Коралловые рифы — одни из старейших и самых разнообразных экосистем на Земле, а также одни из самых ценных. Они питают 25% всей жизни в океане, защищают побережья от штормов и ежегодно приносят миллиарды долларов в мировую экономику благодаря своему влиянию на рыболовство, новые фармацевтические препараты, туризм и отдых.

Сегодня коралловые рифы мира деградируют беспрецедентными темпами из-за загрязнения, чрезмерного вылова рыбы и разрушительных методов лесного хозяйства и добычи полезных ископаемых на суше. Изменение климата, вызванное деятельностью человека, приводит к потеплению и закислению океана, вызывая кризис рифов, который может привести к исчезновению большинства кораллов в течение нескольких поколений.

Я морской биолог в Смитсоновском национальном зоопарке и институте природоохранной биологии. В течение 17 лет я работал с коллегами над созданием глобальной научной программы под названием «Инициатива по восстановлению рифов», целью которой является помощь в спасении коралловых рифов с помощью науки криоконсервации.

Этот новый подход предполагает хранение и охлаждение спермы и личинок кораллов, или зародышевых клеток, при очень низких температурах и хранение их в государственных биохранилищах.

Эти хранилища являются важной защитой от исчезновения кораллов. При эффективном управлении они могут помочь нейтрализовать угрозы рифам Земли в глобальном масштабе. Эти замороженные активы можно использовать сегодня, через 10 или даже 100 лет, чтобы помочь заново засеять океаны и восстановить живые рифы.

Безопасно замороженный заживо

Криоконсервация — это процесс замораживания биологического материала с сохранением его жизнеспособности. Он включает введение в клетки сахароподобных веществ, называемых криопротекторами, которые помогают предотвратить образование смертельного льда во время фазы замораживания. Если все сделано правильно, клетки остаются замороженными и живыми в жидком азоте в неизмененном виде в течение многих лет.

Многие организмы переживают холодные зимы в природе благодаря естественному криоконсервированию, когда температура в их среде обитания падает ниже нуля. Двумя примерами, распространенными в Северной Америке, являются тихоходки — микроскопические животные, живущие во мхах и лишайниках, — и древесные лягушки.

Сегодня методы криоконсервации кораллов в основном основаны на замораживании спермы и личинок. С 2007 года я обучил многих коллег криоконсервации кораллов и работал с ними над успешным сохранением спермы кораллов. Сегодня в биохранилищах по всему миру хранится сперма более чем 50 видов кораллов.

Мы использовали эту криоконсервированную сперму для производства новых кораллов по всему Карибскому морю с помощью процесса селекции, называемого вспомогательным потоком генов. Целью было использовать криоконсервированную сперму и скрещивать кораллы, которые не обязательно встречались бы друг с другом — своего рода сватовство на расстоянии.

Генетическое разнообразие поддерживается за счет объединения как можно большего числа разных родителей для производства нового потомства, полученного половым путем. Поскольку кораллы прикрепляются к морскому дну, когда численность популяции в их районе сокращается, новые особи могут быть завезены посредством криоконсервации. Есть надежда, что эти новые генетические комбинации могут иметь адаптацию, которая поможет кораллам пережить изменения в будущем потеплении океанов.

В результате этих исследований потока генов было получено 600 новых генетически отсортированных особей находящегося под угрозой исчезновения коралла лосося Acropora palmata. По состоянию на начало 2024 года в популяции Флориды в дикой природе осталось всего около 150 особей лосей. Если бы у них была такая возможность, эти селективно выведенные в неволе кораллы могли бы значительно увеличить генофонд диких лосей.

Сохранение сперматозоидов и личинок является важной защитой от утраты биоразнообразия и исчезновения видов. Но мы можем собирать этот материал только во время мимолетных событий нереста, когда кораллы выпускают в воду яйцеклетку и сперму.

Эти эпизоды происходят всего несколько дней в году — небольшой временной интервал, который создает логистические проблемы для исследователей и защитников природы и ограничивает скорость, с которой мы можем успешно хранить виды кораллов в криобанках.

