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研究人员接受了一个激进的想法:设计珊瑚来应

2019-04-05 11:50:09 生活52℃

  研究人员接受了一个激进的想法:设计珊瑚来应对气候变化

  位于澳大利亚TOWNSVILLE的国家海洋模拟人员 - 在这个庞大的海洋科学中心,在第一批微小的卵子和精子从在坦克中休息的珊瑚上升起之前,日落开始了。数字在褪色的光线中掠过,他们的红色大灯投射出耸人听闻的光芒。在一个闷热的十一月的晚上,一阵泵和咕噜咕噜的水淹没了蝉鸣。研究人员挤在坦克周围,当他们注意产卵的迹象时,他们的灯将泳池变成粉红色的灯笼。

  在受控制的混乱中,珊瑚遗传学家马德琳·凡·奥本(Madeleine van Oppen)就像指导她的团队的教练一样。来自澳大利亚墨尔本大学Van Oppen实验室的博士生接近更新。有一种珊瑚似乎比预期更早产卵。“这没有用,”范奥本宣称。她走向一个大型水族馆,伸到她的肘部,然后举起一个篮球大小的珊瑚。 “移动,”她命令道,过去将她的负荷放入一小桶盐水中,以隔离珊瑚并避免意外的杂交。

  这种必要性 - 移动和快速行动 - 现在是整个珊瑚研究领域和特别是Van Oppen的口头禅。全球气温的不断上升正在危害世界各地的珊瑚礁。距离研究中心仅75公里的澳大利亚大堡礁 - 这个世界上最大的堡礁 - 受到一系列海洋热浪的袭击,这些热浪已经造成一半的珊瑚死亡。这种威胁已经使Van Oppen成为几年前被认为是激进的东西的主要倡导者:创造能承受水下热浪的珊瑚品种。它帮助澳大利亚最近投入了3亿美元用于珊瑚研究和恢复,这是珊瑚科学家的全球吸引力。

  一个主要的吸引力是国家海洋模拟器,这是一个价值2500万美元的设施,坐落在珊瑚海岸边的桉树林立的山丘上,由澳大利亚海洋科学研究所(AIMS)于2013年开放。在这里,数十个海水水箱的条件可以与当今或未来的海洋条件精确匹配,Van Oppen和其他科学家正在修补生物,这些生物是珊瑚礁生态系统的基石。想象一下,生态学家培育出全新的树木品种,为重建的荒野补充资源。在一些研究人员的心目中,这项工作可以帮助塑造一些世界上最富裕的水下地区的未来。但这项努力将首先必须克服强大的技术挑战 - 以及这种干预可能带来新问题的担忧。

  Van Oppen和其他人正在使用与植物驯化一样古老的技术和最新的基因编辑工具重新设计珊瑚。研究人员采用的态度比自由选择的硅谷初创公司更为普遍,而不是有条理的保护科学世界。正如技术企业家被要求“快速失败,经常失败”一样,科学家们正在努力快速测试想法并抛弃最不发达的人,寻找可以从实验室转移到海洋的结果。

    

    

    

    

        

    

      

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  珊瑚释放

  鸡蛋和精子。

  配子形成

  受精卵。

  幼虫消耗

  浮游生物。

  重的幼虫

  解决。

  年轻的珊瑚

  珊瑚礁。

  成熟

  礁

  海底

  息肉

  (下面)

  1

  许多珊瑚通过将卵子和精子束释放到海洋中而产卵

  与同一物种的邻居同步。鸡蛋受精了

  一种水下产卵的暴风雪,随着浮力束浮出水面,

  创造长达5公里的产卵光滑。研究人员想要

  交叉珊瑚必须等待罕见的产卵时刻。

  每年一次的繁殖狂潮

  1为更热的世界育种

  术语“珊瑚”

