在里约热内卢飞机库大小的水族馆里,安塔鳐和白鳍鲨从社交距离较远的游客身边掠过。在主画廊楼上的一个实验室里,一项新的实验正在进行中,海洋科学家希望这项实验能提高世界上珊瑚礁的生存前景。

四楼有20个长方形水族缸,每个约20厘米宽,呈网格状排列。每一个里面都有各种各样多彩的珊瑚碎片。研究人员将用混合的益生菌处理一些容器,这是一种旨在促进在恶劣条件下恢复力的细菌混合物。

研究人员JoãoRosado将Myky液体吸入移液管,然后矗立在第一箱上方并小心地按下柱塞,将混合物喷射到海水中。“你能看到那样的烟吗?”Rosado的Conseague Pedro Cardoso of Centeral Rio de Janeiro,通过他的脸上面具。“那些是细菌。”Cardoso正在与我交谈,通过一个现场视频饲料,团队设置,所以我可以远程见证诉讼。灰色细菌云像护罩一样围绕着珊瑚,沉淀出来。之后,Rosado将用益生菌填充的轮虫 - 微观海洋动物对待其他坦克,珊瑚与他们的小嘴吃。第三组坦克中的珊瑚将得到两个治疗,第四组中的那些将得到没有。调查人员将在未来几周内探讨各种珊瑚,以了解任何方案是否会改善珊瑚健康。18新利官网多久了

利用轮虫是一种新的尝试,目的是让“有益细菌”进入困境中的珊瑚。2020年12月的实验结果将有助于告知生物学家将益生菌应用于野生珊瑚礁的意图,以期提高它们在难以承受的高温和疾病爆发中生存的机会。罗萨多和卡多索的试验由海洋生物学家古斯塔沃·杜阿尔(Gustavo duarte)领导,建立在他们的导师拉奎尔·佩克斯托(Raquel Peixoto)的工作基础上,后者在2015年发表了第一批益生菌实验。她是一项大胆而有争议的拯救计划的领导者,该计划旨在管理海洋中的益生菌,这可能会改变生态系统。Peixoto将在今年晚些时候在红海应用益生菌,环保组织正在积极探索这一概念。尽管Peixoto和她的同辈人已经进行了很多实验室实验,并且会谨慎地限制首次开放海洋实验,但她说珊瑚受到的威胁如此之大,是“我们冒点风险的时候了”。

珊瑚礁覆盖了全球近285,000平方公里的海底。它们主要集中在十几个主要的食物链中,但它们对海洋和人类生命产生着全球性的影响。几乎有四分之一的海洋物种至少有一部分时间生活在那里。珊瑚礁可以抑制风暴潮和撕裂海岸线的海浪。它们养活了数百万人,每年为全球旅游业贡献了近200亿美元。

大堡礁上的白化珊瑚
漂白的珊瑚,如在澳大利亚凯恩斯外的大堡礁,易受可能导致死亡的饥饿和疾病。信用:Brett Monroe Garner盖蒂张照片

然而,世界上的珊瑚可能正处于一种最终衰落的状态。1983年,科学家们第一次观察到大规模的珊瑚白化——这是饥饿的迹象。到了20世纪90年代,他们开始将白化与海洋温度的变化联系起来。1987年至2019年间,海洋温度比1955年至1986年间高出450%。自1980年以来,94%的珊瑚礁至少经历过一次严重的白化。大堡礁遭受了损失三个这样的事件在过去的五年里。联合国环境规划署的报告估计,这主要是因为海洋变暖,大多数地球礁将在2034年遭受年度严重的漂白,而没有干预,会走了在2100年完全。即使各国开始控制碳排放,全球珊瑚礁死亡很可能仍将继续。沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的海洋生态学家卡洛斯·m·杜阿尔特(Carlos M. Duarte)说,要扭转这一趋势,“我们只有很短的一段时间——基本上是十年。”“窗口正在迅速关闭。”

开发益生菌的科学家们认为,这种疗法不仅仅是延缓珊瑚礁死亡的权宜之计。他们认为,益生菌有一个真正的机会来逆转一些已经造成的破坏,使曾经受到威胁的珊瑚得以茁壮成长,并增强新的人工繁殖珊瑚的能力,这些珊瑚被移植到状况不佳的珊瑚礁上。“这听起来太激进了,”俄勒冈州立大学的海洋微生物生态学家丽贝卡·维加·瑟伯(Rebecca Vega Thurber)说。但是,她补充说,“通过适当的实验设计和应用,它可能会有所帮助。”

