Флуоресцентные белки все светятся в этих кораллах. Фото Майкла Лессера и Чарльза Мазеля, NOAA Ocean Explorer
Любой, кто занимался подводным плаванием или подводным плаванием на коралловом рифе, вероятно, никогда не забудет ослепительные цвета и потусторонние формы этих подводных сообществ. Здесь находятся одни из самых разнообразных в мире горячих точек дикой природы, рифы стоят ежегодно 400 миллиардов долларов в туристических долларах и в предоставляемых ими экосистемных услугах, таких как защита берегов от штормов и обеспечение среды обитания для рыбы, которую едят люди.
Тем не менее, общеизвестный факт, что коралловые рифы по всему миру приходят в упадок благодаря загрязнению и быстрому потеплению океанов. Тем не менее, определение того, как поживают рифы, и разработка мер по их защите, требует точного измерения их здоровья. Исследователи склонны полагаться на инвазивные, разрушительные методы, чтобы выяснить, как справляются кораллы, или же они проводят грубые выборочные проверки, чтобы определить здоровье рифа, основываясь только на цвете коралла. Но теперь ученые объявили о новом методе определения здоровья кораллов, который основан на измерении интенсивности флуоресцентного свечения кораллов.
Да светиться. Кораллы естественным образом производят флуоресцентные белки, которые светятся жутко зелеными, если смотреть на них под синим светом - почти все кораллы демонстрируют это физиологическое явление.
«Это первое исследование, которое отслеживает динамику флуоресценции кораллов и уровня флуоресцентного белка во время температурного стресса и показывает, что флуоресценция кораллов может быть использована в качестве раннего индикатора стресса кораллов», - сказала Мелисса Рот, морской биолог из Калифорнийского университета. Беркли (ранее из Института океанографии им. Скриппса при Калифорнийском университете в Сан-Диего) по электронной почте. «Поскольку флуоресценцию кораллов можно измерять неинвазивно в полевых условиях, это может стать важным инструментом управления рифами», - сказала она. Рот и ее коллега Дмитрий Дехейн описали свои выводы на этой неделе в научных отчетах .
Степень, в которой светится коралл, во многом зависит от другой группы организмов, динофлагеллятных водорослей. Кораллы на самом деле представляют собой симбиотическую сборку, и эти микроскопические водоросли динофлагеллят - динофлагелляты помогают кораллам получать питание, которое, в свою очередь, способствует росту коралловых рифов. Крошечные организмы также отвечают за придание кораллам их типичного коричневатого оттенка.
Но динофлагелляты могут покинуть корабль из-за стрессовых факторов, таких как повышенная температура, явление, известное как обесцвечивание кораллов. Оставшись без помощи динофлагеллятного покрытия, естественно белая кожа кораллов становится ярко видимой. Коралл может жить некоторое время после исхода динофлагеллят, но не долго. Если водоросли не вернутся, коралл умрет.
Зная это, Рот и Дехейн решили исследовать, как флуоресценция кораллов может отражать текущее состояние коралла и его связь с динофлагеллятами. В своих экспериментах они решили использовать Acropora yongei, обыкновенный ветвящийся коралл, поскольку он часто является одним из первых кораллов с признаками стресса и обесцвечивания на рифе. Они подвергали отдельных кораллов одной из двух различных экспериментальных установок в своей лаборатории. В одних контейнерах они забивали кораллы холодной водой, а в других они погружали кораллы в горячую воду. Другая группа кораллов служила контролем. Затем они позволяют кораллам мариноваться в своих водах с регулируемой температурой в течение почти трех недель.
Исследователи обнаружили четкую корреляцию между степенью обесцвечивания и концентрацией флуоресцентных белков коралла, что, в свою очередь, определило силу его свечения. В первые 4-5 дней концентрация флуоресцентного белка и свечение холодных и термообработанных кораллов снижались. Но к концу 20-дневного эксперимента кораллы с холодным стрессом акклиматизировались и восстановились до своего нормального уровня флуоресценции. С другой стороны, термически нагруженные кораллы обесцвечиваются и начинают светиться еще сильнее, вероятно, потому, что их сообщества динофлагеллят больше не блокируют основную флуоресценцию коралла. Как сверхновая звезда перед окончательным коллапсом звезды, кораллы излучают постоянный поток интенсивного свечения как раз перед их неизбежной гибелью.
Изображения кораллов под белым светом (левые панели) и синим светом (правые панели) показывают, как кораллы, подвергшиеся тепловому стрессу, в конечном итоге обесцвечиваются и усиливают свое флуоресцентное свечение к концу эксперимента. Фото Мелиссы Рот, научные доклады
После смерти свечение прекращается. В рифовой системе костный белый коралл постепенно маскировался бы пленкой зеленых водорослей, покрывающих руины ныне покойного организма.
Как только кораллы начинают обесцвечиваться, у защитников природных ресурсов или менеджеров по дикой природе есть немного вариантов помочь рифам, поскольку они начинают уменьшаться и часто в конечном счете умирают. Но если они поймают проблему раньше времени, они могут попытаться помочь кораллу с помощью таких стратегий, как затенение искусственными структурами или осадками, добавление антиоксидантов в воду или введение более сердечных динофлагеллят, хотя научные исследования, подтверждающие эти потенциальные методы спасения, в основном отсутствуют.
Это новое открытие, надеется Рот, может быть использовано для предотвращения разрушения рифа, служа своего рода канарейкой в угольной шахте для кораллов, терпящих бедствие. «Менеджеры могут сосредоточиться на наиболее чувствительных кораллах на рифе, таких как ветвящиеся кораллы, и рассматривать быстрые падения флуоресценции как ранний признак стресса», - сказал Рот. Это дало бы им возможность действовать в течение недели, прежде чем началось полномасштабное отбеливание. «Отбеливание было бы как сердечный приступ», - объяснила она. «Вы бы предпочли обнаружить признаки высокого кровяного давления или засорения артерий, чтобы устранить и избежать сердечного приступа».
Менеджеры, которые хотят визуализировать здоровье своего рифа, могут наблюдать свечение, используя синий фонарик и желтый фильтр поверх маски для снорклинга, или они могут снимать это явление с помощью камеры, оборудованной такими же функциями. Если менеджеры заметят, например, первоначальное падение кораллового сияния, которое указывает на надвигающуюся проблему, можно предпринять немедленные действия, чтобы попытаться спасти риф.
«Таким образом, идея заключается в том, что мы можем использовать флуоресценцию кораллов в качестве раннего индикатора здоровья кораллов до обесцвечивания, что может дать менеджерам время, чтобы они могли что-то предпринять, если они захотят принять меры для защиты рифа. Очевидно, что это может быть сложно в больших масштабах », - пояснила она, добавив, что« по мере того, как рифы деградируют, те немногие, что мы оставили, могут быть защищены более агрессивно ».
Авторы пишут, что необходимы дальнейшие исследования того, как эти выводы могут применяться к другим видам кораллов. Они также надеются, что будущие исследования объединят биологию и инженерию, чтобы помочь разработать цифровую систему визуализации, которая лучше улавливает и количественно определяет степень, в которой кораллы меняют свое свечение.
