珊瑚礁是陽光照射下的熱帶海浪下的繁華城市。 數以千計的色彩繽紛的生物像任何大都市的公民一樣大聲、快節奏地點擊、衝刺和飛鏢。
珊瑚在數千年的時間裡形成了一層薄薄的組織，是水下哥譚市的高層公寓。 碳酸鈣骨骼代表了一代又一代的微小無脊椎動物，上面覆蓋著一層活生生的彩色珊瑚蟲。 它們的結構為大約 114 種魚類和 51 種無脊椎動物提供了庇護所，這些珊瑚摩天大樓就是它們的午餐。
儘管珊瑚很重要，但它們仍處於危險之中。 海洋變暖導致越來越多的珊瑚變白並容易遭到破壞。 氣溫持續升高，僅攝氏 1 至 2 度，就足以殺死海洋動物。 溫室氣體排放也會使水酸化，溶解鈣骨架。 在一些國家，漁民使用炸藥捕魚，留下珊瑚碎石。 如今，世界上 60% 以上的珊瑚礁面臨消失的危險。
今年夏天是有史以來持續時間最長、範圍最廣的全球珊瑚白化事件。
澳洲利斯莫爾南十字星大學的海洋科學家彼得·哈里森表示，珊瑚礁面臨的威脅「在過去幾十年裡急劇升級」。 他研究珊瑚已有三十年了。 “在我擔任珊瑚礁研究員期間，”哈里森說，“我親眼目睹了情況變得更糟。”
三十年前，大規模的珊瑚白化是聞所未聞的。 如今，珊瑚礁正在經歷自 1998 年以來的第三次全球珊瑚白化事件。（SN：2016 年 7 月 23 日，第 16 頁 5）。 澳洲受到的打擊尤其嚴重。 大堡礁北部 80% 以上的區域已經白化，其中近一半的珊瑚已經死亡，根據四月的一份報告來自澳洲國家珊瑚白化工作小組。
隨著珊瑚礁急劇下降，從夏威夷到菲律賓和加勒比地區的科學家們正在努力拯救珊瑚。 瓦胡島夏威夷海洋生物學研究所的珊瑚生物學家露絲·蓋茨說，曾經被認為激進的方法「現在在某些地方被認為是必要的」。
在佛羅裡達州，研究人員正在用微小的珊瑚碎片恢復珊瑚礁。 在夏威夷，蓋茲正在水中搜尋耐壓珊瑚，並在實驗室中進行實驗，培育最頑強的個體。 6 月在檀香山舉行的第 13 屆國際珊瑚礁研討會上，哈里森的團隊報告說早期有希望的結果其努力用微小的珊瑚幼蟲淹沒菲律賓受損的珊瑚礁。
對一個珊瑚礁有效的方法不一定能拯救另一個珊瑚礁。 因此，研究人員正在測試一系列拯救各種水下群落的選擇。
一個不同的故事
壓力很大
不斷變化的條件，例如海洋溫度上升和當地污染，可能會導致珊瑚白化而殺死珊瑚礁。 以下是艱難時期如何讓珊瑚礁變白的故事。
健康的珊瑚
光合藻類（深綠色點）生活在珊瑚蟲中，為珊瑚提供營養。
壓力珊瑚
藻類賦予珊瑚特有的顏色。 在壓力下，珊瑚會排斥藻類並開始褪色為白色。
E·奧特韋爾
白化珊瑚
如果條件沒有改善到足以讓藻類回歸，珊瑚就會挨餓或死於疾病。
來源：NOAA 珊瑚礁保護計劃
20 世紀 80 年代初，哈里森是澳洲湯斯維爾詹姆斯庫克大學的研究生，從事大堡礁工作。 當時，教科書教導說，大多數珊瑚是透過孵化繁殖的：受精發生在體內，幼蟲被釋放到水中，全年補充珊瑚礁的營養。 但哈里森目睹了一些非常不同的事情。 在春天滿月前後的幾個晚上，珊瑚產卵，將卵子和精子噴入水中進行體外受精。 大海被粉紅色的油膩的浮油覆蓋著。
「我們發現珊瑚沒有讀過教科書，」哈里森說。 卵子和精子在珊瑚體外相遇，幼蟲在水流中漂流時發育。
那個發現引發了一系列關於珊瑚繁殖的研究，使現代人認識到許多珊瑚每年只繁殖一到兩次，並協調大量釋放卵子和精子。 哈里森說，大多數由此產生的幼蟲都會死亡或漂流到海裡。 只有一小部分能活到成年。 即便如此，大量產卵是“珊瑚礁隨著時間的推移而自我補充的方式”，他說。
