在热水中：面对气候变化的珊瑚复原力

在夏威夷瓦胡岛卡内奥赫湾温暖的海水中，在阳光穿过起伏的海浪的海面下，当地珊瑚礁之间上演了一场安静而深刻的戏剧。这是一个关于面对气候变化的韧性和脆弱性的故事，宾夕法尼亚大学艺术与科学学院的凯蒂·巴罗特（Katie Barott）已经拼凑了近10年。

2015年，正如巴洛特回忆的那样，“我正在结束我的博士后工作，夏威夷发生了一场重大的海洋热浪——这实际上是两年内的第二次热浪事件——所以，我们出去标记了一大堆珊瑚群落。

这标志着巴罗特研究的开始，深入研究珊瑚（海底世界的那些充满活力的建筑师）在面对气候变化时的表现，气候变化是整个地球海洋中日益温暖的水域的主要驱动力。

“我们的主要发现之一是’适应环境’的作用，”巴罗特实验室的博士后研究员克里斯汀·布朗（Kristen Brown）补充道，“这是指一些珊瑚适应更高温度的能力，从而降低了它们对漂白的敏感性 – 一种现象，其中珊瑚排出生活在其组织中的藻类，导致它们变成亮白色并增加死亡风险。

研究人员研究了两种主要的珊瑚物种：水稻珊瑚（Montipora capitata）和手指珊瑚（Porites compressa）。在大约十年的时间里，这些珊瑚在 2014 年、2015 年和 2019 年遭受了三次重大的海洋热浪。这些提供了一个独特的机会来识别每个物种的抗漂白和易漂白个体，然后观察它们对反复热应激的反应。他们的研究结果最近发表在《 美国国家科学院院刊》上，强调了一些珊瑚的复原力，同时强调了其他珊瑚的脆弱性。

更深入的探讨

巴罗特解释说，珊瑚是一种海洋无脊椎动物，它们不是作为孤独的生物存在，而是作为巨大的群体存在，共同创造了复杂多样的骨骼结构。这些群落由许多单独的珊瑚虫组成，它们协同工作，形成珊瑚礁特有的复杂形状。“它们生存的一个关键方面涉及与藻类的共生关系，称为虫黄藻，存在于珊瑚组织中，”她说。“这些藻类对珊瑚的营养至关重要，因为它们进行光合作用以产生珊瑚利用的能量和营养物质。”

然而，研究人员指出，水温变化或海洋pH值变化等因素可能会破坏这种重要的伙伴关系。当发生这种干扰时，珊瑚在压力下会将藻类从其组织中排出。这种驱逐不仅剥夺了珊瑚的主要食物来源，还导致珊瑚鲜艳色彩的丧失，这种现象被称为珊瑚白化。没有藻类，珊瑚的白色骨架通过其透明组织变得可见，标志着珊瑚群落的危急健康状况。

该团队采用了一种详细的实践方法：他们标记了40多个单独的珊瑚群落，以跟踪它们随时间的变化。这种方法可以精确地了解特定珊瑚对热应激的反应，研究人员发现，两种珊瑚物种的抗漂白个体在整个研究期间都保持着色素沉着，“这表明一种持续的热耐受性，”巴罗特说。“但色素沉着本身并不是他们整体生理健康或复原力的明确指标。

她特别澄清说，尽管保留了色素沉着，但水稻珊瑚在共生体密度和组织中仅显示出部分恢复，这表明仅凭视觉线索不足以衡量珊瑚的健康和复原力。此外，无论以前的白化历史如何，水稻珊瑚在连续的热浪中始终表现出白化和显着的死亡率。这表明水稻珊瑚的抗白化性不是反复胁迫事件后生存或恢复能力的可靠预测指标。

夏威夷的珊瑚礁不仅通过旅游业和渔业保护海岸线并为当地经济做出贡献，而且还是生物多样性的显着影响者。
（图片：由Kristen Brown提供）

“相反，[手指珊瑚]显示出有益的适应环境的迹象，”巴罗特说。“随着时间的流逝，该物种最初易受漂白影响的菌落变得不那么容易漂白，最终在第三次热浪期间与抗漂白的菌落无法区分 – 这表明该物种对反复热应激具有一定的适应能力。

布朗说，这项研究揭示了“环境记忆”现象。“这些经历过这些事件的珊瑚以某种方式记住了它们，并能够改变它们的生理机能并改善它们在随后的事件中的表现。

这是一个至关重要的见解，表明了珊瑚复原力迄今为止尚未探索的方面。巴罗特将人类的经历与人类的经历相提并论，以解释珊瑚的复原力。“这有点像锻炼，就像你锻炼得越多，就越容易经历同样的运动压力，”她说，并强调了珊瑚适应反复压力的潜力，这个过程类似于植物的硬化。

研究人员还注意到珊瑚复原力的复杂性，他们的研究结果表明，对白化的抵抗力虽然有益，但并不是珊瑚在环境压力下生存和茁壮成长能力的唯一决定因素。

布朗补充说，在这两个物种中，“即使在热浪发生几年后，也有迹象表明各种生理指标存在持续的压力和不完全恢复，这强调了珊瑚复原力的多面性，以及需要更细致的指标来评估气候变化背景下的珊瑚健康。

