Budowa rafy koralowej zajmuje tysiące lat, ale w jednej chwili może zniknąć.
powiązana zawartość
- Koralowce głębinowe świecą życiem
- Ostatnie wydarzenie bielenia może się skończyć, ale rafy są nadal w niebezpieczeństwie
Winowajcą jest zwykle bielenie koralowców, choroba zaostrzona przez ocieplenie wód, która dziś zagraża rafom na całym świecie. Najgorsze odnotowane zdarzenie bielenia miało miejsce na Południowym Pacyfiku w latach 2014–2016, gdy rosnące temperatury oceanów, po których nastąpił nagły napływ ciepłych wód El Niño, spowodowały uraz Wielkiej Rafy Koralowej. W ciągu zaledwie jednego sezonu bielenie zdziesiątkowało prawie jedną czwartą rozległego ekosystemu, który niegdyś rozpościerał się blisko 150 000 mil kwadratowych przez Morze Koralowe.
„Choć okropne było to zdarzenie wybielające, było to przebudzenie” - mówi Rachel Levin, biolog molekularny, który niedawno zaproponował śmiałą technikę uratowania tych kluczowych ekosystemów. Jej pomysł, opublikowany w czasopiśmie Frontiers in Microbiology, jest prosty: Zamiast szukać zdrowych symbiontów, aby zaludnić bielone koralowce w naturze, zamiast tego opracuj je w laboratorium. Biorąc pod uwagę, że wymagałoby to znacznej ingerencji w przyrodę, wniosek prawdopodobnie wzbudzi kontrowersyjne wody.
Jednak Levin twierdzi, że wraz z upływem czasu na rafy na całym świecie potencjalna wartość może być warta ryzyka.
Levin studiował farmakologię raka jako licencjat, ale zafascynował się zagrożeniami, przed którymi stoi życie wodne, podczas brania udziału w kursach nauk o morzu. Uderzył ją fakt, że w przeciwieństwie do badań nad chorobami ludzkimi, o wiele mniej naukowców walczyło o przywrócenie zdrowia oceanu. Po ukończeniu studiów przeniosła się z Kalifornii do Sydney w Australii, aby rozpocząć doktorat. w Centre for Marine Bio-Innovation na University of New South Wales, mając nadzieję na wykorzystanie swojej wiedzy specjalistycznej w zakresie badań nad chorobami ludzkimi w odniesieniu do koralowców.
W medycynie naukowcy często ryzykują poważną chorobą wypróbowanie nowego i kontrowersyjnego leczenia (tj. Połączenie zdrowych jajek dwóch kobiet z nasieniem jednego mężczyzny w celu stworzenia „trojga rodziców”). To samo dotyczy nauk o środowisku - do pewnego stopnia. „Jak straszna choroba [u] ludzi, kiedy ludzie zdają sobie sprawę, jak straszna jest sytuacja, badacze zaczynają starać się zaproponować znacznie więcej”, mówi Levin. Jednak jeśli chodzi o ochronę środowiska, jest mniej zwolenników skłonnych do wdrażania ryzykownych, przełomowych technik.
Jeśli chodzi o rafy - kluczowe regiony morskie, które kryją w sobie zadziwiającą różnorodność, a także chronią masy lądowe przed sztormami, powodziami i erozją - wahanie może być śmiertelne.
Bielenie koralowców jest często przedstawiane jako śmierć koralowca, co jest nieco mylące. W rzeczywistości jest to rozpad unii symbiotycznej, która umożliwia koralowi rozkwit. Sam koralowiec jest jak deweloper budowlany, który buduje rusztowanie kompleksu wieżowców. Deweloper wynajmuje każdy z miliardów pokoi jednokomórkowym fotosyntetycznym drobnoustrojom zwanym Symbiodinium.
Ale w tym przypadku, w zamian za bezpieczne miejsce do życia, Symbiodinium wytwarza koralowce za pomocą fotosyntezy. Natomiast bielony koral jest jak opuszczony budynek. Bez lokatorów do spożywania posiłków koral w końcu umiera.