就在哈里森發現大堡礁後，然後全球各地的珊瑚礁都經歷了大規模的白化。 通常，微小的藻類生活在珊瑚蟲體內。 藻類為珊瑚製造糖和其他營養物質，並賦予珊瑚蟲特有的鮮豔顏色。 但當溫度升高時，藻類就會變得有毒。 珊瑚吐出它們的伴侶，漂白成白色，如果溫度不足以讓藻類返回，珊瑚就會死亡（SN 線上：10/8/15）。
世界範圍內的珊瑚白化現像比過去有記錄的更加頻繁和嚴重。 科學家開始擔心珊瑚礁遇到了麻煩。 一些研究人員，例如在佛羅裡達州薩默蘭島莫特熱帶研究實驗室負責珊瑚礁恢復計畫的戴夫沃恩 (Dave Vaughan) 採取了行動。
那時，沃恩是養魚戶，人工飼養鹹水魚。 他開始為熱帶水族館種植珊瑚。 沃恩說，當時，水族館貿易中的所有珊瑚都是從野外採集的。 他開始人工飼養珊瑚品種，作為環保的替代方案。
有一天，傳奇潛水員雅克的孫子菲利普·庫斯托參觀了該行動。 當年輕的庫斯托看到沃恩正在為水族館飼養珊瑚時，「他搖了搖頭，」沃恩回憶道，「並說『戴夫，如果你能為水族館貿易做到這一點，你也能為珊瑚礁做到這一點。
沃恩說，在最早的日子裡，大多數科學家都在解決因拋錨或船隻擱淺造成的小規模珊瑚礁破壞。 為了修復這種輕微的損壞，科學家開始從鄰近珊瑚礁上的健康珊瑚上打碎 3 到 5 公分的碎片，並將這些碎片移植到受損的地方。
科斯託的訪問使沃恩相信他應該嘗試恢復珊瑚礁。 11 年前，沃恩 (Vaughan)做出了改變遊戲規則的發現：較小的珊瑚碎片，只有 1 公分長，其自我修復速度是科學家記錄的珊瑚生長速度的 25 至 40 倍。
如今，沃恩的團隊正在佛羅裡達群島的死珊瑚骨骼表面散佈許多這樣的微碎片。 當這些碎片重新融合在一起時，它們會在原本死亡的珊瑚礁上形成快速生長的「皮膚」。 廢棄的建築物會被翻新而不是被夷為平地。
莫特海洋實驗室與沃恩合作的生物學家克里斯·佩奇表示，希望在兩到三年內，數千個微碎片將覆蓋在一個小珊瑚礁上。 那真是太快了。 「自然界中不可能發生這種情況，」佩奇說。
沃恩的團隊正在陸地上的大槽中培育 17 種用於微破碎的物種，海水流經槽中。 他專注於為珊瑚礁奠定基礎的六種生長緩慢的大型物種。 有些可以活幾個世紀，堆成卡車大小的巨石。
苗木
2016 年，珊瑚微碎片在佛羅裡達州薩默蘭礁島育苗槽（左）的圓盤上生長。以恢復造礁珊瑚。
三年前，佛羅裡達州的研究人員在佛羅裡達州大松島附近的近岸珊瑚礁的兩個地點將第一批200 個微碎片投入海洋。已經開始融合一起形成大約 5 加侖桶蓋大小的區域。 從那時起，沃恩和佩奇在野外種植了近 10,000 個微碎片。 「人們在尋找一絲曙光，」沃恩說。 “事實證明，恢復在很大程度上是這樣的。”
珊瑚礁的種子
碎片化和較新的微碎片化都是時間和勞動力密集的，因此非常昂貴。 哈里森說，他們依賴克隆。
當一顆珊瑚被打碎成碎片、養肥並種植在珊瑚礁周圍時，每一塊珊瑚的基因都是一樣的。 所有這些片段都有相同的 DNA 藍圖來對抗感染和應對壓力。 與天然珊瑚礁不同的是，天然珊瑚礁中的個體具有不同的基因並且具有不同的脆弱性，克隆珊瑚具有相同的弱點。
哈里森說：“人們花了數年時間種植珊瑚花園，結果卻讓它們在下一次白化事件中被消滅。” 他補充說，隨著多樣性的增加，其中一些珊瑚可能會倖存下來。 在一個更溫暖的世界裡，白化和疾病可能會變得更加普遍，“遺傳多樣性等於復原力。”
