Коралловые рифы, пышные места обитания, в которых обитает, возможно, четверть видов океана, отмирают с угрожающей скоростью. Организация Объединенных Наций прогнозирует, что, если температура океана поднимется так, как прогнозировалось, ни один из 29 рифов, включенных в список объектов всемирного наследия ЮНЕСКО, не будет содержать функциональных экосистем к 2100 году. Такие безрадостные возможности побудили ученых подготовиться к худшему, мыслить нестандартно,
Используя раствор антифриза, насыщенный частицами золота и лазерами быстрого оттаивания, команда на Гавайях впервые криогенно заморозила и успешно оттаивала личинки кораллов. Прорыв может позволить биобанкованию видов кораллов сохранить исчезающее разнообразие рифов по всему миру. Криогеника может также помочь усилиям по восстановлению, поддерживая замороженный запас личинок кораллов, готовый заселять мертвые или умирающие рифы.
«Мы можем заморозить личинок, мы можем вернуть их обратно, и они живы», - говорит Мэри Хагедорн, биолог из кораллов Смитсоновского института биологии охраны природы (SCBI). Следующие шаги, отмечает она, - обеспечить, чтобы кораллы могли жизнеспособно функционировать на рифе, и расширить этот процесс для работы с огромным количеством кораллов.
Конфокальные изображения личинок 3-го дня, показывающие флуоресценцию от GFP (слева) и распределение покрытых DyLight частиц золотых наностержней, окружающих личинку, в криопротекторе (справа). (Смитсоновский институт природоохранной биологии) В соавторстве с Хагедорном недавно опубликовано исследование « Scientific Reports», в котором подробно описывается, как личинки грибного коралла ( Fungia scutaria ) успешно замораживаются и оживают, чтобы нормально развиваться и плавать до 12 часов. Ученые были бы в восторге, если бы уничтоженные коралловые рифы в мире смогли насладиться таким успешным вторым актом.
Рифы и ошеломляющее биоразнообразие, которое они вмещают, находятся в осаде от быстро меняющегося климата. Распространенные последствия, даже для людей, живущих на суше, включают сокращение запасов продовольствия и разрушительную эрозию населенных берегов. И крупные гибели рифов - это не просто проекция, это уже реальность. Масштабное событие по обесцвечиванию кораллов в 2014–2017 годах затронуло 75 процентов мировых рифов и привело к гибели около 30 процентов кораллов на знаменитом Большом барьерном рифе. Такие эпизоды становятся настолько частыми, что недавняя Национальная оценка климата предполагает, что к 2040 году обесцвечивание кораллов станет ежегодным событием на Гавайских островах и в Американском Самоа.
Кораллы могут приспосабливаться к изменяющимся условиям, но в некоторых местах темп слишком быстрый. Возможность обледенения и реанимации их может помочь выиграть время.
Окрашивание фаллоидином: Флуоресцентные микроскопические изображения всего фаллоидина развивающихся личинок F. scutaria, окрашенных на актин. (Смитсоновский институт природоохранной биологии) По словам Хагедорна, заморозить кораллы оказалось относительно легко. Личинки просто погружали в жидкий азот после обработки криопротекторным «антифризом», специально созданным для того, чтобы помочь им равномерно замерзнуть без образования ледяных кристаллов.
«Ледяные кристаллы - это наша враг», - говорит она. «В процессе замораживания могут образовываться крошечные ядра, и вы можете думать о них как о снежинках. Но вы не хотите, чтобы эти снежинки превратились в более крупные ледяные копья, которые разрушают клетки ». Противоположным образом, проблема ледяных кристаллов на самом деле наиболее остра во время нагревания замороженных образцов.
«Представьте себе воду, медленно замерзающую, и ту точку, в которой несколько кристаллов внезапно относительно быстро превращаются в ледяные осколки, когда она замерзает», - объясняет Джонатан Дейли, ведущий автор статьи и аспирант в SCBI и Гавайском институте морского флота. Биология. «Это происходит в определенном температурном диапазоне, и вы проходите этот диапазон, когда вы охлаждаетесь, но также и когда вы нагреваетесь».