Chociaż bielenie może być zabójcze, jest to w rzeczywistości sprytna ewolucyjna strategia koralowca. Oczekuje się, że Symbiodinium utrzyma swój koniec umowy. Ale kiedy woda staje się zbyt ciepła, przestają fotosyntetyzować. Kiedy tego pożywienia brakuje, koral wysyła powiadomienie o eksmisji. „To tak, jakby mieć złego najemcę - pozbędziesz się tego, co masz i zobaczysz, czy możesz znaleźć coś lepszego” - mówi Levin.
Ale gdy oceany nadal się ocieplają, coraz trudniej jest znaleźć dobrych najemców. Oznacza to, że eksmisje mogą być ryzykowne. W ocieplającym oceanie zwierzę koralowe może umrzeć, zanim znajdzie lepszych najemców - scenariusz, który zdziesiątkował ekosystemy rafowe na całej planecie.
Levin chciał rozwiązać ten problem, tworząc prostą receptę na budowę super-symbiontu, który mógłby zaludnić bielone koralowce i pomóc im przetrwać zmiany klimatu - w zasadzie idealnych lokatorów. Ale musiała zacząć od małego. W tym czasie „było tyle dziur i luk, które uniemożliwiły nam pójście naprzód”, mówi. „Chciałem tylko pokazać, że możemy genetycznie opracować [ Symbiodinium ]”.
Nawet to okaże się wysokim zamówieniem. Pierwszym wyzwaniem było to, że pomimo tego, że jest organizmem jednokomórkowym, Symbiodinium ma niewygodny genom. Zwykle organizmy symbiotyczne usprawniają genomy, ponieważ w większości przypadków polegają na gospodarzach. Jednak podczas gdy inne gatunki mają genomy około 2 milionów par zasad, genom Symbiodinium jest o 3 rzędy wielkości większy.
„Są ogromne” - mówi Levin. W rzeczywistości cały ludzki genom jest tylko nieco mniej niż 3 razy większy niż Symbiodinium .
Nawet jeśli postępy w sekwencjonowaniu DNA umożliwiły rozszyfrowanie tych genomów, naukowcy wciąż nie mieli pojęcia, po co jest 80 procent genów. „Musieliśmy prześledzić i ustalić, który gen robił to, co w tym organizmie”, mówi Levin. Członek grupy fitoplanktonu zwanej dinoflagellatami, Symbiodinium, jest niezwykle różnorodny. Levin zwrócił uwagę na dwa kluczowe odmiany Symbiodinium, które mogła hodować w swoim laboratorium.
Pierwszy szczep, podobnie jak większość Symbiodinium, był wrażliwy na wysokie temperatury, które powodują bielenie koralowców. Podkręć tarczę termiczną o kilka stopni, a ten stwór był tostem. Ale drugi szczep, odizolowany od rzadkich koralowców żyjących w najcieplejszym otoczeniu, wydawał się być odporny na ciepło. Gdyby mogła dowiedzieć się, w jaki sposób te dwa szczepy dzierżyły swoje geny w warunkach bielenia, mogłaby znaleźć klucze genetyczne do opracowania nowego super-szczepu.
Kiedy Levin podkręcił ciepło, zobaczyła, że wytrzymały Symbiodinium zwiększył produkcję przeciwutleniaczy i białek szoku cieplnego, które pomagają naprawić uszkodzenia komórkowe spowodowane przez ciepło. Nic dziwnego, że normalne Symbiodinium nie. Levin zwróciła następnie swoją uwagę na znalezienie sposobu na umieszczenie większej liczby kopii kluczowych genów tolerujących ciepło w słabszym Symbiodinium, tworząc w ten sposób szczep przystosowany do życia z koralowcami z regionów umiarkowanych - ale z narzędziami do przetrwania ocieplających się oceanów.
Przeniesienie nowego DNA do komórki dinoflagellatu nie jest łatwym zadaniem. Choć małe, komórki te są chronione przez opancerzone płytki, dwie błony komórkowe i ścianę komórkową. „Możesz przejść, jeśli wystarczająco mocno naciskasz”, mówi Levin. Ale z drugiej strony możesz zabić komórki. Levin poprosił więc o pomoc nieoczekiwanego współpracownika: wirusa. W końcu wirusy „ewoluowały, aby móc umieszczać swoje geny w genomie gospodarza - tak przeżywają i rozmnażają się” - mówi.