為了解決多樣性問題，沃恩和佩奇正在為每種珊瑚品種培育 20 至 30 個基因變體，並將其種植在珊瑚礁周圍。 他們也從四種珊瑚的野生群落中收集卵子和精子，以便在薩默蘭島生長。
哈里森自 20 世紀 80 年代初看到珊瑚向海洋噴射射精子和卵子以來，一直在思考遺傳多樣性。 由此產生的幼蟲很少能存活。 許多人會漸行漸遠，大多數人會死。 同時，哈里森看到珊瑚礁在不斷減少。
他想知道，如果科學家能夠捕捉數百萬種不同的珊瑚幼蟲，幫助它們定居在珊瑚礁上，以補充患病的生態系統，結果會如何？
其他研究人員也問自己同樣的問題。 在 20 世紀 90 年代末和 2007 年至 2009 年，兩支球隊澳洲和帛琉，將珊瑚幼蟲釋放到海底搭建的網狀帳篷中的健康珊瑚礁區域。 在這兩項研究中，數千隻幼蟲定居在帳篷下，比科學家在自然情況下看到的要多得多。
但這些早期結果可能具有誤導性。 大多數帛琉的早期定居者在 30 週內就去世了。 用幼蟲淹沒珊瑚礁並沒有對珊瑚數量產生持久的影響。 研究人員推測，也許定居者太擁擠了，這意味著用幼蟲淹沒珊瑚礁是沒有意義的。
哈里森不准備放棄。 他說，儘管大多數新定居者已經死亡，但這些研究是在健康的珊瑚礁上進行的。 在遭受重創的地區，有些小珊瑚可能會自然漂入，但不足以讓珊瑚礁自我修復，幼蟲的出現可能會帶來一劑強心劑。
我們的想法是找到一個嚴重受損的珊瑚礁，在那裡，爆破捕魚等最嚴重的問題已經停止。 哈里森會將珊瑚礁中一些成熟的、性活躍的珊瑚帶到實驗室，說服它們在水族箱中釋放精子和卵子，然後將超過一百萬的幼蟲帶回珊瑚礁。 該計劃是讓環境中充滿定居的嬰兒，就像成年珊瑚在健康的日子裡所做的那樣。
2013 年，哈里森的團隊在研究生德克斯特·德拉·克魯茲(Dexter dela Cruz) 的帶領下，在菲律賓一個名為麥格賽賽(Magsaysay) 的礁石上開始了一項小型試點實驗，該礁近二十年來使用炸藥捕魚已經造成了損失。 哈里森說，爆破捕魚「就像用大鐵鎚敲擊礁石」。 麥格賽賽的大型基礎珊瑚被炸成了碎片。 曾經充滿活力的城市如今變成了一片荒地。
到 2013 年，爆破捕魚已經停止，但麥格賽賽並沒有自行恢復。 因此，哈里森的團隊從一種快速生長的紫尖珊瑚中引入了幼蟲，這種珊瑚被稱為鹿角薄，從附近更健康的珊瑚礁採集。 科學家將超過一百萬隻幼蟲釋放到在珊瑚礁水下搭建的無地板網狀帳篷中。 五天后，哈里森的團隊拆除了網狀外殼。
在接下來的六個月裡，大多數小型珊瑚定居者都死亡了。 但是，到九個月後，剩餘人口已經穩定下來。 哈里森說，科學家們預計會有更多的幼年珊瑚死亡，但「令人難以置信且非同尋常」的是，沒有一個珊瑚死亡。 3歲時，幼年珊瑚已達到性成熟，現在有餐盤大小。 六月，德拉克魯茲提出調查結果在檀香山。
對於生長緩慢的珊瑚，哈里森的方法需要額外的耐心。 但對於像這樣的快速增長者A、瘦，重新播種幼蟲可能是一種快速且經濟實惠的方法，可以幫助嚴重受損的珊瑚礁恢復活力。
獲勝珊瑚
哈里森說，第一步是讓更多幼蟲進入受損的珊瑚礁。 但有些人比其他人更堅強、更能承受壓力。 隨著他們的成長，這些「勝利者」透過生存而脫穎而出。
在麥格賽賽的太平洋彼岸，生物學家蓋茲正在研究獲勝者。 她位於歐胡島迎風海岸椰子島上的實驗室裡，一排排室內和室外水族館在潺潺作響。 那些水箱裝滿了蒙蒂波拉發生了是一種當地快速生長的珊瑚，從島嶼周圍的斑塊珊瑚礁中收集。
