科学家正采取极端措施帮助珊瑚生存

我正站在澳大利亚的海滩上，脚趾深深地陷入沙滩中，拉上潜水服的拉链，准备潜入大堡礁。当我凝视着大海时，十年前我曾在这个地点潜水的回忆让我兴奋不已。在俄亥俄州长大，我童年时期除了痴迷于探索频道外，还阅读了《海洋生物学家的一天》。我在俄亥俄州一个昏暗的石灰石采石场获得了水肺潜水认证，并在一年后到达了大堡礁。我回忆起那次潜水那天，期待感挤压着我的胸膛。我的朋友艾米丽，现在是一位海洋藻类专家，和我打赌谁能让我们的空气持续更久，结果大约是神奇的两个小时。我们被充满活力的珊瑚森林迷住了，那里有墨鱼、巨大的紫色蛤蜊和优雅的海龟。

现在我又回来了，这次是作为澳大利亚海洋科学研究所的博士后研究员。我涉水走到齐下巴深的地方，将头倾入水下，透过面罩观看。我的心沉了下去。墨鱼不见了。巨大的蛤蜊不见了。海龟不见了。珊瑚变得黯淡无光。大部分生机勃勃的生命已被藻类和沉积物取代。虽然我知道一些资深科学家分享了令人心碎的故事，讲述了特定珊瑚礁如何在他们漫长的职业生涯中退化，但我感觉自己太年轻了——才工作10年——就看到了如此惊人的变化程度。我不应该在我的任期结束时才有这种经历吗，而不是开始时？或者更好的是，根本没有这种经历？

我的震惊的 realization 发生在 2014 年，当时第三次全球大规模白化事件开始了。珊瑚，经常被误认为是岩石，是由活的动物组织组成的，这些组织包含微小的藻类，藻类为珊瑚虫提供食物并赋予其颜色。当海洋温度升高给珊瑚带来压力时，它们会排出藻类，导致组织白化——变成白色——并使其容易受到饥饿和疾病的侵袭。大规模白化持续了三年，摧毁了世界各地的珊瑚礁，令人心碎。虽然珊瑚礁可能受到过度捕捞、污染和海洋酸化的威胁，但今天最令人担忧的是变暖造成的快速而广泛的破坏。

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第一次重大全球白化事件发生在 1998 年和 2010 年，每次都是由厄尔尼诺现象加剧的海洋变暖引发的。2014-2017 年的事件是迄今为止持续时间最长、范围最广的一次，损害了全球 70% 以上的珊瑚礁。据报道，大堡礁三分之二的珊瑚礁已经死亡或严重白化，破坏性影响仍在持续。珊瑚礁正在我们眼前消失。在过去的 30 年里，我们已经失去了全球约 50% 的珊瑚，联合国政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 最近发布的一份报告估计，到 2050 年，我们面临失去 90% 以上珊瑚礁的风险。我们需要解决方案，而且我们需要快速行动。

虽然珊瑚礁仅覆盖海洋底部的 0.1%，但它们却支持着近 25% 的海洋物种，包括为全球数百万人提供食物的渔业。它们还提供天然防波堤，通过减少高达 97% 的波浪能量和高达 84% 的浪高来保护沿海社区。而且它们还创造了巨大的旅游收入。如果我们失去珊瑚礁，我们将危及 5 亿人的生计以及每年超过 300 亿美元的商品和服务。即使您没有直接从珊瑚礁中受益，它们的破坏也会触动许多人的心弦。正如我在加州科学院的同事路易斯·罗查所说，“我可能永远看不到《蒙娜丽莎》，但我仍然不希望它被烧毁。”

在紧迫感的驱使下，科学家们正在尝试越来越大胆和富有创意的方式来保护和恢复珊瑚礁生态系统。我们正在寻找具有可扩展性且不会耗尽资金的技术。目前，我们专注于少数相互补充且可以整合的方案，包括自然过程和人为辅助。这些步骤加在一起，可能会给珊瑚提供它们度过未来几十年所需的机会，之后，希望世界能够大幅减少排放，从而减缓变暖的速度。

我经常被问到：珊瑚礁会生存下去吗？我认为答案是它们具有韧性，并且可能能够应对，但它们现在需要喘息的空间。

护理珊瑚恢复健康

如果您在佛罗里达州海岸约七公里处潜水，您可能会偶然发现几片水下塑料树林，珊瑚像装饰圣诞树的饰品一样悬挂在树枝上。研究人员正在使用这种苗圃，以及陆地上的苗圃，来培育珊瑚，然后可以将这些珊瑚移植或“外植”到退化的珊瑚礁上。苗圃利用了所有珊瑚都可以进行有性和无性繁殖的事实。珊瑚是克隆生物——由成百上千个基因相同的珊瑚虫组成的动物，这些珊瑚虫都是彼此的克隆体。它们可以通过产生卵子和精子进行有性繁殖，卵子和精子融合形成幼虫；也可以通过一个珊瑚虫萌发另一个珊瑚虫进行无性繁殖。