  包含一个

  整个缩影。

  科学家们

  努力改变

  各个部分,希望

  它会增强

  整个系统

  耐热性。

  一个复杂的

  合伙

  由月球驱动的产卵

  和季节性周期

  通缉:超级珊瑚

  海洋温度上升和升高

  海洋酸化作用主要

  对地球珊瑚礁的威胁。

  如果温度上升2°C以上

  到2100年的工业化前水平,

  几乎所有的珊瑚礁都将是

  据美联航报道,这一消息已经消失

  国家政府间小组

  关于气候变化。最近发热

  浪潮已经成为主流

  收费,杀死了一半以上的珊瑚

  在澳大利亚的大堡礁。

  现在,科学家正在努力提供帮助

  珊瑚礁通过改变珊瑚来适应

  生物学在实验室里。

  海面

  鹿角

  loripes

  鹿角

  细叶

  杂交育种可以创造出在温暖的海洋中茁壮成长的杂交种。研究人员还将珊瑚更热

  水,看看后代是否继承适应性和操纵基因的耐热性。

  3适应藻类

  2操纵微生物组

  为了帮助珊瑚抵抗漂白和其他压力,科学家正试图进化出新的细菌

  混合物(下图)。他们还在探索珊瑚细菌的基因工程。

  在较热的条件下饲养共生藻类可能会产生耐热菌株,有助于防止漂白。

  研究人员也在改变藻类DNA,这是基因工程的一个潜在步骤。

  息肉

  Zooxanthellae(藻类)

  微生物

  口

  触手

  2毫米

  肠道

  外骨骼

  1

  2

  2

  3

  选择耐热性

  在珊瑚中测试

  27℃下

  〜1年

  耐热

  藻类

  30℃下

  31°C

  33℃下

  A. tenuis

  A. loripes

  杂种

  纯种

  纯种

  样品

  托盘

  试验

  治疗

  热应激

  珊瑚感动了

  更热或

  更冷

  条件。

  微生物

  适应

  新

  环境。

  冷却水

  温暖的水

    

        

        

                            

              

    

        C. BICKEL / SCIENCE

            

                

      

    

    

    

    

        在海洋模拟器,整个研究项目取决于未来10小时内发生的事情。

   珊瑚每年只产卵一次,释放出作为这项工作基础的遗传物质。在满月后5天的这个夜晚,研究人员在海上收集并移动到实验室的大部分珊瑚似乎已准备好释放成千上万的卵子和精子。产卵将引发舀取,混合和测试的狂热。如果没有精子受精,鸡蛋会在数小时内死亡,这个机会再也不会再来12个月了。这种感觉是电动的,含咖啡因的,就像计算机黑客的通宵马拉松开始一样。这只是合适的。因为这里的许多人都在试图破解珊瑚。

  一个滴答作响的时钟

  在Van Oppen工作时,她可以听到珊瑚礁的时钟滴答声。在过去的十年中,热浪已经将大片的珊瑚礁从多种绿洲转变为藻类覆盖的沙漠。建造珊瑚礁的珊瑚 - 实际上是一种动物的共生配对,它构建了一个坚硬的骨架,生活在动物细胞内的单细胞植物 - 几乎没有适应快速变化的迹象。如果全球气温升高2°C政府间气候变化专门委员会得出结论,我们所知的珊瑚礁将在全球范围内逐渐消失。今天,到2100年,地球正在向3°C裂解。然后海洋酸化的威胁增加。吸收二氧化碳会降低海水的pH值,使其对珊瑚和许多其他海洋生物构建的碳酸钙壳具有腐蚀性。范奥本有一种习惯,用一种紧张的笑声打断珊瑚的严峻新闻。 “我们真的试图修复人类正在摧毁的东西,”她说,然后笑着说。

  七年前,在一次会议上,Van Oppen与来自檀香山夏威夷大学(UH)的着名珊瑚生物学家和保护倡导者Ruth Gates坐下来讨论他们是否可以在进化竞赛中为珊瑚礁提供人为优势。气候变化。 Van Oppen,当时是这里实验室的全职科学家,已经尝试过可以承受更高温度的珊瑚。盖茨是了解珊瑚为什么在受到压力时驱逐其租户藻类的先驱,这一过程被称为珊瑚褪色。两人想知道,通过一点哄骗,他们是否可以使两种生物更具弹性。