重大问题仍然需要答案。在海上使用时,益生菌会被冲走吗?这种劳动密集型技术在跨越数百公里长的珊瑚礁时是否会花费巨额资金?即使是最热心的支持者也承认他们面临的风险。在某些方面,对珊瑚礁的处理听起来有点像地球工程——向海洋中撒铁以促进藻类生长,从而吸收二氧化碳,或者向空气中喷洒气溶胶以将太阳光反射回太空,从而减缓全球变暖。在珊瑚礁上播撒细菌可能会从根本上改变海洋生态系统。

一些专家担心,某些细菌可能会意外地引发新的珊瑚疾病爆发,这一可能性在最近的一项实验室测试中出现。没有人确切地知道这种处理方法将如何影响食物链的更上层海洋生物,比如以珊瑚虫为食的鱼和蟹。

然而,随着气候变化,全球珊瑚礁的前景变得如此可怕,以至于许多自然资源保护主义者认为有必要采取极端措施。现在是KAUST的海洋微生物学家的Peixoto说:“这对科学家来说不是一个好位置。”但她说,决定是明确的。“我们必须采取行动。否则就太迟了。”

礁修复

自20世纪70年代以来,研究人员一直试图修复受损的珊瑚礁。2000年,以色列国家海洋学研究所的Baruch Rinkevich开始了第一批培育幼珊瑚的托儿所,并将它们移植到因捕鱼、潜水或风暴而受损的珊瑚礁上。

几年后,科学家开始研究漂白的具体方法。2010年,佛罗里达莫特海洋实验室的研究人员显示把健康珊瑚的碎片从实验室鱼缸里切下来可能会引发18新利官网多久了赫拉克勒斯的增长反应这些碎片很快就变成了羽翼丰满的珊瑚宝宝。(珊瑚可以通过将卵子和精子释放到海洋中进行有性繁殖,也可以通过发芽进行无性繁殖——本质上就是克隆。)2018年和2019年,墨西哥和以色列的研究人员使用了Mote团队的策略生成珊瑚碎片并将它们移植到墨西哥太平洋海岸附近的珊瑚礁上。尽管受到了威拉飓风的破坏,但从这些珊瑚中生长出来的新珊瑚的存活率高达60%,令人印象深刻。在佛罗里达的珊瑚礁上,莫特团队的珊瑚从碎片变成了更大的群落,直到2020年开始成功产卵在野外。

繁殖是另一种策略。至少从2015年起,澳大利亚海洋科学研究所(AIMS)和其他地方的研究人员就一直在实验室里尝试有选择地培育所谓的超级珊瑚它们携带的基因可以帮助动物抵抗压力。该研究所和夏威夷大学盖茨珊瑚实验室的团队正在利用“辅助进化这项研究涉及选择具有理想基因特征的野生珊瑚,比如能够在高海洋温度下生存的珊瑚,然后将它们进行杂交,产生具有丰富基因特征的后代。在AIMS的一项2020年的实验室研究中,用这种方法创造的耐温珊瑚被证明达到了可能更有26倍幸存下来的热量比其他珊瑚。

另一种帮助珊瑚的方法是提高繁殖。2017年,加州科学院的一支团队,自然保护和分解国际,一个保护组织,开始捕捉鸡蛋和精子,即健康的产卵珊瑚在野外释放罕见但可预测的夜晚。18新利官网多久了研究人员在实验室中完成了施肥,然后将幼虫移植到需要的礁石上。

研究人员凯利·皮茨将一种含有单一益生菌的膏体涂在佛罗里达海岸的珊瑚上
研究员Kelly Pitts将液体形式的益生菌液体形式从佛罗里达州海岸的珊瑚上
研究人员Kelly Pitts将一种含有单一益生菌的膏体涂在佛罗里达海岸的珊瑚上,希望能帮助珊瑚抵抗石珊瑚组织流失病(1)。在另一次潜水中,她把一种液体形式泵到附近的珊瑚上(2)。来源:Hunter Noren, NSU, GIS和空间生态实验室(1、2)