当珊瑚被风暴破坏时，一块珊瑚群可能会断裂、翻滚，最终重新附着在底部并通过克隆自身继续生长。因此，苗圃从业人员可以故意将珊瑚碎片化以创造基因相同的克隆体。如今，全球已成功养殖近 90 个物种。加勒比海和西大西洋的从业人员现在每年种植和外植数万株珊瑚到退化的珊瑚礁上，通常由私人捐助者、赠款或政府修复项目资助。

科学家们正在寻求扩大这种修复规模。大约 14 年前，戴夫·沃恩曾在莫特珊瑚修复中心工作。当时研究人员依赖的技术在六年内生产了 600 株珊瑚。单株珊瑚的价格约为 1000 美元。但他发现，由于一种自然的愈合反应，被破碎成微小的、橡皮擦大小的“微碎片”的珊瑚，其生长速度比野外珊瑚快 25 到 50 倍。如果将具有相同基因构成（来自同一亲本）的碎片放置在几厘米的距离处，它们将重新连接成一个更大的珊瑚群。

现在，莫特科学主任艾琳·穆勒表示，该团队可以在一个下午培育出那 600 株珊瑚，并且在他们尝试过的所有六种物种中都取得了成功；他们的运营成本低于每株珊瑚 100 美元，有些物种每株珊瑚仅花费 25 美元。通过整合公民科学家和志愿者，莫特相信它可以将成本降到远低于这个数字。该团队可以培育出足球大小的珊瑚，而这些珊瑚在野外需要数年才能长大。莫特计划每年生产和外植多达 20,000 株珊瑚，并在未来几年扩大这项工作。虽然美国国家海洋渔业局表示，恢复濒危的加勒比鹿角珊瑚和麋角珊瑚至少需要 2.55 亿美元和 400 年，但现在在佛罗里达州“种植一百万株珊瑚”工作的沃恩希望在他有生之年将它们从濒危物种名单中移除。

我们现在非常擅长种植珊瑚，并且在许多情况下，可以在当地层面成功地将珊瑚礁恢复到其历史范围和功能。但是，跃升到生态系统层面是巨大的。最严峻的挑战之一是如何有意义地将修复工作扩展到大型规模。大多数工作覆盖面积不到一公顷，而珊瑚礁退化正在数百至数千平方公里的范围内发生。据估计，使用每片 5 美元的碎片重新种植长达 2300 公里的大堡礁系统，价格标签接近 2000 亿美元。但即使如此，这项成本也可能是非常值得的，因为恢复将恢复养活许多人的大型渔业，创造许多就业机会，并保护宝贵的海岸线和社区免受风暴侵袭。

珊瑚性行为

除了在苗圃中无性繁殖珊瑚外，科学家们在帮助珊瑚进行有性繁殖方面也取得了越来越大的成功，这可以扩大遗传变异。随着种群数量下降，遗传多样性丧失，这降低了珊瑚抵抗水温升高的能力。例如，许多加勒比珊瑚礁被单一克隆体所主导，科学和历史都告诉我们，依赖低遗传变异，尤其是在环境变化时期，可能会导致灾难。例如，在 1800 年代，单一克隆体的爱尔兰大土豆养活了爱尔兰不断增长的人口，直到一场腐烂病将其摧毁，给该岛的人民和经济带来了毁灭性打击。更多样化的作物会表现得更好。正如土豆和人一样，遗传多样性可以使珊瑚不易受到环境压力的影响。

有性繁殖是大自然构建多样性的方式。珊瑚固定在海底，因此它们无法四处移动寻找配偶。为了进行有性繁殖，大多数珊瑚会将卵子和精子释放到水柱中，希望在那里发生受精。在退化的地区，珊瑚稀少且分布分散，这种情况变得越来越不可能发生。

在加州科学院，我们正在与大自然保护协会和珊瑚保护组织 Secore International 合作，帮助引导珊瑚完成这个棘手的过程。我们现在对不同珊瑚物种何时产卵有了很好的了解。在预测的产卵之夜——日落之后，在夏末的满月附近（珊瑚出奇地浪漫）——珊瑚群会释放卵子和精子。我们带着网潜入水中收集它们，并将这些配子转移到实验室，在那里我们在海水桶中对它们进行受精。由此产生的幼虫通常像芝麻大小，在它们定居并开始生长之前，很容易在野外被吃掉，因此我们将它们饲养到足够大且足够健康，可以外植到珊瑚礁上。目标不是重新种植整个珊瑚礁，而是最大限度地提高遗传变异，并重建足够多的种群，以便珊瑚礁能够自然恢复并对环境更具韧性。