转折的潮流

布朗最近于 2020 年加入了该项目，她带来了自己在澳大利亚大堡礁工作的经验。“[夏威夷]的反应与我们在其他珊瑚礁中看到的反应有很大不同，因此随着这些海洋热浪的不断到来，我们对复原力的看法正在发生变化，”她说。

布朗的主要重点是了解 2019 年至 2023 年珊瑚恢复的生理方面，这个角色在很大程度上涉及夏威夷的实地考察，在那里她会拍摄殖民地的照片和样本，最终形成了实验室分析中使用的大量样本库。她采用各种分析技术来评估珊瑚的健康状况，例如测量代谢率、共生体密度、宿主生物量和组织组成。

“这种方法对于了解各种珊瑚物种在白化事件后如何恢复的差异至关重要，”布朗补充道。“这项研究是最早在个人层面上显示这些差异的长期调查之一，这令人兴奋，但另一方面，看到我们的一些珊瑚最终表现得更糟，这有点令人沮丧。

研究人员解释说，尽管手指珊瑚似乎在两年内恢复了大多数生理指标，并且死亡率最低，但相比之下，在第三次热浪之后的三年内，水稻珊瑚在两种漂白表型中都表现出相当大的压力，同时部分死亡。这表明，即使是视觉上坚固、抗漂白的珊瑚也会受到多年反复出现的热浪的累积影响，导致不同的恢复路径。

正如巴罗特所指出的那样，两位科学家都保持谨慎乐观，“这个特殊的珊瑚礁似乎做得很好。所以，每次我们回去时，我仍然会看到很多活珊瑚;在上一次白化事件中，我们失去了大约20%的珊瑚，但似乎有些珊瑚正在恢复并设法重新生长，因此这些珊瑚礁有一点希望。然而，她坚持认为，这些主要是有弹性的珊瑚，它们现在正在成为主要种群，而且珊瑚礁上仍然有大片的斑块，曾经有大量繁荣的殖民地，现在已经被藻类覆盖的裸骨所取代。

此外，布朗指出，“在 2019 年热浪三年后，那种水稻珊瑚……看起来它仍然在恢复。这说明了一些珊瑚在反复发生白化事件后需要延长的恢复期。

规划未来的发展方向

研究人员解释说，这方面的研究对于确定哪些珊瑚物种最有可能在温暖的海洋中生存至关重要，并且可以为最近和当前的厄尔尼诺周期中的保护策略提供信息，其中太平洋的水将经历高于平均水平的表面温度。

展望未来，巴罗特说，他们还有五年的资金来继续跟踪这些珊瑚个体。他们的重点将放在增长率上;钙化，构建珊瑚骨架的过程，产生珊瑚礁框架;以及随着时间的推移，珊瑚生长对温度和热应激的反应方式发生了变化。这种长期方法对于了解热应激对珊瑚生长和生存的持久影响至关重要。

此外，未来研究的一个重要部分将是探索漂白珊瑚和不漂白珊瑚之间的生长和复原力如何变化。这将涉及研究可能赋予某些珊瑚复原力的遗传和生理因素。了解这些机制是预测珊瑚礁在气候变化中如何发展的关键。

这项研究的结果对珊瑚礁保护具有重大的全球意义。通过识别有弹性的珊瑚物种并了解其弹性背后的机制，保护主义者可以调整他们的努力，以保护和恢复最脆弱的珊瑚生态系统。此外，这项研究为致力于减轻气候变化对海洋生物多样性影响的政策制定者和环保组织提供了宝贵的见解。

“实现零碳排放对于珊瑚礁未来的生存至关重要。因此，即使我们有恢复力的迹象，如果剩下的唯一物种是 Porites compressa ，我们将不会从这些生态系统中获得许多人所依赖的生物多样性和服务，无论是它们的文化价值还是营养。珊瑚可能需要数年时间才能达到性成熟，有些珊瑚礁可能需要数千年才能完全形成，因此，如果我们想维持我们所知道的珊瑚礁生态系统，解决这些损失是紧迫而紧迫的。

凯蒂·巴罗特（Katie Barott）是宾夕法尼亚大学艺术与科学学院生物系的助理教授。

克里斯汀·布朗（Kristen Brown）是宾夕法尼亚大学巴罗特实验室的博士后研究员。

其他作者包括宾夕法尼亚大学的本杰明·格拉斯（Benjamin H. Glass）和伊丽莎·克鲁斯（Elisa Kruse）;夏威夷大学马诺阿分校的 Elizabeth A. Lenz、Rayna McClintock、Crawford Drury 和 Craig E. Nelson;和罗德岛大学的 Hollie M. Putnam。

这项工作得到了美国国家科学基金会（OCE-1923743、OCE-2102989、OCE-1949033、OCE-1756623和OCE-2103067）和美国国家海洋和大气管理局（Grant NA22OAR4170108）的支持。