在美属萨摩亚海岸外，热带阳光照射在浅潮汐泻湖上，每天将水加热到令人灼热的 35 °C 几个小时。这样的温度会杀死大多数珊瑚礁，然而萨摩亚泻湖却孕育着庭院般的鹿角状分枝珊瑚和冰箱大小的块状珊瑚。“它们在那里的事实意味着它们已经适应了生存，”加利福尼亚州斯坦福大学的海洋生物学家史蒂夫·帕伦比说。“真正的问题是：它们是如何做到的，所有的珊瑚都能做到吗？”帕伦比才刚刚开始了解这些萨摩亚珊瑚如何在如此极端的条件下茁壮成长。他认为他或许能够利用这种能力来创建一个由耐寒珊瑚组成的珊瑚礁，使其有机会在因气候变化而预期的炎热海域中生存。从八月份开始，他和他的团队将尝试种植“我们能想象到的最聪明的未来珊瑚礁”。
帕伦比是世界各地一小群珊瑚研究人员中的一员，他们正在解决这些问题，以便为受威胁的珊瑚礁提供生命线。他们的最终目的是启动一项“人类辅助进化”计划，在受控苗圃中培育抗性珊瑚，并将它们种植在已经或将要受到环境变化重创的地区。“以这种方式与珊瑚合作是一个勇敢的新世界，”夏威夷大学马诺阿分校的海洋生物学家露丝·盖茨说，她与澳大利亚海洋科学研究所（位于汤斯维尔）的珊瑚遗传学家玛德琳·范·奥本一起，正在帮助开创这一领域。
这项工作并非没有争议。尽管目前还没有人尝试创造转基因珊瑚，但一些研究人员担心，人类辅助进化在改变自然系统的道路上走得太远。“如果你基本上是在养殖珊瑚礁，那么你就拿走了一个自然栖息地并将其改造了，”马萨诸塞州纳汉特市东北大学海洋科学中心的珊瑚遗传学家史蒂夫·沃尔默说，他认为在开展此类项目之前需要了解更多。“这就像去中西部把草原变成大豆一样。这样做会产生巨大的影响。”
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水深火热之中
近几十年来，珊瑚礁一直受到各种因素的围攻，从海水变暖到海洋酸化、疾病、过度捕捞和污染。《世界珊瑚礁状况：2008》是一份由数百名科学家和环境管理者编写的综合报告，其中指出，自 1950 年以来，世界 19% 的珊瑚礁已经消失，另有 35% 受到威胁或处于危急状态。一些地区遭受的损失尤为严重：例如，自 20 世纪 70 年代以来，加勒比海地区已损失 80% 的珊瑚礁。到本世纪末，研究人员预计全球海洋的平均 pH 值将从 8.1 降至 7.9 或更低，并且升温至少 2 °C。“这有点像你拔掉浴缸的塞子，水正在流出来——这就是珊瑚的状况，”帕伦比说。
珊瑚礁修复项目 20 多年来一直侧重于加勒比海和其他受灾严重的地区。在这些项目中，从当地珊瑚礁采集小样本，并在受控的珊瑚苗圃中生长。几个月后，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，珊瑚将在那里继续生长。此类项目表明，移植和珊瑚礁修复可以在小规模上进行。但移植的珊瑚比正常珊瑚生长得更慢，死亡率更高。“珊瑚修复一直非常昂贵、缓慢且效率低下，”帕伦比说。“弄清楚如何以更智能的方式做到这一点是我们的目标。”
这种更智能的方式利用了一些珊瑚及其内部共生藻类惊人的复原力和适应能力。“有时我们会发现一些珊瑚礁在最不期望找到它们的地方生长得非常好，”盖茨说——例如台湾附近的一个珊瑚礁，它位于核电站废水排放管下方，每天经历 6 °C 到 8 °C 的温度波动。“根据我们所有的理解，我们预计这些珊瑚都会死亡。但它们没有，它们正在蓬勃发展。”pH 值降低的水预计会溶解珊瑚骨骼——但在西太平洋的帕劳，研究人员发现，在相对酸性的水域中，珊瑚礁比太平洋平均水平更大、更多样化。另一项研究发现，如果模型考虑到珊瑚在先前漂白事件后适应的能力，那么关于未来珊瑚漂白事件（受胁迫珊瑚失去共生藻类时的大规模死亡）频率的可怕预测将减少 20-80%。这会将预测的大规模珊瑚礁死亡推迟大约十年。