许多珊瑚礁的遗传多样性较低，阻止了它们大量繁殖珊瑚幼体。通过结合无性和有性修复技术，我们或许能够将一个珊瑚礁恢复到可以重建附近健康珊瑚礁的程度。目标是创造一种超越自身生命的东西。

在野外，大约只有百万分之一的珊瑚幼体能够存活下来。我们正在尽一切努力帮助它们度过脆弱的早期阶段。我们现在几乎可以实现 100% 的实验室珊瑚受精成功率，并将幼虫定居在可以外植的瓷砖上，从而增加了可以提高未来繁殖能力的性兼容个体的数量，而无需我们的帮助。在 2017 年加勒比海库拉索岛的一次产卵活动中，我帮助一个团队在短短两天内从 25 个珊瑚群中收集了 500 万个卵子。SECORE 创始人德克·彼得森说，这对 SECORE 来说是一个新的记录，“表明了我们可以工作的规模。”

除了帮助珊瑚在野外繁殖外，少数几个团体已经开始尝试在公共水族馆中繁殖珊瑚。这绝非易事，因为它取决于我们模拟触发繁殖的环境线索套件的能力，包括月球和季节周期。幸运的是，水族馆控制系统的技术进步正在使之成为可能。在加州科学院，我领导的团队已经成功实现了两次珊瑚产卵事件——这项成就仅在全球另一个地点——伦敦的霍尼曼博物馆——取得。我们的目标是利用该系统更好地了解珊瑚繁殖的基本生物学，并开发和验证有助于扩大野外修复规模的方法。

最大的障碍之一是在我们将珊瑚幼体放回海中后，如何保持它们的存活。毕竟，退化的条件首先是珊瑚衰退的主要原因，因此，在我们通过政策、意识和全球生活方式的改变来解决气候变化、污染和过度捕捞问题之前，我们基本上是在使用创可贴方法来为珊瑚礁争取更多时间来尝试生存。在此过程中，我们可能很幸运地通过有性繁殖创造出基因型，我们可以用无性技术大规模生产这些基因型。然后我们可以将它们外植出去，以便大自然母亲可以选择哪些物种可以茁壮成长。

超级珊瑚

我们不能指望好运来让这种情况发生。而且由于海洋环境变化太快，许多珊瑚无法自然适应，科学家们正在探索其他方法来加速适应步伐。一种方法是人类辅助进化——增强珊瑚和其他珊瑚礁生物的特性，以提高它们承受压力和在白化事件后恢复的能力。人类辅助进化已经包围着我们日常生活的方方面面。我们购买的大部分食物都经过了选择性育种或以某种方式进行了改良（想想“抗病番茄”）。我们的宠物经过选择性育种，以获得某些审美和性格特征。那么，为什么不培育或增强珊瑚来抵抗气候变化呢？

澳大利亚海洋科学研究所的玛德琳·范·奥彭和夏威夷海洋生物研究所已故露丝·盖茨领导的盖茨珊瑚实验室正在合作增强抗压能力。盖茨实验室将珊瑚放在“环境跑步机”上，以训练它们应对压力。在实验室中将某些珊瑚暴露于亚致死温度压力下，实际上可能会促使它们开启某些基因，从而帮助它们在长期内更好地应对更大的热应力。这个过程被称为表观遗传调优，如果经过训练的珊瑚被移植到珊瑚礁上，在那里它们可以将这种能力传递给后代，创造出“超级珊瑚”，那么它可能会更加令人兴奋。从理论上讲，表观遗传调优可以增强珊瑚抵抗白化的能力。

我们才刚刚开始了解这个过程。早期的实验室测试很有希望，但尚未进行田间试验。一旦完成，它们将揭示移植的珊瑚是否会将增强的能力赋予给后代，这种方法是否可以扩大规模以及成本是多少，以及是否存在任何内在风险。

范·奥彭正在探索选择性育种。每个物种内部都存在一定程度的遗传多样性，使得其中一些物种或多或少能够抵抗白化或疾病。正如育种者对宠物进行育种以优化所需性状一样，如果我们能够识别出抗性珊瑚群并对其进行育种以产生抗性后代，我们或许能够提高整个珊瑚礁的耐温性，因为后代会传递有用的基因。