  这是一个关于边缘的想法。传统上,珊瑚养护的重点是尽量减少水污染,入侵海星,破坏性捕鱼或旅游等侮辱造成的损害。在加勒比地区,一些自然保护主义者致力于“重新种植”受损的珊瑚。但是盖茨和范奥本的想法更具侵入性。他们想尝试改变珊瑚的遗传或生活在其上的微生物。他们称之为“辅助进化”。

    

    

    

    

        珊瑚生物学世界在过去5年中经历了彻底的转变。

    

    

    

        斯坦福大学Steve Palumbi

    

    

        加州帕洛阿尔托斯坦福大学的海洋生物学家,美国国家科学院院长史蒂夫帕伦比说,当二人在2015年美国国家科学院院刊的论文中宣传这一想法时,它仍然不在主流之列。委员会研究如何帮助珊瑚。 “他们确实领先于曲线,”帕伦比说。

  然后,发生了两件事。那年晚些时候,微软联合创始人已故的保罗·艾伦的慈善基金会在5年内为Van Oppen和Gates提供了400万美元的资金来完成这项工作。 2014年至2017年期间,热浪的流行严重破坏了世界各地的珊瑚礁。突然间,干预拯救珊瑚的干预措施似乎不那么牵强。 “珊瑚生物学世界,”Palumbi说,“在过去的5年中经历了彻底的转变。”

  混合解决方案?

  珊瑚最显着的特征 - 作为植物的一部分的动物 - 也是它在更热的世界中的阿基里斯之踵。通常情况下,珊瑚虫 - 个体珊瑚生物,类似于针头大小的海葵 - 与藻类伙伴和谐共处,有助于喂养珊瑚虫并为珊瑚提供鲜艳的色彩。但在热浪期间,这种关系会变得很糟糕。过热的息肉会将藻类视为刺激物,并将它们像不需要的擅自占地者一样喷出。珊瑚被漂白,骨白和饥饿。如果热量持续存在,珊瑚就不会吸收新的藻类而且会死亡。

  然而,珊瑚和藻类之间的联系很复杂,但仍未完全了解。例如,25年前,研究人员认为珊瑚只饲养了一种共生藻类。现在,他们已经确定了数百个。他们刚刚开始研究珊瑚微生物群所扮演的角色,这是一种栖息在珊瑚息肉中的细菌。

  但复杂性也为科学家试图在珊瑚和藻类之间建立不那么脆弱的联系提供了多种途径。今天,存在四个主要的研究领域:一个涉及交叉繁殖珊瑚以创造耐热品种,或者通过混合物种内的菌株或者通过杂交两种通常不会杂交的物种。第二种是利用基因工程技术来调整珊瑚或藻类。第三个试图通过在过热的实验室条件下饲养它们几代来快速进化更强壮的珊瑚和藻类。第四种方法,最新的,旨在操纵珊瑚的微生物组。

  在今年11月的晚上,Van Oppen的一个主要实验是开发新的混合动力车。今晚的配对候选人是浅褐色的小块,尖尖的,无处不在的珊瑚Acropora tenuis和A. loripes。虽然这些珊瑚在大堡礁和其他珊瑚礁上并排生活,但是A. loripes在它的堂兄后几个小时产生,有效地保持了物种的分离。但Van Oppen可以通过手工混合他们的产卵来克服实验室中的问题。

  然而,在混合开始之前,Van Oppen的团队必须收集鸡蛋和精子,珊瑚是繁琐的产卵者。水温变化甚至强光可以阻止它们 - 因此红色大灯。但如果一切顺利,一小撮卵子和精子将从成千上万的息肉的每一个口中出现,这些息肉构成了坐在盆中的大块珊瑚。浮力的球体在水中上升,就像一场倒置的暴风雪。

    

    

    

    

        

    

        

        

        

                    

              

    

        为了避免破坏光敏珊瑚的产卵,研究人员在工作时佩戴红色大灯。

    

            

                            

              

    

        CAMERON LAIRD

            

                

      

    

    

