊瑚，並在未來幾年擴大這項工作。雖然美國國家海洋漁業局表示，恢復瀕危的加勒比鹿角珊瑚和麋角珊瑚至少需要 2.55 億美元和 400 年，但現在在佛羅里達州“種植一百萬株珊瑚”工作的沃恩希望在他有生之年將它們從瀕危物種名單中移除。

我們現在非常擅長種植珊瑚，並且在許多情況下，可以在當地層面成功地將珊瑚礁恢復到其歷史範圍和功能。但是，躍升到生態系統層面是巨大的。最嚴峻的挑戰之一是如何有意義地將修復工作擴充套件到大型規模。大多數工作覆蓋面積不到一公頃，而珊瑚礁退化正在數百至數千平方公里的範圍內發生。據估計，使用每片 5 美元的碎片重新種植長達 2300 公里的大堡礁系統，價格標籤接近 2000 億美元。但即使如此，這項成本也可能是非常值得的，因為恢復將恢復養活許多人的大型漁業，創造許多就業機會，並保護寶貴的海岸線和社群免受風暴侵襲。

珊瑚性行為

除了在苗圃中無性繁殖珊瑚外，科學家們在幫助珊瑚進行有性繁殖方面也取得了越來越大的成功，這可以擴大遺傳變異。隨著種群數量下降，遺傳多樣性喪失，這降低了珊瑚抵抗水溫升高的能力。例如，許多加勒比珊瑚礁被單一克隆體所主導，科學和歷史都告訴我們，依賴低遺傳變異，尤其是在環境變化時期，可能會導致災難。例如，在 1800 年代，單一克隆體的愛爾蘭大土豆養活了愛爾蘭不斷增長的人口，直到一場腐爛病將其摧毀，給該島的人民和經濟帶來了毀滅性打擊。更多樣化的作物會表現得更好。正如土豆和人一樣，遺傳多樣性可以使珊瑚不易受到環境壓力的影響。

有性繁殖是大自然構建多樣性的方式。珊瑚固定在海底，因此它們無法四處移動尋找配偶。為了進行有性繁殖，大多數珊瑚會將卵子和精子釋放到水柱中，希望在那裡發生受精。在退化的地區，珊瑚稀少且分佈分散，這種情況變得越來越不可能發生。

在加州科學院，我們正在與大自然保護協會和珊瑚保護組織 Secore International 合作，幫助引導珊瑚完成這個棘手的過程。我們現在對不同珊瑚物種何時產卵有了很好的瞭解。在預測的產卵之夜——日落之後，在夏末的滿月附近（珊瑚出奇地浪漫）——珊瑚群會釋放卵子和精子。我們帶著網潛入水中收集它們，並將這些配子轉移到實驗室，在那裡我們在海水桶中對它們進行受精。由此產生的幼蟲通常像芝麻大小，在它們定居並開始生長之前，很容易在野外被吃掉，因此我們將它們飼養到足夠大且足夠健康，可以外植到珊瑚礁上。目標不是重新種植整個珊瑚礁，而是最大限度地提高遺傳變異，並重建足夠多的種群，以便珊瑚礁能夠自然恢復並對環境更具韌性。

許多珊瑚礁的遺傳多樣性較低，阻止了它們大量繁殖珊瑚幼體。透過結合無性和有性修復技術，我們或許能夠將一個珊瑚礁恢復到可以重建附近健康珊瑚礁的程度。目標是創造一種超越自身生命的東西。

在野外，大約只有百萬分之一的珊瑚幼體能夠存活下來。我們正在盡一切努力幫助它們度過脆弱的早期階段。我們現在幾乎可以實現 100% 的實驗室珊瑚受精成功率，並將幼蟲定居在可以外植的瓷磚上，從而增加了可以提高未來繁殖能力的性相容個體的數量，而無需我們的幫助。在 2017 年加勒比海庫拉索島的一次產卵活動中，我幫助一個團隊在短短兩天內從 25 個珊瑚群中收集了 500 萬個卵子。SECORE 創始人德克·彼得森說，這對 SECORE 來說是一個新的記錄，“表明了我們可以工作的規模。”