Ситуация еще больше усложняется тем, что потепление океанов и все более частые морские волны тепла могут вызвать биологический стресс у кораллов. Это может сделать их репродуктивный материал слишком слабым, чтобы выдержать суровые условия криоконсервации и размораживания.

Расширение масштабов спасательных операций

Чтобы быстрее собирать коралловый материал, мы разрабатываем процесс криоконсервации целых фрагментов кораллов, используя метод, называемый изохорной витрификацией. Эта техника все еще развивается. Однако в случае полного успеха он сохранит целые фрагменты кораллов, не вызывая образования льда в их тканях, таким образом производя жизнеспособные фрагменты после того, как они оттают, которые процветают и могут быть снова помещены на риф.

Для этого мы обезвоживаем фрагмент, подвергая его воздействию вязкого коктейля криопротекторов. Затем помещаем его в небольшой алюминиевый цилиндр и погружаем цилиндр в жидкий азот, температура которого составляет минус 320 градусов по Фаренгейту (минус 196 по Цельсию).

Этот процесс замораживает содержимое баллона так быстро, что криопротектор образует прозрачное стекло, не позволяя развиваться кристаллам льда. Когда мы хотим разморозить фрагменты, мы помещаем их на несколько минут в теплую водяную баню, а затем регидрируем в морской воде.

Используя этот метод, мы можем собирать и криоконсервировать фрагменты кораллов круглый год, поскольку нам не нужно ждать и наблюдать за мимолетными событиями нереста. Такой подход значительно ускоряет наши усилия по сохранению.

Защита как можно большего количества видов потребует расширения и распространения нашей науки для создания надежного криоконсервированного и размороженного кораллового материала с помощью различных методов. Мои коллеги и я хотим, чтобы технология была простой, быстрой и дешевой, чтобы любой профессионал мог повторить наш процесс и помочь нам сохранить кораллы по всему миру.

Мы создали видеообученную программу крио-обучения кораллов, включающую инструкции по созданию простых криоморозильников, напечатанных на 3D-принтере, и сотрудничали с инженерами для разработки новых методов, которые теперь позволяют замораживать сотни личинок кораллов на простых и недорогих устройствах. металлические сетки. Эти новые инструменты позволят лабораториям по всему миру значительно ускорить сбор кораллов по всему миру в течение следующих пяти лет.

На страже будущего

Согласно последним климатическим моделям, если выбросы парниковых газов продолжатся, 95% или более кораллов в мире могут погибнуть к середине 2030-х годов. Это оставляет очень мало времени для сохранения биоразнообразия и генетического разнообразия рифов.

Один из подходов, который уже реализуется, заключается в передаче всех видов кораллов под опеку человека. Смитсоновский институт является частью Coral Biobank Alliance, международного сотрудничества по сохранению кораллов путем сбора живых колоний, скелетов и генетических образцов, а также использования лучших научных практик для восстановления рифов.

На сегодняшний день более 200 видов кораллов из примерно 1000 известных видов твердых кораллов и тысячи колоний находятся под опекой людей в учреждениях по всему миру, включая организации, связанные с американскими и европейскими подразделениями Ассоциации зоопарков и аквариумов. Хотя это клоны колоний из дикой природы, эти особи могут быть помещены в системы разведения кораллов, которые можно будет использовать для последующей криоконсервации их генетически различных личинок. Альтернативно, их личинки можно использовать для проектов по восстановлению рифов.

Пока изменение климата не будет замедлено и обращено вспять, рифы будут продолжать деградировать. Обеспечение лучшего будущего коралловых рифов потребует создания коралловых биохранилищ, создания наземных питомников для содержания коралловых колоний и развития новых личинок поселенцев, а также подготовки новых специалистов по криотерапии.

На протяжении десятилетий зоопарки использовали разведение и реинтродукцию в неволе для защиты видов животных, уровень численности которых упал до критически низкого уровня. Точно так же я верю, что наши новые решения могут вселить надежду и помочь спасти коралловые рифы, чтобы заселить наши океаны сегодня и в далеком будущем.

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.