Большая часть гибели клеток происходит во время процесса нагревания, но ученые могут предотвратить образование кристаллов льда, быстро оттаивая личинки кораллов. Чтобы достичь скорости, команда использовала технику, которую Хагедорн оттачивал на эмбрионах рыбок данио с помощью одного-двух ударов твердых частиц золота и лазерного излучения.
Голливудские лазеры могут быть достаточно горячими, чтобы испарить инопланетянина, но лабораторные версии по-прежнему не могут передавать тепло достаточно быстро и равномерно, чтобы разморозить крошечный эмбрион без посторонней помощи. Поэтому ученые представили частицы нанозолота, распределенные по всему раствору антифриза, которые поглощали свет от лазера и превращали его в тепло, которое успешно выводило коралл из глубокой заморозки. «Тает за секунду», - говорит Дейли.
Джонатан Дейли криосохраняющие личинки кораллов. (Гари Кранич / Фонд Большого Барьерного рифа) Замораживание жизнеспособных кораллов имеет потенциал для сохранения будущего биоразнообразия путем сохранения всего спектра генетики кораллов. «Мы понятия не имеем, как мы сможем использовать этот материал через 100 лет, но делать это сейчас, пока у нас еще много разнообразия на рифах и очень быстро его теряем, очень важно», - говорит Хагедорн. Четырнадцать видов сперматозоидов и зародышей кораллов, собранных на Большом Барьерном рифе, уже заморожены в австралийском зоопарке Таронга Западные равнины, а десять других - в Национальной программе гермоплазмы животных США в не имеющем выхода к морю Форт-Коллинз, Колорадо.
Для сохраненной спермы потребуется соединение с живыми яйцами, но Мадлен ван Оппен из Австралийского института морских наук и Мельбурнского университета говорит, что это достижение меняет игру, демонстрируя способность замораживать целостный организм, который, возможно, можно разморозить жить и расти.
«Очень важно сохранить текущее генетическое разнообразие, чтобы в будущем мы могли использовать его так же, как банк семян, разработанный для видов сельскохозяйственных культур», - продолжает ван Оппен. «Люди могут вернуться и собрать запас культур, которые могут быть лучше устойчивы к засухе или жаре, потому что у них есть тот банк генетического разнообразия, который позволяет им это делать. Так что, если мы сможем сделать что-то похожее на Global Seed Vault для кораллов, это будет чрезвычайно мощным в будущем ».
К сожалению, это будущее еще не здесь. Грибной коралл был заморожен, потому что его личинки были маленькими и с ними легко работать. Теперь перед командой стоит задача настроить все: от композиции антифриза до настроек лазера, чтобы аналогичным образом сохранить большие коралловые рифы, создающие рифы. «Мы думаем, что это будет масштабируемо», - говорит Хагедорн.
Взрослый грибной коралл (F. scutaria). (Смитсоновский институт природоохранной биологии) Другая проблема заключается в значительном расширении масштабов операции, чтобы ее можно было использовать для восстановления рифов.
«Мы должны пойти от того, чтобы заморозить сотни таких вещей до сотен тысяч, чтобы даже заставить какой-то коралл жить на рифе», - говорит Хагедорн. Если такое количество личинок может быть сохранено криогенным путем, это повышает вероятность увеличения скорости медленного размножения кораллов. Нерест кораллов происходит только тогда, когда условия идеальны, один раз в год и всего на пару дней.
«Если мы сможем создать хранилище замороженных личинок, которое мы сможем вытащить из морозильника всякий раз, когда нам нужно восстановить риф, это можно сделать в любое время года, чтобы вы не ограничивались случаем нереста кораллов. Это, конечно, было бы просто невероятно », - говорит ван Оппен. «Это было бы особенно верно, если бы вы могли объединить это с некоторыми из текущих работ, чтобы попытаться создать запас кораллов, который является более устойчивым к жаре».
Повторное введение некогда замороженных кораллов может оказаться не очень успешным в тех местах, где условия, в результате которых рифы отмирали в первую очередь, все еще сохраняются. Но если среда обитания кораллов улучшится, или если люди смогут создавать кораллы, которые будут более устойчивыми к будущим условиям, есть большая вероятность, что у нас будет популяция криогенных кораллов "оттепель-и-служить", готовых воспользоваться.