Levin wyizolował wirusa, który zainfekował Symbiodinium, i molekularnie go zmienił, aby nie zabijał komórek. Zamiast tego zaprojektowała go jako łagodny system dostarczania genów tolerujących ciepło. W swoim artykule Levin argumentuje, że ładunek wirusa może wykorzystywać CRISPR, przełomową technikę edycji genów, która opiera się na naturalnym procesie wykorzystywanym przez bakterie, do wycinania i wklejania tych dodatkowych genów w region genomu Symbiodinium, gdzie byłyby wysoce wyrażone.
Brzmi dość prosto. Jednak rozmawianie z żywym ekosystemem nigdy nie jest proste, mówi Dustin Kemp, profesor biologii na University of Alabama w Birmingham, który bada ekologiczny wpływ zmian klimatu na rafy koralowe. „Jestem zdecydowanie za tymi rozwiązaniami w celu ochrony i pomocy genetycznej”, mówi Kemp. Ale „odbudowa raf, których utworzenie zajęło tysiące lat, będzie bardzo trudnym zadaniem”.
Biorąc pod uwagę zdumiewającą różnorodność szczepów Symbiodinium, które żyją tylko w jednym gatunku koralowym, nawet jeśli istniałby solidny system modyfikacji genetycznej, Kemp zastanawia się, czy kiedykolwiek byłoby możliwe zaprojektowanie wystarczającej liczby różnych super- Symbiodinium, aby przywrócić tę różnorodność. „Jeśli wyczyścisz stary las, a następnie wyjdziesz i posadzisz kilka drzew sosnowych, czy to naprawdę ratuje las lub odbudowuje las?”, Pyta Kemp, który nie był zaangażowany w badania.
Ale Kemp zgadza się, że rafy umierają w alarmującym tempie, zbyt szybko, aby naturalna ewolucja Symbiodinium mogła nadążyć. „Gdyby koralowce szybko ewoluowały, aby poradzić sobie z [ciepłymi wodami], można by pomyśleć, że już byśmy to widzieli”, mówi.
Thomas Mock, morski mikrobiolog z University of East Anglia w Wielkiej Brytanii i pionier genetycznie modyfikującego fitoplanktonu, zwraca również uwagę, że biologia dinoflagellatów jest nadal w dużej mierze tajemnicą. „Dla mnie to jest zamieszanie”, mówi. „Ale tak zwykle się zaczyna. Argument prowokacyjny jest zawsze dobry - jest bardzo trudny, ale zacznijmy gdzieś i zobaczmy, co możemy osiągnąć. ”Ostatnio CSIRO, oddział naukowy rządu Australii, ogłosił, że sfinansuje laboratoria, aby kontynuować badania modyfikacji genetycznych symbiontów koralowych.
Jeśli chodzi o zdrowie ludzi - na przykład ochronę ludzi przed niszczycielskimi chorobami, takimi jak malaria czy Zika - naukowcy byli gotowi wypróbować bardziej drastyczne techniki, takie jak uwalnianie komarów zaprogramowanych genetycznie w celu przekazywania śmiertelnych genów. Levin twierdzi, że modyfikacje genetyczne potrzebne do uratowania koralowców nie byłyby tak ekstremalne. Dodaje, że zanim genetycznie zmodyfikowane Symbiodinium będzie mogło uwolnić się do środowiska, konieczne jest przeprowadzenie znacznie bardziej kontrolowanych badań laboratoryjnych w celu zaludnienia raf koralowych.
„Kiedy mówimy o„ inżynierii genetycznej ”, nie zmieniamy znacząco tych gatunków” - mówi. „Nie tworzymy ogromnie mutantów. Wszystko, co próbujemy zrobić, to dać im dodatkową kopię genu, który już muszą im pomóc ... nie staramy się być szalonymi naukowcami. ”