除了幫助珊瑚在野外繁殖外，少數幾個團體已經開始嘗試在公共水族館中繁殖珊瑚。這絕非易事，因為它取決於我們模擬觸發繁殖的環境線索套件的能力，包括月球和季節週期。幸運的是，水族館控制系統的技術進步正在使之成為可能。在加州科學院，我領導的團隊已經成功實現了兩次珊瑚產卵事件——這項成就僅在全球另一個地點——倫敦的霍尼曼博物館——取得。我們的目標是利用該系統更好地瞭解珊瑚繁殖的基本生物學，並開發和驗證有助於擴大野外修復規模的方法。

最大的障礙之一是在我們將珊瑚幼體放回海中後，如何保持它們的存活。畢竟，退化的條件首先是珊瑚衰退的主要原因，因此，在我們透過政策、意識和全球生活方式的改變來解決氣候變化、汙染和過度捕撈問題之前，我們基本上是在使用創可貼方法來為珊瑚礁爭取更多時間來嘗試生存。在此過程中，我們可能很幸運地透過有性繁殖創造出基因型，我們可以用無性技術大規模生產這些基因型。然後我們可以將它們外植出去，以便大自然母親可以選擇哪些物種可以茁壯成長。

超級珊瑚

我們不能指望好運來讓這種情況發生。而且由於海洋環境變化太快，許多珊瑚無法自然適應，科學家們正在探索其他方法來加速適應步伐。一種方法是人類輔助進化——增強珊瑚和其他珊瑚礁生物的特性，以提高它們承受壓力和在白化事件後恢復的能力。人類輔助進化已經包圍著我們日常生活的方方面面。我們購買的大部分食物都經過了選擇性育種或以某種方式進行了改良（想想“抗病番茄”）。我們的寵物經過選擇性育種，以獲得某些審美和性格特徵。那麼，為什麼不培育或增強珊瑚來抵抗氣候變化呢？

澳大利亞海洋科學研究所的瑪德琳·範·奧彭和夏威夷海洋生物研究所已故露絲·蓋茨領導的蓋茨珊瑚實驗室正在合作增強抗壓能力。蓋茨實驗室將珊瑚放在“環境跑步機”上，以訓練它們應對壓力。在實驗室中將某些珊瑚暴露於亞致死溫度壓力下，實際上可能會促使它們開啟某些基因，從而幫助它們在長期內更好地應對更大的熱應力。這個過程被稱為表觀遺傳調優，如果經過訓練的珊瑚被移植到珊瑚礁上，在那裡它們可以將這種能力傳遞給後代，創造出“超級珊瑚”，那麼它可能會更加令人興奮。從理論上講，表觀遺傳調優可以增強珊瑚抵抗白化的能力。

我們才剛剛開始瞭解這個過程。早期的實驗室測試很有希望，但尚未進行田間試驗。一旦完成，它們將揭示移植的珊瑚是否會將增強的能力賦予給後代，這種方法是否可以擴大規模以及成本是多少，以及是否存在任何內在風險。

範·奧彭正在探索選擇性育種。每個物種內部都存在一定程度的遺傳多樣性，使得其中一些物種或多或少能夠抵抗白化或疾病。正如育種者對寵物進行育種以最佳化所需性狀一樣，如果我們能夠識別出抗性珊瑚群並對其進行育種以產生抗性後代，我們或許能夠提高整個珊瑚礁的耐溫性，因為後代會傳遞有用的基因。

珊瑚育種很困難，因為它們可能需要長達十年才能完全成熟。適應環境變化也很困難，原因相同。但是與珊瑚共生的微生物和藻類通常成熟迅速，並且可以極大地影響珊瑚的健康。因此，我們正在嘗試透過人工選擇來操縱這些生物，以提高珊瑚的健康水平。近年來，科學家們已經意識到我們的微生物組（我們體內的細菌群落）在多大程度上影響著我們的健康，無論是好是壞。益生菌現在在從酸奶到康普茶甚至巧克力的各種食品中都有，聲稱可以促進消化、免疫功能和整體健康。

範·奧彭現在正在實驗室中開發藻類菌株，並將幼珊瑚接種上這些藻類，看看它們是否能賦予耐熱性。她和蓋茨實驗室也在嘗試看看對同一珊瑚進行表觀遺傳調優、選擇性育種和微生物組操作是否可能在組合中更有效。

