Подводный микроскоп для дайверов открывает микромир биологии кораллов

Сложные скрытые процессы, поддерживающие жизнь кораллов, становятся видимыми благодаря новому микроскопу, разработанному учёными из Океанографического института Скриппса Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Микроскоп для работы дайвера — названный Benthic Underwater Microscope imaging PAM, или BUMP — использует методы импульсно-амплитудной модуляции (PAM) света, чтобы обеспечить беспрецедентный взгляд на фотосинтез кораллов в микромасштабе.

Новая система визуализации BUMP позволяет изучать здоровье и физиологию коралловых рифов в их естественной среде, продвигая многолетние усилия по точному определению причин обесцвечивания кораллов.

Инженеры и морские исследователи из лаборатории подводной визуализации Джеффа в Институте Скриппса спроектировали и создали этот передовой микроскоп. Он уже даёт новое понимание взаимоотношений между кораллами и симбиотическими микроводорослями, впервые показывая, насколько эффективно фотосинтезируют отдельные водоросли внутри коралловой ткани.

Результаты опубликованы 3 июля в журнале Methods in Ecology and Evolution.

«Этот микроскоп — огромный технологический скачок в области оценки здоровья кораллов», — говорит Ор Бен-Цви, ведущий автор исследования. — «Коралловые рифы быстро деградируют, теряя свои фотосинтезирующие симбиотические водоросли в процессе, известном как обесцвечивание. Теперь у нас есть инструмент, который позволяет изучать эти микроводоросли внутри коралловой ткани, неинвазивно и в их естественной среде».

Кораллы — это рифообразующие животные, которые не могут фотосинтезировать самостоятельно. Вместо этого они полагаются на микроводоросли, живущие в их тканях. Эти симбиотические водоросли используют солнечный свет, углекислый газ и воду для производства кислорода и богатых энергией сахаров, которые поддерживают рост кораллов и формирование рифов.

Размером всего около 10 микрометров (примерно одна десятая ширины человеческого волоса), эти водоросли слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооружённым глазом. Когда кораллы испытывают стресс из-за потепления воды или плохих условий окружающей среды, они теряют эти микроводоросли, что приводит к побледнению («обесцвечиванию кораллов») и последующему голоданию коралла. Хотя этот процесс известен, учёные не до конца понимают его причины, и до сих пор не было возможности изучать его в полевых условиях в подходящем масштабе.

Новая система визуализации основана на предыдущей технологии лаборатории Джеффа, в частности на Benthic Underwater Microscope (BUM) 2016 года. Основной компонент BUMP — это микроскоп, управляемый через сенсорный экран и питаемый от аккумулятора. С помощью набора линз высокого увеличения и сфокусированных светодиодных ламп микроскоп захватывает яркие цветные и флуоресцентные изображения и видео, а теперь также может измерять фотосинтез и отображать его с более высоким разрешением с помощью фокальных сканирований.

С этим инструментом учёные буквально освещают биологические процессы под водой, используя методы измерения света PAM для визуализации флуоресценции и измерения фотосинтеза, а также создавая высокодетализированные 3D-сканы кораллов.

При наблюдении за кораллами под микроскопом красная флуоресценция обусловлена присутствием хлорофилла — фотосинтетического пигмента в микроводорослях. С помощью техники PAM измеряется красная флуоресценция, что даёт показатель эффективности использования света микроводорослями для производства сахаров.

Голубая/зелёная флуоресценция, сконцентрированная вокруг определённых областей, таких как рот и щупальца коралла, обусловлена особыми флуоресцентными белками, которые производят сами кораллы, и играет множество ролей в жизненных функциях коралла.

Инструмент достаточно мал, чтобы поместиться в ручную кладь, и достаточно лёгок, чтобы дайвер мог доставить его на морское дно без помощи судна. В сотрудничестве с лабораторией Смита в Институте Скриппса морской биолог Ор Бен-Цви тестировала и калибровала прибор в нескольких «горячих точках» коралловых рифов по всему миру: на Гавайях, в Красном море и на атолле Пальмира.

Заглянув в микроскоп, она была удивлена тем, насколько активны были кораллы, отмечая, что они постоянно меняли объём и форму. Она добавила новые наблюдения, например, увидев, как коралловый полип, по-видимому, пытался захватить или удалить проплывающую частицу, быстро сокращая щупальца.

«Мы визуализируем фотосинтез, то, что раньше было невидимо в масштабах, которые мы изучаем, и это похоже на волшебство», — говорит Бен-Цви.

Поскольку учёные могут доставить прибор прямо к подводным местам исследований, их работа является неинвазивной — им не нужно собирать образцы или даже прикасаться к кораллам.

«Мы получаем много информации об их здоровье без необходимости нарушать природу. Это похоже на медсестру, которая измеряет ваш пульс и говорит, насколько вы здоровы. Мы проверяем пульс коралла, не делая ему укол и не проводя инвазивную процедуру», — объясняет Бен-Цви.

Данные, собранные с помощью нового микроскопа, могут выявлять ранние предупреждающие признаки, которые появляются до того, как кораллы получат необратимые повреждения от событий, связанных с изменением климата, таких как морские тепловые волны. Эти данные могут помочь в разработке стратегий смягчения последствий для лучшей защиты кораллов.

Помимо кораллов, инструмент имеет широкий потенциал для изучения других мелкомасштабных морских организмов, которые фотосинтезируют, например, молодых водорослей. Несколько исследователей из Института Скриппса уже используют систему визуализации BUMP для изучения ранних стадий жизни неуловимой гигантской водоросли у побережья Калифорнии.

«Поскольку фотосинтез в океане важен для жизни на Земле, с этим инструментом можно представить множество других применений, в том числе прямо здесь, у побережья Сан-Диего», — отмечает Джефф.