到目前为止，研究人员只有少数线索表明是什么使一些珊瑚具有复原力。在 2013 年发表的一项研究中，帕伦比和他的同事，包括斯坦福大学的海洋生物学家丹尼尔·巴什斯，比较了美属萨摩亚奥富岛附近野外站点的两种造礁珊瑚鹿角珊瑚 (Acropora hyacinthus) 种群。一个种群生活在温暖的水池中，夏季低潮时温度达到 35 °C，每天波动高达 6 °C；另一个种群受潮汐隔离较少，必须应对仅约 29 °C 的温度。该团队将样本放入受控水箱中，并用比正常温度高近 3 °C 的温度冲击它们四天。到第四天结束时，所有珊瑚都漂白了。但来自较热水池的珊瑚存活时间更长，并且 60 个基因的表达更高，包括众所周知的耐热基因，例如那些产生热休克蛋白和抗氧化酶的基因。
帕伦比和巴什斯认为，遗传适应性和驯化都在提高耐受性方面发挥着重要作用。他们的分析表明，珊瑚可以在其生命过程中“变得更强壮”，以应对环境条件。巴什斯说，那些在炎热水池中的珊瑚在生理上已经准备好承受额外的热应激，“就像一个从小就每天训练的运动员”。
一个有希望的转折是，更耐热的物种似乎也更易于移植。在将来自两个珊瑚礁区域的约 400 个样本实验性地重新种植到两个水池后，帕伦比和他的团队发现，来自较热水池的珊瑚比来自较冷水池的珊瑚移植效率更高，生长速度更快。
今年八月，帕伦比和他的同事计划在奥富岛附近的西利珊瑚礁开始一项实验性修复项目。为了选择最好的珊瑚，研究人员将依靠他们在该地区的大量数据，包括生长测量和转录组——基因组中积极转录成蛋白质的部分的蓝图。他们还计划使用帕伦比正在开发的珊瑚便携式压力测试数据——“就像人类心脏功能的跑步机测试一样”，他说。他和他的团队用 7.5 升的冷藏箱建造了水箱，这些水箱装有灯、加热器和冷却器，可以对珊瑚进行受控的高生理压力冲击。通过监测漂白和叶绿素含量，他们应该能够预测珊瑚可能如何应对潜在的漂白条件。
以所有这些信息为指导，他们将为他们的智能珊瑚礁手工挑选最耐寒、生长最快和最耐热的珊瑚。与此同时，他们将用随机选择的珊瑚建造第二个珊瑚礁。然后，他们将监测珊瑚礁在未来几年的生存状况。“问题是：如果我们掌握了大量关于单个珊瑚的信息，我们能否做得更好？”帕伦比说。“老实说，我不知道答案。”
生存的遗产
其他人已经发现令人鼓舞的证据，表明通过驯化获得的抗逆性可以遗传给后代。夏威夷大学的霍莉·普特南领导的盖茨未发表的研究表明，在育雏期间暴露于压力的成年菜花珊瑚（Pocillopora damicornis）产生的幼虫对热和海洋酸化的抵抗力增强。该团队推测，这种跨代保护是由表观遗传变化引起的：基因组上分子标签的修饰，这些标签会影响基因表达。
盖茨和范·奥本的目标是专门研究那些已经经历了大规模漂白事件的地区，例如法属波利尼西亚的莫雷阿岛、澳大利亚中部的大堡礁和塞舌尔群岛，在 1997-98 年厄尔尼诺海洋变暖事件之后，塞舌尔内岛 97% 的珊瑚死亡。（塞舌尔幸存珊瑚的苗圃已经建立，从中生长的碎片已被种植到珊瑚礁上以帮助其恢复。）盖茨和范·奥本的目标是杂交繁殖在如此压力重重的漂白事件中幸存下来的珊瑚，并跟踪后代的复原力。
他们的想法为盖茨和范·奥本赢得了 2013 年保罗·G·艾伦海洋挑战奖 10,000 美元，以及申请数百万美元资金的邀请。根据资金到位情况，他们还计划在珊瑚繁殖前使用热和酸来胁迫珊瑚，以观察耐受性是否以及如何代代相传。从五月份开始，范·奥本和她的团队将开始从大堡礁收集分枝珊瑚尖枝鹿角珊瑚 (Pocillopora acuta) 的成体，并将在澳大利亚海洋科学研究所的大型国家海洋模拟器中培育它们，这是一个水族馆设施，提供受控水箱以复制开放海洋条件。