    

    

        大约下午6点30分,A. loripes开始了,引发了一个狂热的技术人员和研究人员的芭蕾舞团。 “这会很混乱,”一个人兴高采烈地宣称道。

  塑料杯和搅拌碗是该行业的低技术工具。 Van Oppen靠在一个浴缸上,头灯闪着光,轻轻地将杯子浸入新鲜产卵的地毯中,并将其带入受精室。虽然黑暗的产卵盆具有敬畏和神秘的气氛,但受精室也是商业。在耀眼的荧光灯下,Van Oppen将杯子的内容倒入一个以过滤器结束的小管中,该过滤器捕获束缚在一起的卵和精子。她轻轻冲洗束以将它们分开,将精子分离成碗并离开背后的鸡蛋类似粉红色的沙粒。

  “实际上,它非常放松,”Van Oppen说,她静静地站了一会儿,一次又一次地静静地将鸡蛋浸入盐水中。她将鸡蛋倒入碗中,连续多个中的一个,每个都装满带着一团浮动的蛋,并标有代表她正在创造的特定杂交的代码。精子进入带有套管的大玻璃瓶中,等待当晚晚些时候受精。当时机成熟时,Van Oppen将从一个物种的精子倒入另一个品种的鸡蛋中,从而开始新一代。

  她早期的混合动力车的一些工作很有希望。去年,她的团队报告了一组A. loripes-A。 tenuis杂种比纯种A. tenuis更耐受更热,更酸性的水,存活率高16至34个百分点。现在,研究人员正在等待杂交种成熟,看看它们的后代是否也具有活力和弹性。与此同时,在由盖茨创立的夏威夷实验室中,科学家发现他们可以通过在一个物种内穿越变种,在温暖的水中创造出更好的珊瑚。

  Laurel和Hardy of reefs

  在过去的几年里,盖茨会密切关注产卵。但不是今晚。就在一个月前,即2018年10月,盖茨在56岁时因憩室炎(一种肠道炎症)手术并发症而死亡。她的癌症也传播到她的大脑。

  Van Oppen和Gates有点喜欢喜剧演员Stan Laurel和Oliver Hardy。作为珊瑚科学的公众形象,盖茨虽然身材苗条,并且具有显示人的天赋。她出现在2017年Netflix纪录片“追逐珊瑚”中,并与联合国,科罗拉多州的阿斯彭创意节和许多媒体机构进行了交流。 “她是如此敏锐的头脑,而且她也是如此神奇的科学传播者,”范奥本说,“这是一个巨大的损失。”

  Van Oppen更加保守而轻微,以安静的语调说话,她的英语随着她的故乡荷兰的痕迹而变得柔和。看来,实验室是她的自然栖息地。 “我实际上是一个内向的人,”她说。

  盖茨的去世加强了范奥本的紧迫感。它帮助她成为众人瞩目的焦点,取代盖茨成为协助珊瑚进化的最杰出发言人。在产卵期间,一群记者围着她,就像在鲨鱼周围盘旋的飞鱼。

  她的长期导师和前博士说,尽管有她的储备,范奥本是一股充满活力的旋风。顾问Jeanine Olsen,海洋基因组学专家,从荷兰格罗宁根大学退休。奥尔森说:“当我看到她的生产力,以及她将人们聚集在一起并追求这种重大挑战问题的能力时,它会让我感到惊讶。”

  CRISPR珊瑚

  养殖新的珊瑚杂交种只是范奥本正在追求的一种策略。在实验室的另一个房间里,装满棕色液体的小瓶子放在类似冰箱的不锈钢柜子里。每个都保存共生藻类的样本。在一个实验中,新一代暴露于逐渐变暖的温度,希望选择更好耐受热量的菌株。

  模拟器还装有大型坦克,其中珊瑚本身也面临着类似的压力:水温和二氧化碳水平模仿本世纪后期的预期。范奥本 - 即使她在此基础上仍然在汤斯维尔实验室担任研究职位在墨尔本 - 很想知道在那些具有挑战性的条件下生长的生物是否会通过调高或降低某些基因来适应,然后将其中一些“表观遗传”变化传递给它们的后代。