这些技术分享了令人生畏的缺点:恢复工人必须操纵实验室中的珊瑚,并改进移植它们的方法,缓慢而昂贵的过程。如果治疗性可以直接给予野生的成熟珊瑚,则可能更快和更实惠。这一潜在客户有助于引导百分之百益生菌等研究人员。并且,理论上至少选择性地培养了实验室珊瑚或碎片片段,也可以用益生菌治疗,使它们在移植在海中的热和疾病之前使它们更耐热和疾病。

珊瑚形成是成千上万的动物的星座,每个动物通常比小指指甲小。每种息肉都宿主各种细菌,藻类,真菌和其他微生物,共同称为其微生物组。如人体肠道的微生物,这些小居民开展了保持整个系统功能的任务。近年来,Metagenomic分析测序微生物对息肉的基因提供了更清晰的图像,其中微生物正在进行的任务。马萨诸塞州理工学院的科学家,树林洞海洋研究所,以及其他地方孤立的细菌消耗多余的氮气防止附近的海藻大量繁殖,从而导致珊瑚缺乏营养。其他微生物降解反应性氧- 损伤珊瑚细胞的摩尔 - 或帮助珊瑚捕捉碳对能源。就像人类肠道中的微生物帮助分解食物,促进我们的营养和健康一样,研究人员推断,有益的珊瑚微生物通过支持宿主的整体健康、防止息肉疾病和组织流失,使宿主更能适应环境压力。18新利官网多久了

然而,随着海洋温度的上升,珊瑚内部的微生物关系开始瓦解。俄勒冈州立大学(Oregon State University)的科学家发现,受到压力的珊瑚上的细菌群落通常会变得不稳定,这可能会给致病微生物提供传播的机会。海洋变暖,以及二氧化碳水平升高导致的海洋酸化,也会导致气候变暖破坏微生物辅助钙化过程这给珊瑚提供了结构,使它们更难修复损坏。与此同时,受到压力的息肉会排出它们的Symbiodinium藻类将阳光转化为珊瑚虫的食物,使它们失去食物来源。这给了珊瑚一个典型的白化外观,生物学家认为这是厄运的征兆,因为白化的珊瑚虫也更容易得病。Peixoto亲眼目睹了这种令人震惊的转变。

一个分裂的宇宙

小时候,佩克斯托在度假时曾在巴伊亚岛附近的巴西珊瑚礁浮潜,她被身下生动的宇宙迷住了。在成年后的潜水中,她看到那个宇宙正在瓦解。珊瑚正在变成没有生命的骨架;挂在上面的那些看起来苍白而虚弱。“情况一年比一年糟,”她说。“潜水后,你会看到90%的物种死亡。”Peixoto决心做一些变革性的事情,一些可以让野生珊瑚复活的事情。她说:“我们想要保护珊瑚礁中已经存在的多样性,以确保殖民地能够生存。””

她有了一个小说的出发点。2010年,在一项旨在开发用于清理巴西红树林漏油的危险化学物质替代品的实验中,她的团队证明了吸油细菌可以分解石油,促进植物的健康和生长。18新利官网多久了如果她能召集聚集的细菌增援力量来保护珊瑚礁呢?没有人尝试过益生菌,但她有一种预感,它们可能会起作用。

作为第一步,Peixoto从当地珊瑚表面采集了组织和海水。然后,她对混合细菌的基因进行测序,以找到具有促进生存功能的物种。她在培养皿中培养原生微生物,并为每种珊瑚礁环境定制鸡尾酒。她的工作在2018年底得到了回报,当时她和同事发表了一项研究,显示他们量身定制的益生菌混合物帮助珊瑚生存热水族箱温度和抗性疾病。

Peixoto的一项最新实验在期刊上发表了评论,该实验更深入,似乎显示了益生菌可以用来增强珊瑚健康的独特机制。18新利官网多久了她在巴西的团队在20个小容器中分别放置了4个手指长度的珊瑚片段,并组装了六种健康细菌菌株的鸡尾酒18新利官网多久了Mussismilia hispida,一种常见的南大西洋珊瑚。每隔几天,他们就移走一小段,在它们的表面滴上一点益生菌,然后把它们放回鱼缸里。接下来,他们提高了一半水箱的水温。