2014年和2015年，異常溫暖的海水襲擊夏威夷。 在壓力下，許多珊瑚排斥它們的共生藻類，然後從健康的棕色變成白色。 有些人死了。
蓋茲的團隊在白化期間和之後在島嶼周圍的珊瑚礁上巡邏，尋找堅韌的珊瑚礁。頭狀海棠即使在熱水中也保持棕色的個體。 科學家們也感興趣頭狀海棠漂白了，但隨後又恢復了。 蓋茲將這項工作等同於專業體育偵察，“在高中尋找最好的運動員。”
當她找到表現最好的人時，蓋茲會把他們帶到她的實驗室，測試他們的進度，讓每個表現出色的人暴露在海水箱中不同溫度和 pH 值的環境中。 有些條件重現了今天的海洋，而有些條件則模仿了未來溫暖且酸性更強的海洋。
如今，蓋茲正在培育最強壯的珊瑚（她的第一批嬰兒在六月出生）。 她希望表現最好的人能夠擁有繼承父母優勢的「非常有才華的孩子」。 現在判斷新珊瑚在珊瑚礁上種植後會如何表現還為時過早。
「我們正在努力幫助珊瑚發揮作用，」她說。 最終目標是讓珊瑚礁在沒有人類幹預的情況下健康地生存。 在接下來的五年裡，研究人員計劃將業務範圍擴大到頭狀海棠尋找在椰子島周圍海灣發現的所有五種超級珊瑚。
在下一次大白化事件發生之前找到這些超級珊瑚將是理想的選擇。 但為此，研究人員需要另一個恢復能力的跡象。 蓋茲說，這個跡象可能隱藏在珊瑚發光的方式中。
一些珊瑚動物及其共生藻類富含螢光蛋白，可以吸收入射光，然後透過發光將其吐出。 目前還不清楚螢光蛋白對珊瑚有什麼作用； 它們可能是一種防曬霜，可以保護珊瑚免受淺海強光的傷害，也可能是一種偽裝形式或免疫系統的一部分。
壓力會影響珊瑚的發光蛋白質並改變其螢光模式。 太平洋和印度洋物種龍江衛城例如，研究人員在 2013 年報告科學報告認為綠色螢光蛋白濃度隨溫度壓力下降在白化之前，珊瑚發出的光不那麼強烈。 在早期的一項研究中，長時間的高溫改變了比例瀕臨滅絕的加勒比珊瑚中的綠色到橙色螢光蜂巢輪蟲。
蓋茲預計，在壓力下，超級珊瑚將比正在白化的珊瑚更長時間地保持健康的螢光圖案。 蓋茲說，下一步是對微小的珊瑚碎片施加壓力，並觀察在非常強大的雷射掃描共聚焦顯微鏡下會發生什麼。 她會將珊瑚小塊暴露在酸化的水中或升高培養皿中的溫度。 顯微鏡將捕捉小珊瑚的螢光，並可能顯示哪些珊瑚將保持健康最長時間。
一旦科學家能夠識別出最頑強的珊瑚，他們就可以將選擇性育種與其他復健技術結合。 微破碎等方法可以幫助超級菌落快速成熟。 然後，蓋茲說，“我們將製定一項策略，讓珊瑚礁很快就會產生自己的後代。”
沒有兩種拯救珊瑚礁的方法是相同的，這可能是一件好事。 珊瑚破碎、再播種和選擇性繁殖各有利弊。
「『一刀切』的假設是完全錯誤的，」蓋茲說。 在佛羅裡達海岸可行的方法不一定適用於太平洋。 就像遙遠的城市一樣，每個珊瑚礁都有不同的需求和優先事項。 他們的珊瑚群落各不相同，面臨的威脅也各不相同。 有些問題，例如海洋變暖，是全球性的。 其他問題，如道路和農業徑流污染、過度捕撈和炸藥捕撈，往往更加局部化。 修復方法會有所不同，具體取決於損壞的類型和嚴重程度，以及珊瑚物種的鑲嵌方式可能如何反應。
在全球範圍內，“我們所做的事情會有所不同嗎？” 蓋茲問。 “絕對地。”
蓋茲、沃恩和哈里森並沒有相互競爭，而是致力於實現一個共同的目標：找到正確的方法組合來支持珊瑚礁，使它們不再需要人類的幫助。
本文發表於 10 月 29 日刊科學新聞標題是「重建珊瑚礁：珊瑚面臨危險，科學家嘗試水下修復」。
