На создание кораллового рифа уходят тысячи лет, но он может исчезнуть в одно мгновение.
Связанный контент
- Глубоководные кораллы светятся своей жизнью
- Последнее событие отбеливания может быть закончено, но рифы все еще находятся в опасности
Виновником обычно является обесцвечивание кораллов, болезнь, усугубляемая потеплением воды, которая сегодня угрожает рифам по всему земному шару. Наихудшее из зарегистрированных случаев обесцвечивания произошло в южной части Тихого океана между 2014 и 2016 годами, когда повышение температуры океана, сопровождаемое внезапным притоком теплых вод Эль-Ниньо, травмировало Большой Барьерный риф. Всего за один сезон отбеливание уничтожило почти четверть обширной экосистемы, которая когда-то растянулась на Коралловом море на 150 000 квадратных миль.
«Каким бы ужасным это ни было, это событие обесцвечивания стало тревожным звонком», - говорит Рэйчел Левин, молекулярный биолог, недавно предложивший смелую технику для сохранения этих ключевых экосистем. Ее идея, опубликованная в журнале Frontiers in Microbiology, проста: вместо того, чтобы находить здоровых симбионтов для заселения беленого коралла в природе, вместо этого спроектируйте их в лаборатории. Учитывая, что это потребует значительного вмешательства в природу, предложение, скорее всего, вызовет спорные воды.
Но Левин утверждает, что со временем, когда уйдут рифы по всему миру, потенциальная ценность вполне может стоить риска.
Левин изучал фармакологию рака в качестве студента, но был очарован угрозами, с которыми сталкивается водная жизнь, увлекаясь курсами морской науки. Она была поражена тем фактом, что, в отличие от исследований по болезням людей, было гораздо меньше исследователей, борющихся за восстановление здоровья океана. После окончания университета она переехала из Калифорнии в Сидней, Австралия, чтобы получить степень доктора философии. в Центре морских биоинноваций в Университете Нового Южного Уэльса, с надеждой применить свой опыт в исследованиях болезней человека для кораллов.
В медицине исследователям часто требуется угроза серьезного заболевания, чтобы попробовать новое и противоречивое лечение (т. Е. Слияние здоровых яйцеклеток двух женщин со спермой одного мужчины, чтобы сделать «ребенка с тремя родителями»). То же самое относится и к науке об окружающей среде. «Как страшная болезнь [у людей], когда люди понимают, насколько ужасной становится ситуация, исследователи начинают предлагать гораздо больше», - говорит Левин. Однако, когда дело доходит до сохранения окружающей среды, все меньше сторонников готовы внедрять рискованные, революционные методы.
Когда речь идет о рифах - важнейших морских регионах, которые несут в себе удивительное количество разнообразия, а также защищают суши от штормовых нагонов, наводнений и эрозии, - такие колебания могут быть фатальными.
Обесцвечивание кораллов часто представляется как смерть кораллов, что немного вводит в заблуждение. На самом деле, это распад симбиотического союза, который позволяет кораллу процветать. Само коралловое животное похоже на застройщика, который строит леса многоэтажного жилого комплекса. Разработчик сдает в аренду каждый из миллиардов помещений одноклеточным фотосинтетическим микробам под названием Symbiodinium.
Но в этом случае, в обмен на безопасное место для жизни, Symbiodinium производит пищу для кораллов, используя фотосинтез. Отбеленный коралл, напротив, похож на заброшенное здание. Не имея жильцов, готовящих еду, коралл в конечном итоге умирает.
Хотя отбеливание может быть смертельным, на самом деле это умная эволюционная стратегия коралла. Ожидается, что Symbiodinium поддержит конец сделки. Но когда вода становится слишком теплой, они прекращают фотосинтез. Когда этой еды становится мало, коралл отправляет уведомление о выселении. «Это как плохой арендатор - вы избавитесь от того, что у вас есть, и посмотрите, сможете ли вы найти лучшее», - говорит Левин.
Но по мере того как океаны продолжают нагреваться, все труднее найти хороших арендаторов. Это означает, что выселение может быть рискованным. В потеплении океана коралловое животное может погибнуть, прежде чем сможет найти лучших арендаторов - сценарий, который уничтожил рифовые экосистемы вокруг планеты.
Левин хотел решить эту проблему, создав простой рецепт создания суперсимбионта, который мог бы заселять обесцвеченные кораллы и помогать им выживать в условиях изменения климата - по сути, идеальных арендаторов. Но она должна была начать с малого. В то время «было так много дыр и пробелов, которые мешали нам идти вперед», - говорит она. «Все, что я хотел сделать, это показать, что мы могли бы генетически сконструировать [ Symbiodinium ]».
Даже это оказалось бы непростым делом. Первая проблема заключалась в том, что, несмотря на то, что Symbiodinium является одноклеточным организмом, он имеет громоздкий геном. Обычно симбиотические организмы оптимизировали геномы, так как они полагаются на своих хозяев в большинстве своих потребностей. В то время как у других видов геномы составляют около 2 миллионов пар оснований, геном Symbiodinium на 3 порядка больше.
«Они огромные», - говорит Левин. Фактически, весь человеческий геном всего лишь чуть менее чем в 3 раза больше, чем у Symbiodinium .