几周后的结果是戏剧性的:超过三分之一的对照组珊瑚死亡,但几乎所有处理过的珊瑚都活了下来。详细分析揭示了益生菌促进健康的多种方式。18新利官网多久了经过处理的珊瑚表达的与炎症相关的基因较少。他们也表现出较少的与细胞死亡相关的基因活动。Peixoto说,这意味着珊瑚“甚至可以漂白,但还没有到失去组织的程度。”“益生菌为它们提供了这种缓冲。”这种缓冲可以给其他恢复措施提供更好的机会,比如超级珊瑚在碎片中繁殖或产卵。移植前在实验室中应用正确的益生菌可能会增加珊瑚的生存几率。

首次田间试验

在2020年1月一个清爽的日子里,佛罗里达史密森尼海洋站(Florida’s Smithsonian Marine Station)的科学家将一种益生菌应用到海洋中的珊瑚上,这是首次尝试。他们已经研发了三年的益生菌,不像Peixoto的益生菌是广谱混合。它的设计是为了应对佛罗里达珊瑚礁最严重的威胁之一:石珊瑚组织流失疾病。研究员凯利·皮茨(Kelly Pitts)在Nova东南大学(Nova Southeastern University)从事抗生素治疗工作后,于2019年加入了这个团队,她想测试益生菌对珊瑚健康的更自然帮助。18新利官网多久了她戴上氧气罐和鳍片,从一艘小船上下来,降落在佛罗里达州劳德代尔堡(Fort Lauderdale)东海岸附近的珊瑚礁上。皮茨说,在大约九米深的地方,一个直径约半米的透明塑料袋固定在海底,映入眼帘,包裹着一个像圆顶一样的珊瑚层。

里面的目标是一个巨大的星珊瑚,超过10年的历史(群落可以繁荣几十年甚至几个世纪)。一些珊瑚虫仍然是鲜艳的橙色,但其他的已经褪成卡其布色,这表明它们可能受到石珊瑚组织丧失病的破坏。皮茨在穹顶的边缘下弯曲了一根软管,然后将一个充满细菌的注射器固定在管子的一端。当她放下活塞时,浑浊的白色液体在穹顶里沸腾,浓得足以遮蔽珊瑚。

皮茨既兴奋又焦虑。她的团队在水箱中测试了几个月的益生菌,但在珊瑚礁上完全不同。如果混合物从袋子里漏出来了怎么办?在几个月后的另一项测试中,她也有同样的担忧。当时,她把一种益生菌凝胶(就像从管子里挤出牙膏一样)挤到海底的一颗珊瑚上,珊瑚完全暴露在水中,没有塑料袋来封装它。当糨糊不顾周围的水流而牢牢粘在珊瑚上时,她的紧张变成了兴奋,她高兴地笑了起来,在水下拍着手。

自2014年以来,石珊瑚组织流失病(Stony coral organisation loss disease)已经在佛罗里达和加勒比地区造成了超过96000英亩(约合96000公顷)的珊瑚礁被破坏。这种疾病会像酸一样吞噬珊瑚虫。这种疾病被怀疑是细菌引起的,在几周或几个月内就杀死了大型岩层。到2017年,遏制疫情已成为佛罗里达州自然保护主义者的首要任务。通过快速基因测序,史密森尼海洋站的研究人员发现了一种假单胞菌在当地珊瑚上存在的少量细菌能产生海洋抗生素korormicin。在水族箱测试中,浓缩剂量的益生菌控制了疾病。

在实验室测试中,研究人员将这种细菌应用于更大范围的珊瑚礁,以确保它不会伤害任何健康物种。18新利官网多久了为了控制这种疾病,自2018年以来,佛罗里达州的研究人员一直在给珊瑚注射阿莫西林等抗生素——这一极端措施也杀死了大量有益细菌。皮茨希望益生菌可以避免这种不加区分的伤害。