最终，盖茨和范·奥本希望创建一个来自极端环境的配子和受精卵胚胎的“种子库”，在这些极端环境中，珊瑚不顾一切地存活下来——包括夏威夷椰子岛周围的浅珊瑚礁，那里的温度和 pH 值都剧烈波动，达到类似于 2050 年开放海洋中预期的上限。种子库将为美国史密森尼学会与夏威夷和澳大利亚机构合作牵头的努力做出贡献，这些机构已经在储存珊瑚精子和胚胎细胞。拼图的最后一个重要部分是珊瑚的共生藻类：这些藻类比它们的宿主寿命更短、进化速度更快，研究表明它们可以传递耐热性。例如，一项研究发现，当暴露在高达 32 °C 的温度下时，用从以耐热性闻名的温暖珊瑚礁收集的藻类菌株接种的幼年珊瑚生长良好，而用来自较冷珊瑚礁的藻类接种的相同珊瑚样本则遭受漂白和组织死亡。
佛罗里达州迈阿密大学的海洋生物学家安德鲁·贝克和他的同事发现，当某些珊瑚受到热应激时，来自称为 D 进化枝的谱系的共生体往往会变得更加普遍，这表明该藻类比其他菌株更能在这种条件下生存，并且它们也有助于宿主生存。此后，研究表明，D 进化枝共生体，特别是 D1 和 D1a 类型，在各种在极端漂白事件中幸存下来的珊瑚中很普遍。普特南、盖茨及其同事发现，另一种菌株 C15 似乎在莫雷阿岛附近耐热珊瑚中占主导地位。
像贝克这样的研究人员开始考虑是否有可能有意用更耐寒的藻类菌株为珊瑚礁播种，以帮助它们抵抗气候变化的危害。但目前尚不清楚是否有可能在野外有效地操纵共生体种群，在野外，环境条件可能会导致珊瑚偏爱一种藻类而不是另一种藻类。
现有珊瑚苗圃和农场的工作人员一直在向研究人员发送珊瑚和共生体的样本进行基因测序，同时密切关注哪些生物在热冲击或疾病爆发中表现良好。马萨诸塞州波士顿大学的海洋生物学家莱斯·考夫曼说，研究人员已经储存了来自少数几种珊瑚物种的数百种基因分型菌株，包括来自加勒比地区、极度濒危的鹿角珊瑚（Acropora cervicornis）。
帮助还是伤害
用设计师打造的珊瑚建造珊瑚礁的日子还在未来。但随着研究朝着这个方向发展，一些人担心这种修补可能会弊大于利。
例如，选择耐热或耐酸等性状可能会导致遗传瓶颈。“选择性育种计划可能会通过缩小遗传变异来有效降低珊瑚适应未来环境变化的能力，”汤斯维尔詹姆斯库克大学的珊瑚生物学家大卫·米勒说。而且，这还是假设珊瑚的选择性育种有效。他说，现在甚至还为时过早，无法判断耐酸和耐热性是否具有很强的遗传性。
米勒和其他人指出，例如，杂交育种以增强作物和狗的特定性状，往往是以牺牲其他性状为代价的。“通常存在‘权衡’效应，例如，更耐压力的个体可能生长得更慢，”米勒说。例如，选择抵抗热和酸性的能力可能会导致更容易感染疾病。
沙特阿拉伯图瓦尔市阿卜杜拉国王科技大学红海研究中心的进化分子生物学家曼努埃尔·阿兰达同意，育种可能会付出代价。但他表示，珊瑚礁健康的严重下降值得探索所有可用的选择。“如果你想到失去整个生态系统，你就会想要从某个地方开始。”
贝克说，直到最近，珊瑚礁管理的目标还只是建立海洋保护区，减少污染和捕捞的压力，希望这能使珊瑚礁足够强大，以应对气候变化。“随着人们意识到情况有多么危急，钟摆已经发生了某种程度的转变，”贝克说。“我们需要做的不仅仅是这些。我们需要采取行动。”
约有 5 亿人以某种方式依赖珊瑚礁获取食物和收入，另有 3000 万人的生计完全依赖珊瑚礁。对于盖茨来说，诸如此类的数据，再加上气候变化的事实，使得追求辅助进化成为必要且紧迫的事情。“我们没有太多时间了，”她说。