對於我們正在嘗試的大多數技術來說，現在還處於早期階段。但一些證據表明，可以將它們結合起來以取得更大的成功。這種方法可能如下所示：首先，我們將使用有性繁殖和輔助進化來產生改進的和新的珊瑚種群多樣性，並創造出具有更強抗壓能力的個體。然後，我們將使用無性技術在苗圃中大規模生產它們，並將它們外植到珊瑚礁上。

這種情況會很快發生嗎？不完全是。一些技術，例如選擇性育種，是立即可行、廉價且有效的。但是，還需要做更多的工作來確定其他技術的可行性和可擴充套件性，並評估意外生態後果的風險。例如，人為增強的生物體可能具有新的性狀，使其能夠勝過本地種群而不是與它們融合，這將破壞幫助珊瑚礁繁榮的最初目標。然而，也可能存在另一種可能性，即無所作為的風險可能更糟。

為未來冷凍

無論我們使用單一技術還是組合技術來增強珊瑚，另一個步驟都至關重要：將精子、卵子、幼蟲和整個珊瑚碎片儲存在相當於種子庫的地方，農學家幾十年來一直使用種子庫來幫助提高作物產量、抗病性和耐旱性。銀行允許研究人員根據需要取出生物碎片，以進一步提高韌性和多樣性。

瑪麗·哈吉多恩借鑑了體外受精 (IVF) 手冊，在史密森尼保護生物研究所建立了第一個瀕危珊瑚物種的基因組庫。在 IVF 中，精子或卵子用液氮冷卻到極低的溫度。卵子可以解凍，在實驗室中受精，並作為胚胎轉移到子宮。冷凍儲存概念最初是為人類開發的，現已傳播開來，以幫助世界各地的瀕危物種。

2004 年，在第一個由冷凍卵子產生的人類嬰兒誕生幾年後，哈吉多恩建立了珊瑚冷凍儲存計劃。她的團隊開發了一種精子冷凍系統，該系統可應用於多種珊瑚物種。迄今為止，該團隊已成功儲存了來自世界各地的 16 個物種（約佔地球估計 800 個物種的 2%）。解凍後的精子受精率與新鮮精子相當，由此產生的胚胎正常發育為健康的幼體。

哈吉多恩已將這種種質或活組織分發到各國的冷凍庫。從理論上講，它可以冷凍和存活數百年甚至數千年。種系細胞稍後可以解凍並用於自然和圈養育種計劃。例如，冷凍精子可以使來自遠超精子自然範圍的地方的卵子受精，從而將新的基因引入珊瑚基因庫。當然，銀行還可以儲存可能因珊瑚礁崩潰而衰退或消失的物種。

哈吉多恩希望冷凍儲存卵子（除了精子）和整個幼蟲，然後再轉向整個微碎片。她還在開發冷凍儲存魚類睪丸的技術，以幫助保護珊瑚礁魚類的生物多樣性。最終，她設想未來珊瑚和其他瀕危珊瑚礁生物的種質被存放在高度安全的設施中，使卵子、精子和胚胎可用於擴大遺傳多樣性和重建珊瑚礁。“我們不知道科學在 100 年後能做什麼，”哈吉多恩說。

我們接下來該何去何從？儘管今天看來，其中一些解決方案可能過於非常規，但我們必須投資於面向未來的戰略。這些技術中的許多技術尚未在概念或實驗室階段之外進行測試，並且關於操縱珊瑚礁系統的可擴充套件性、成本和生態後果的問題仍然存在。然而，無所作為的後果威脅著珊瑚以及依賴珊瑚的許多物種。

我們確切知道的是，沒有單一的解決方案可以解決困擾珊瑚礁的問題。科學家們正在竭盡全力嘗試不同的方案，以爭取時間。儘管今天的技術都不太可能在全球範圍內挽救珊瑚礁，但許多技術在當地或區域層面顯示出希望。未來的珊瑚礁可能與今天的珊瑚礁不同，但它們仍然可以為生態系統和人類提供重要的商品和服務。氣候變化、汙染和過度捕撈是更大的挑戰。我們必須共同應對這些挑戰，以全面保護海洋，併為珊瑚礁提供它們生存所需的喘息空間。