    

    

    

    

        

    

        

        

        

                    

              

    

        位于澳大利亚汤斯维尔的国家海洋模拟器的一名研究人员准备了用于实验的珊瑚样本,旨在提高珊瑚礁对变暖海洋的适应能力。

    

            

                            

              

    

        CAMERON LAIRD

            

                

      

    

    

    

    

        该实验室吸引了其他研究人员追求自己的方法。当Van Oppen将精子和鸡蛋搅拌在一起时,在附近的一座建筑物里,斯坦福大学的博士后学生菲尔·克利夫斯(Phil Cleves)用显微镜观察,凝视着一排新培养的珊瑚胚胎,这些胚胎排列在一个小培养皿中。他使用操纵杆引导针头的玻璃尖端不到一微米,直到它刺穿胚胎的外膜并传递新的遗传物质。

  去年,Cleves成为第一个成功使用CRISPR-Cas9基因编辑工具报告珊瑚的人。 CRISPR经常被吹捧为制造转基因物种的方法。但克利夫斯说,他并不想创造新的珊瑚。相反,他认为CRISPR是一种通过逐一敲除或禁用基因来破译珊瑚DNA内部运作的工具。他希望找到可能的基因。作为“主开关”,控制珊瑚如何应对热量和压力 - 知识,可以帮助研究人员快速识别野生或实验室中已经适应加热的珊瑚。

  一旦Cleves刺穿了一个胚胎,一阵空气就注入了一个充满RNA的液滴和能够剪断DNA的酶分子。研究人员稍后将这些敲除胚胎暴露在不同的温度下;如果已经去除某些DNA序列的胚胎以更高的速率死亡,研究人员可以更接近识别关键的恢复基因。今晚,好除此之外,Cleves基本上是一个单人装配线,制造转基因珊瑚。他将在凌晨2:30之前处理一千个胚胎。

  工程弹性

  尽管克利夫斯并不专注于设计新的珊瑚,但他的一些合作者正在认真思考基因改造如何有助于减轻气候威胁。其中一个是Line(发音为“Leena”)Bay,是AIMS的珊瑚遗传学家,他也是一个委员会的顾问,该委员会就如何花费7000万美元致力于研究珊瑚适应和恢复问题向澳大利亚政府提供建议。

  该委员会一直在权衡潜在干预的大杂烩,其中许多不属于遗传学领域。一些申请人想要尝试通过在水面上铺上薄薄的防晒霜或将盐水喷射到云层中来使太阳在礁石上变暗,以便它们能够反射更多的阳光。其他研究人员正在研究珊瑚产卵并将其转向最需要的珊瑚礁。一些研究人员设想建立一个完整的水产养殖系统 - 主要是珊瑚养殖场 - 以提高像Van Oppen这样的工作所产生的更强烈的菌株,然后可以将其移植到生病的珊瑚礁中。

  Bay表示,基因工程珊瑚可以使它们更好地抵御热量并抵抗漂白。她承认,这个想法将面临阻力,就像所有将改性生物释放到环境中的建议一样。但是,这并不意味着它应该被搁置,她说。“我们能做的最糟糕的事情是忽视基因工程,因为它对一些人来说是可怕的,然后在未来10年或15年后实现它”是唯一的选择。“

    

    

    

    

        

    

        

        

        

                    

              

    

        珊瑚研究员Line Bay(左)和Madeleine van Oppen(右)想要弄清楚如何帮助珊瑚适应变暖的海洋,为时已晚。

    

            

                            

              

    

        CAMERON LAIRD

            

                

      

    

    

    

    

        一些科学家已经迈出了第一步。 2018年,来自英国和沙特阿拉伯的一组科学家报告成功改变了共生藻类中叶绿体的基因组,并指出该技术可以帮助揭示珊瑚褪色背后的机制。 Van Oppen最近从澳大利亚政府那里获得了200万美元的拨款,以进一步深入研究珊瑚的微生物组,并探索微生物基因工程的潜力,以帮助珊瑚变得更有弹性。她的团队也在研究不同微生物的特性。通过吸收热应激期间释放的分子,创造细菌鸡尾酒的第一步可以帮助他们的珊瑚寄主。