2019年底,史密森尼团队获得了进行海洋试验所需的国家许可。研究人员很谨慎,并注意到需要从小规模开始,但疾病传播如此之快,当地的自然资源保护主义者支持这项试验。

在2020年1月的实地试验和2020年9月的另一次试验中,Pitts和她的同事们用圆顶法处理了14个珊瑚层,用糊状物处理了另外7个珊瑚层。当研究小组在1月份的试验两周后对珊瑚礁进行初步调查时,这种疾病在大约80%的处理过的珊瑚中停止了发展。他们的一些斑片状损伤也开始愈合。然而,不断扩大的COVID-19大流行导致科学家暂停了一段时间的试验。

海洋科学家Raquel Peixoto在实验室中测试益生菌。
海洋科学家Raquel Peixoto在实验室中测试益生菌。她计划今年在红海应用一种多种细菌的混合物来帮助珊瑚防止白化。资料来源:Raquel Peixoto Kaust

意想不到的后果

所有微生物学都是相关的。改变一种“有益”珊瑚细菌的浓度,可能会以难以预测的方式影响微生物群中的其他关键细菌。对于怀疑珊瑚益生菌的人来说,这种复杂性和不可预测性是不安的来源。“也许功能暂时是好的,”维加·瑟伯说。“但它很容易变成有负面影响的东西。”

夏威夷海洋生物研究所(Hawaii Institute of Marine Biology)的分子生态学家蒂·罗奇(Ty Roach)做过自己的益生菌实验室测试,他担心珊瑚微生物群或整个海洋生态系统会发生不可逆转的变化。他说:“我对它修改得越多,就越担心。”在一项未发表的研究中,涉及130个手指的长度Porites他的团队给这些珊瑚接种了一剂它们自己的原生细菌(不是Peixoto制作的那种量身定制的鸡尾酒)后,一些珊瑚就死于疾病。罗奇注意到的第一个麻烦是,某些珊瑚的表面形成了厚厚的黏液层,好像它们被激怒了。然后小块的息肉组织开始死亡,就像蔓延的口腔溃疡。罗奇感到惊慌,但并不惊讶。珊瑚的自然细菌组合包括来自葡萄球菌属,这是已知的导致人类疾病。

罗奇补充说,关于益生菌保护珊瑚宿主的确切生物学机制,目前还缺乏经过同行评审的研究。罗奇说:“我们已经能够让一些珊瑚承受更多的热量。”“这是如何运作的还不清楚。”他还想知道这种疗法是否会影响到其他海洋生物。他说:“许多其他生物,包括鱼类、藻类和甲壳类动物,都与珊瑚礁上的珊瑚有直接的互动。”德比大学(University of Derby)水生生物学家迈克尔·斯威特(Michael Sweet)是Peixoto的长期同事和朋友,他支持益生菌疗法,前提是它们被证明是安全的。但他也呼应了罗奇的担忧:“我不想成为释放超级细菌到环境中成为下一个珊瑚疾病的罪魁祸首。”

应该使用益生菌治疗的频率是未知的。消化系统障碍的人类益生菌通常需要每天服用一次甚至是两次。研究人员只能猜测应用程序,例如每周或一次每周一次,足以产生弹性微生物平衡。

风险只是一个实际考虑。在这个阶段,涂上整个礁石上的鸡尾酒的成本很难计算。Peixoto说她创造的一些混合物有很长的路要走,但是,在训练有素的潜水者应用益生菌(并假设他们拥有自己的潜水艇)。应用程序可能会保护珊瑚免受热量损坏最多一个月。她说,在广泛的范围内,建造了用于涂抹化合物的机器人比人类潜水员更便宜。

甜蜜的最近报道通过辅助进化创造实验室培育的珊瑚——将它们移植到珊瑚礁上并进行监测——每个珊瑚群落的成本在49美元到227美元之间。珊瑚礁通常有成千上万每平方公里的殖民地数量。如果在移植之前把益生菌添加到实验室培育的珊瑚中,增加的成本“会很低,”斯威特说。但“如果我们需要定期重新部署益生菌,这可能会成为一种昂贵的方法。”

然而,罗奇和斯威特也知道,珊瑚礁处于如此危险的境地,保护基金可能会在野生环境中推进益生菌的研究。罗奇在夏威夷的同事、海洋生物学家克劳福德•德鲁里说:“如果说我们学到了什么,那就是如果我们开始失去珊瑚礁,人们做一些极端事情的意愿就会飙升。”