珊瑚育种很困难，因为它们可能需要长达十年才能完全成熟。适应环境变化也很困难，原因相同。但是与珊瑚共生的微生物和藻类通常成熟迅速，并且可以极大地影响珊瑚的健康。因此，我们正在尝试通过人工选择来操纵这些生物，以提高珊瑚的健康水平。近年来，科学家们已经意识到我们的微生物组（我们体内的细菌群落）在多大程度上影响着我们的健康，无论是好是坏。益生菌现在在从酸奶到康普茶甚至巧克力的各种食品中都有，声称可以促进消化、免疫功能和整体健康。

范·奥彭现在正在实验室中开发藻类菌株，并将幼珊瑚接种上这些藻类，看看它们是否能赋予耐热性。她和盖茨实验室也在尝试看看对同一珊瑚进行表观遗传调优、选择性育种和微生物组操作是否可能在组合中更有效。

对于我们正在尝试的大多数技术来说，现在还处于早期阶段。但一些证据表明，可以将它们结合起来以取得更大的成功。这种方法可能如下所示：首先，我们将使用有性繁殖和辅助进化来产生改进的和新的珊瑚种群多样性，并创造出具有更强抗压能力的个体。然后，我们将使用无性技术在苗圃中大规模生产它们，并将它们外植到珊瑚礁上。

这种情况会很快发生吗？不完全是。一些技术，例如选择性育种，是立即可行、廉价且有效的。但是，还需要做更多的工作来确定其他技术的可行性和可扩展性，并评估意外生态后果的风险。例如，人为增强的生物体可能具有新的性状，使其能够胜过本地种群而不是与它们融合，这将破坏帮助珊瑚礁繁荣的最初目标。然而，也可能存在另一种可能性，即无所作为的风险可能更糟。

为未来冷冻

无论我们使用单一技术还是组合技术来增强珊瑚，另一个步骤都至关重要：将精子、卵子、幼虫和整个珊瑚碎片保存在相当于种子库的地方，农学家几十年来一直使用种子库来帮助提高作物产量、抗病性和耐旱性。银行允许研究人员根据需要取出生物碎片，以进一步提高韧性和多样性。

玛丽·哈吉多恩借鉴了体外受精 (IVF) 手册，在史密森尼保护生物研究所建立了第一个濒危珊瑚物种的基因组库。在 IVF 中，精子或卵子用液氮冷却到极低的温度。卵子可以解冻，在实验室中受精，并作为胚胎转移到子宫。冷冻保存概念最初是为人类开发的，现已传播开来，以帮助世界各地的濒危物种。

2004 年，在第一个由冷冻卵子产生的人类婴儿诞生几年后，哈吉多恩创建了珊瑚冷冻保存计划。她的团队开发了一种精子冷冻系统，该系统可应用于多种珊瑚物种。迄今为止，该团队已成功储存了来自世界各地的 16 个物种（约占地球估计 800 个物种的 2%）。解冻后的精子受精率与新鲜精子相当，由此产生的胚胎正常发育为健康的幼体。

哈吉多恩已将这种种质或活组织分发到各国的冷冻库。从理论上讲，它可以冷冻和存活数百年甚至数千年。种系细胞稍后可以解冻并用于自然和圈养育种计划。例如，冷冻精子可以使来自远超精子自然范围的地方的卵子受精，从而将新的基因引入珊瑚基因库。当然，银行还可以保存可能因珊瑚礁崩溃而衰退或消失的物种。

哈吉多恩希望冷冻保存卵子（除了精子）和整个幼虫，然后再转向整个微碎片。她还在开发冷冻保存鱼类睾丸的技术，以帮助保护珊瑚礁鱼类的生物多样性。最终，她设想未来珊瑚和其他濒危珊瑚礁生物的种质被存放在高度安全的设施中，使卵子、精子和胚胎可用于扩大遗传多样性和重建珊瑚礁。“我们不知道科学在 100 年后能做什么，”哈吉多恩说。

我们接下来该何去何从？尽管今天看来，其中一些解决方案可能过于非常规，但我们必须投资于面向未来的战略。这些技术中的许多技术尚未在概念或实验室阶段之外进行测试，并且关于操纵珊瑚礁系统的可扩展性、成本和生态后果的问题仍然存在。然而，无所作为的后果威胁着珊瑚以及依赖珊瑚的许多物种。

我们确切知道的是，没有单一的解决方案可以解决困扰珊瑚礁的问题。科学家们正在竭尽全力尝试不同的方案，以争取时间。尽管今天的技术都不太可能在全球范围内挽救珊瑚礁，但许多技术在当地或区域层面显示出希望。未来的珊瑚礁可能与今天的珊瑚礁不同，但它们仍然可以为生态系统和人类提供重要的商品和服务。气候变化、污染和过度捕捞是更大的挑战。我们必须共同应对这些挑战，以全面保护海洋，并为珊瑚礁提供它们生存所需的喘息空间。