  帕伦比认为这种努力有可能加速进化。但是他认为大自然可以更快地提供解决方案。在南太平洋的珊瑚礁上工作时,他发现单一种珊瑚的殖民地可以根据它们在珊瑚礁上的位置显示出不同程度的耐热性。现有的珊瑚更耐热,可以指导传播最具弹性的菌株的努力。“找到耐气候的珊瑚比制造它们更容易,”他说。

  无论哪种方式,这种重新设计珊瑚礁的努力使像大堡礁海洋公园管理局首席科学家David Wachenfeld这样的人感到不安。当局应该保护珊瑚礁并规范那里的活动。在过去,这意味着一种不干涉的方法。现在,他承认“我们不需要这些工具几乎是不可思议的。”但是,他补充说,“这并不意味着我对这一切感到高兴。这是危机管理。“

  他列出了一系列潜在的困难。科学家们专注于热爱珊瑚的繁殖,必须避免削弱其他关键特性,如应对寒冷。引入一个新的珊瑚,其规模需要在2900个珊瑚礁的网络上进行,这个珊瑚礁跨越德克萨斯州一半的面积,这是一项艰巨的挑战。即使在受损的国家,大堡礁仍然包含数亿个珊瑚 - 足以淹没新珊瑚物种的遗传影响。

  然后就出现了“甘蔗蟾蜍”的问题。在澳大利亚,蟾蜍在谈论将任何新生物体引入国家领土。 1935年首次在澳大利亚发布,以对抗损害甘蔗的甲虫,甘蔗蟾蜍迅速变成有毒害虫,毒害了本地野生动物,对甲虫几乎没有胃口。某些研究人员称之为某种“超级珊瑚”,它们也会在微妙的珊瑚生态系统中肆虐吗?

  Wachenfeld说,将工程珊瑚与甘蔗蟾蜍进行比较可能是一个延伸。对于珊瑚,科学家们正在使用相同的基本生物,通常从大堡礁采集,而不是为了引入新的捕食者。 “那说,当然有风险,我们必须谨慎行事,”他说。

  这个问题在夏威夷也很敏感。在那里,盖茨实验室的一位研究人员表示,州监管机构不鼓励研究人员通过培育同一物种的两组来寻求许可,以释放实验室中产生的一些珊瑚 - 一组抵抗漂白而另一组则没有。 UH的珊瑚生态学家Crawford Drury表示,与其他改良生物相比,“这根本不是一种非常遗传上可怕的生物”。 “但是有一个基线水平的不适。”

  第一次测试

  澳大利亚监管机构似乎不那么不情愿。 3月初,Van Oppen获得了第一次将跨物种杂交种迁移到开阔海域的许可。上周,她的团队将婴儿杂交珊瑚种植在赤土陶器上,然后将它们安装在大堡礁上,然后将它们安装在水下架上,串在钢棒上,如超大烤羊肉串。研究人员将监测珊瑚“未来几个月的生存和生长。为了缓解外来生物可能传播的担忧,她将在性成熟之前将其移除。

  对于范奥本来说,通过这些切实的研究向前迈进,使得产卵之夜的狂热变得有价值。 2018年11月,经过漫长的夜间舀取和搅动珊瑚产卵后,她在实验室的咖啡馆吃午饭似乎很放松。珊瑚已经产生了暗示,所以新的一年的实验正在进行中。她计划熬夜再次出于另一个原因 - 与她的研究团队一起举杯香槟并举杯成功的产卵季节。

  尽管解决方案还有很长的路要走,但她仍然感受到了以极快的速度继续前进的压力。她回忆说:“自从我们开始这项工作以来,我们已经失去了一半以上的大堡礁 - 至少还有世界上许多其他的珊瑚礁。”珊瑚在热水中是人类的错。她说,现在,人类应该帮助珊瑚保持健康。

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