事实上,大公司正在接受这个想法。巴西的世界野生动物基金会资助了Peixoto的部分研究,对这项技术的前景表示乐观。世界自然基金会巴西保护分析师维尼休斯·诺拉(Vinicius Nora)表示,在巴西,2019年大规模的珊瑚礁白化事件“开启了探索益生菌等更新保护方案的钥匙”。澳大利亚大堡礁基金会(Great Barrier Reef Foundation)已经为益生菌研究投入了数十万美元,该基金会也认为,Peixoto的治疗方法很有前景,可以加强实验室培育的用于移植的珊瑚。如果进一步的小规模试验进展顺利,基金会官员正与Peixoto和澳大利亚科学家合作,将益生菌纳入未来的修复项目中。“这是我们必须要做的追赶,”基金会生物学家奥韦·豪格-古尔伯格说。“你必须穿上靴子,对一些想法进行测试。”

激进的决心

Peixoto了解她的评论家的担忧。To help ease some minds, including her own, she is planning contained experiments this year at the 700-square-meter artificial ocean in the University of Arizona’s Biosphere 2. The tests will give a clearer look at how probiotic treatments might affect other ocean life. Still, she doesn’t spend a lot of time second-guessing her course. She admits she gets impatient with people who call for too much caution. She feels a moral obligation to use all means to save reefs. For Peixoto, that means deploying coral probiotics in oceans very soon. “If we don’t do anything,” she says, “they will die.”

她的下一场演出将在KAUST上演,它坐落在沙特阿拉伯海岸的一个小岬上,像龙虾爪一样卷进红海。从码头上,Peixoto可以坐上她的潜水船,行驶到10分钟路程外的一个浅礁,在那里,成群的金色蝴蝶鱼在海底几十年的珊瑚礁上游弋。

由于红海珊瑚礁多年来一直在高温水中茁壮成长,在这里限制热损害的细菌可以帮助科学家了解如何给其他地方患病的珊瑚提供耐热性。Peixoto说,珊瑚礁“就像我的金库。我去那里拿金子。”然而,即使是强壮的红海珊瑚也开始显示出压力的迹象。2020年,白化事件摧毁了部分珊瑚礁,专家们担心更糟的情况还会到来。Peixoto正在对一种混合细菌进行微调,她希望今年能在珊瑚礁上使用这种细菌,同时仍在加强生物圈2号的实验。这将是她和她的团队第一次在海洋中测试益生菌。

一些红海礁石的形成被长长的空海床分开。这将使Peixoto更容易将益生菌应用于一种形成,而不影响下一种形成。她说:“这将是非常小的、可控的实验。”

即便如此,该测试将是一个不同于史密森尼团队在佛罗里达使用的方法。史密森尼的治疗方法是使用单一微生物来治疗一种特定的珊瑚疾病。Peixoto将给珊瑚注入一种多品种的鸡尾酒,其目的更为广泛——加强珊瑚对抗白化和随之而来的不良健康状况。18新利官网多久了和过去一样,Peixoto将从当地珊瑚中分离有益微生物,并将它们混合成定制的泥浆。她将排除任何已知会导致疾病的细菌群,并首先在大学的水箱中进行详细的风险评估,以确保鸡尾酒在小环境下不会对珊瑚健康造成任何不利影响。18新利官网多久了

如果测试进展顺利,她最终将把这种混合物应用到几处珊瑚礁上,每处大约两平方米。这些微生物将通过一条缓释型防水胶粘剂输送到珊瑚或附近的沉积物上。几周后,Peixoto将对经过处理的珊瑚的健康状况与对照组进行比较。18新利官网多久了定期检查将持续一年,在整个过程中,她将监测附近的鱼类和其他大型生物,如海绵,以防意外的细菌影响。

Peixoto认识到下一个行为的幅度,但她看到她潜入的较宽的珊瑚鬼城已经加强了她在激进干预方面对错误的承诺。她是一个乐观主义者,创新者对生物修复的力量的信仰。她知道有些人可能会叫她仓促。然而,现在只需要Peixoto和其他人认为大胆的干预是简单的。“如果我们开发所有技术,我们仍然可以拥有美丽的珊瑚礁,”她说,“康复珊瑚礁可以茁壮成长。”没有针对性的援助,她看到了一个长期的海底黑暗时代。