Даже после того, как достижения в секвенировании ДНК сделали возможным расшифровку этих геномов, ученые все еще не знали, для чего предназначались 80 процентов генов. «Нам нужно было отследить и собрать воедино, какой ген делал то, что в этом организме», - говорит Левин. Член группы фитопланктона под названием динофлагелляты, Symbiodinium невероятно разнообразны. Левин обратил свое внимание на два ключевых штамма Symbiodinium, которые она могла выращивать в своей лаборатории.
Первый штамм, как и большинство Symbiodinium, был уязвим к высоким температурам, которые вызывают обесцвечивание кораллов. Поднимите нагрев циферблата на несколько ступеней, и этот тваре был тостом. Но другой штамм, который был изолирован от редких кораллов, обитающих в самых теплых условиях, казалось, был невосприимчив к теплу. Если бы она могла выяснить, как эти два штамма использовали свои гены в условиях отбеливания, то она могла бы найти генетические ключи для создания нового супер-штамма.
Когда Левин включил жару, она увидела, что выносливый Symbiodinium увеличил производство антиоксидантов и белков теплового шока, которые помогают восстанавливать клеточные повреждения, вызванные теплом. Неудивительно, что нормальный Symbiodinium не сделал. Затем Левин обратила свое внимание на то, чтобы найти способ вставить больше копий этих важнейших генов, устойчивых к теплу, в более слабый Symbiodinium, создавая таким образом штамм, приспособленный для жизни с кораллами из умеренных регионов, но с инструментами для выживания в потеплении океанов.
Получение новой ДНК в клетке динофлагеллята - нелегкая задача. Хотя эти клетки крошечные, они защищены бронированными пластинами, двумя клеточными мембранами и клеточной стенкой. «Вы можете пройти, если будете достаточно сильно давить», - говорит Левин. Но опять же, вы можете в конечном итоге убить клетки. Поэтому Левин обратился за помощью к неожиданному сотруднику: вирусу. В конце концов, вирусы «эволюционировали, чтобы иметь возможность помещать свои гены в геном хозяина - так они выживают и размножаются», - говорит она.
Левин выделил вирус, который заразил Symbiodinium, и молекулярно изменил его, чтобы он больше не убивал клетки. Вместо этого она спроектировала его как доброкачественную систему доставки генов, устойчивых к теплу. В своей статье Левин утверждает, что полезная нагрузка вируса может использовать CRISPR, революционную технику редактирования генов, основанную на естественном процессе, используемом бактериями, для вырезания и вставки этих дополнительных генов в область генома Symbiodinium, где они будут сильно выражены.
Это звучит достаточно просто. По словам Дастина Кемпа, профессора биологии в Университете Алабамы в Бирмингеме, который изучает экологические последствия изменения климата для коралловых рифов, говорит, что возиться с живой экосистемой никогда не просто. «Я очень за эти решения, чтобы сохранить и генетически помочь», - говорит Кемп. Но «восстановление рифов, на формирование которых ушли тысячи лет, будет очень сложной задачей».
Учитывая огромное разнообразие штаммов Symbiodinium, обитающих только в одном виде кораллов, даже если бы существовала надежная система генетической модификации, Кемп интересуется, удастся ли когда-нибудь создать достаточно разный суперсимбиодиниум для восстановления этого разнообразия. «Если вы вырубите старый лес, а затем выйдете и посадите несколько сосен, это действительно спасет или восстановит лес?» - спрашивает Кемп, который не участвовал в исследовании.
Но Кемп соглашается с тем, что рифы гибнут с угрожающей скоростью, слишком быстро, чтобы естественная эволюция Симбиодиния не отставала . «Если бы кораллы быстро развивались, чтобы справиться с потеплением, вы бы подумали, что мы бы уже видели это», - говорит он.
Томас Мок, морской микробиолог из Университета Восточной Англии в Великобритании и пионер в области генетической модификации фитопланктона, также указывает, что биология динофлагеллят все еще в значительной степени окутана тайной. «Для меня это безобразие», - говорит он. «Но так все и начинается. Провокационные аргументы всегда хороши - это очень и очень сложно, но давайте начнем с чего-нибудь и посмотрим, чего мы можем достичь ». Недавно CSIRO, научное подразделение правительства Австралии, объявило, что будет финансировать лаборатории для продолжения исследований генетических модификаций коралловых симбионтов.
Когда дело доходит до здоровья человека - например, защиты человека от разрушительных болезней, таких как малярия или Зика, - ученые готовы попробовать более радикальные методы, такие как выделение комаров, генетически запрограммированных на передачу смертельных генов. Левин утверждает, что генетические модификации, необходимые для спасения кораллов, не будут такими уж экстремальными. Она добавляет, что гораздо больше контролируемых лабораторных испытаний необходимо, чтобы генетически модифицированный Symbiodinium мог быть выпущен в окружающую среду, чтобы заселить умирающие коралловые рифы.
«Когда мы говорим о« генной инженерии », мы не вносим существенных изменений в эти виды», - говорит она. «Мы не делаем мутантов. Все, что мы пытаемся сделать, это дать им дополнительную копию гена, который им уже нужен, чтобы помочь им ... мы не пытаемся быть сумасшедшими учеными ».
