Квантовый скачок в понимании того, как выживают живые кораллы

Коралловые рифы процветают миллионы лет в мелководных океанических средах благодаря уникальному партнёрству с водорослями, живущими в их тканях. Кораллы предоставляют убежище и CO₂, а их симбиотические водоросли снабжают их пищей и кислородом, производимым в ходе фотосинтеза. Исследователи из Института геномной биологии Карла Р. Вуза (IGB), изучая кораллы Orbicella annularis и Orbicella faveolata в южной части Карибского бассейна, улучшили возможности визуализации и отслеживания этих симбиотических взаимодействий в условиях глобального потепления поверхности моря и увеличения глубины вод.

«Кораллы — одни из самых жизнестойких организмов на планете, — сказал Маянди Сивагуру, соавтор исследования. — Они пережили ледниковые периоды, парниковые условия безо льда и всё, что между ними».

Несмотря на долгую историю выживания, коралловые рифы также достаточно чувствительны, чтобы служить индикаторами изменения климата и здоровья океана. Например, при повышении температуры поверхности моря или кислотности воды кораллы изгоняют своих водорослевых партнёров — явление, называемое обесцвечиванием кораллов, — что меняет их цвет с зелёного на белый. Чтобы понять причины этого, важно визуализировать взаимодействие кораллов с водорослями.

Ранее исследователям приходилось снимать с кораллов кожу и помещать образцы в блендер. В данном исследовании используется неинвазивная техника двухфотонной микроскопии, позволяющая изучать трёхмерную структуру живых образцов без дальнейшей обработки и определять количество водорослей и присутствующих биомолекул. Метод использует свет для сканирования живых тканей, сохраняя естественную структуру роста кораллов.

Новые методы позволили сравнить симбионтов в двух экологических контекстах:

1. От мелкой до глубокой морской воды.
2. Между сезонными изменениями температуры поверхности моря (от тёплой к прохладной).

Помимо анализа количества симбионтов, исследователи отслеживали одновременные изменения в слизи и биомолекулах, производимых кораллами, некоторые из которых служат естественным солнцезащитным кремом.

Результаты микроскопии показали:

• Мелководные кораллы имеют более низкую концентрацию водорослей и производят больше хроматофоров — биомолекул, защищающих водоросли от повреждения солнечным светом.
• Глубоководные кораллы демонстрируют противоположную картину: получая меньше света, они требуют больше водорослей для удовлетворения потребностей в фотосинтезе.
• При сезонном потеплении воды производство слизи и концентрация водорослей снижались, но фотосинтез и рост кораллового скелета усиливались. Более прохладная вода вызывала обратный эффект.

«Мы объединили результаты этого исследования, чтобы выявить универсальные механизмы биоминерализации, существующие между водой, микробами, живыми организмами и горной породой, — сказала соавтор Лорен Тодоров. — Это позволило установить всестороннее понимание коралловой системы и провести параллели с формированием слоистых пород в других системах, таких как горячие источники, римские акведуки и даже человеческие камни в почках».

Проект потребовал нескольких лет работы и использования практически всех микроскопов в IGB Core Facilities. В исследовательскую команду вошли несколько студентов, начавших работу ещё в школе и продолживших её в рамках учёбы в бакалавриате и магистратуре в различных институтах США. Работа включала полевые исследования на Кюрасао и в IGB.