Нырните у побережья Флориды, Гавайев или Большого барьерного рифа в Австралии — и вас ждет потрясающее зрелище, но не то, что вы ожидаете. Там, где раньше простирались гектары ослепительных кораллов всех цветов радуги, теперь часто лежит бледное, безжизненное на вид царство. Яркие краски словно выцвели. Это явление называют обесцвечиванием. Оно происходит, когда кораллам тяжело, например, из-за потепления воды в океане, и это одна из главных угроз для самых богатых и важных экосистем планеты.

Но есть и хорошие новости. Группа ученых выяснила, что некоторые кораллы могут передавать своим детям способность лучше переносить жару. Это открытие — результат работы Мичиганского университета, Университета Дьюка и Гавайского института морской биологии. Оно очень важно для гонки по спасению и восстановлению гибнущих рифов по всему миру.

Результаты опубликованы в издании Nature Communications.

Коралловые рифы — это дом для почти четверти всех морских обитателей. Они защищают берега от штормов и обеспечивают жизнь миллионам людей. Обесцвеченный коралл еще жив, но он сильно рискует заболеть, погибнуть от голода и в конечном счете умереть.

В своем новом исследовании ученые изучили, как устойчивость к тепловому стрессу передается от родителей к потомству у важного вида рифообразующих кораллов — крупитчатого коралла. Эти знания помогают исследователям выводить более сильные, жароустойчивые поколения, которые смогут лучше справляться со стрессом.

Лаборатория устойчивости кораллов на Гавайях разработала потрясающие методы для разведения кораллов во время их естественного нереста летом, — говорит биохимик Роб Куинн, соавтор исследования. — Это настоящее научное сотрудничество, которое поддерживает разведение кораллов, чтобы выращивать более устойчивые к потеплению океанов организмы.

Яркие цвета здорового коралла — это результат тесного союза между самим коралловым полипом и микроскопическими водорослями, которые живут в его тканях. Представьте себе арендаторов, которые платят за жилье едой. Водоросли получают от коралла убежище и питательные вещества, а взамен с помощью фотосинтеза производят сахара. Эти сахара дают кораллу до 95% энергии, необходимой для роста и создания величественных рифов.

В бедных питательными веществами тропических водах сбой в этих отношениях, как при обесцвечивании, может быть катастрофой. Когда вы видите обесцвеченный коралл, вы смотрите на организм, который «выгнал» своих жизненно важных партнеров-водорослей.

Кораллы — как деревья в древнем лесу; они строят экосистемы рифов на энергетическом фундаменте этого союза животного и водорослей, — объясняет Кроуфорд Друри, соавтор исследования.

В заливе Канэохе Лаборатория устойчивости кораллов как раз и занимается тем, что изучает эту экологию и молекулярные механизмы теплового стресса. Они же разводят термоустойчивые кораллы для экспериментов и восстановления рифов — это сложнейший процесс, который под силу лишь нескольким лабораториям в мире. Так что, хотя в Мичигане свежий коралл не найдешь, партнерство с гавайцами позволило создать глобальную коллаборацию, стирающую грань между полем и лабораторией.

В дикой природе крупитчатый коралл принимает самые причудливые формы: то с острыми шипами, то в виде плоских террас. Свое название он получил из-за крошечных выступов, похожих на зернышки. Когда образцы этого коралла попадают в Мичиганский университет, Роб Куинн применяет метод под названием метаболомика, чтобы понять сложную биохимию организмов. Это как сделать моментальный снимок всей жизни клетки в конкретный момент времени. С помощью мощного оборудования команда искала биохимические признаки устойчивости к обесцвечиванию в образцах коралловой спермы, яйцеклеток, эмбрионов, личинок и их водорослей-партнеров.

Анализы показали, что и коралл, и водоросли передают по наследству биохимическую «метку» термоустойчивости, и что эта устойчивость успешно сохраняется от родителя к следующему поколению. Учитывая сложный метод размножения и многоступенчатый жизненный цикл кораллов, это впечатляющий результат.

Кораллы обычно нерестятся в соответствии с лунным циклом; для нашего эксперимента это означало поздние ночи во время летнего новолуния и месяцы работы по выращиванию личинок и молодых кораллов, — говорит Друри.

Этим летом аспирантка Сара ВанДайпенбос присоединилась к гавайским исследователям, чтобы увидеть ночной нерест кораллов.

Это было невероятно красивое и умиротворяющее зрелище. Все происходит безупречно по времени, весь процесс длится всего 20–30 минут, — объясняет она. — Коралловые связки медленно всплывают вверх, пытаясь найти другие половые клетки для соединения, как только достигнут поверхности. Выпуск гамет постепенный, чтобы у них был максимальный шанс найти клетки от другого коралла.

В то время как многие виды кораллов «подхватывают» водоросли-симбионты из окружающей воды, крупитчатый коралл предоставляет водоросли прямо в яйцеклетке, передавая эти отношения по наследству.

То, что термоустойчивость этих водорослей сохраняется на протяжении всего поколения и всех стадий развития коралла, — это удивительно и многообещающе для будущего рифов, — говорит Куинн.

Особенно важным было то, что даже на самых ранних стадиях жизненного цикла, у эмбрионов и личинок, были видны химические сигнатуры, которые указывали на то, были ли их родители термоустойчивыми или нет.

Это значит, что потомство получает не только гены, но и полезные молекулы, дающие им фору в борьбе с тепловым стрессом.

Одна из самых интересных находок этой работы — то, что липидная биохимия коралла сохраняется на всех стадиях развития во время размножения, — отмечает Куинн. — Что важно, эти липиды происходят и от коралла-хозяина, и от его водорослей-симбионтов, что указывает на их взаимосвязь, чтобы подготовить следующее поколение к сопротивлению обесцвечиванию.

Показав, что унаследованная термоустойчивость происходит как от коралла, так и от водорослей, это исследование дает более глубокое понимание тонко настроенного симбиоза в кораллах по всему миру. Самое же волнительное для команды — это то, как их открытия способствуют развитию науки восстановления рифов, и выведению более сильных, устойчивых к жаре поколений кораллов.

Наши исследования в области метаболомики в Мичиганском университете могут поддержать усилия по восстановлению рифов в таких местах, как залив Канэохе, путем выявления кораллов, устойчивых к обесцвечиванию, — заключает Куинн.

Реальная польза этого исследования носит сугубо прикладной характер и лежит в области активного восстановления рифов. Понимание механизма наследования термоустойчивости позволяет перейти от хаотичного сбора «выживших» после обесцвечивания кораллов для их дальнейшего разведения к целенаправленной, осознанной селекции. Мы можем не просто надеяться, что какой-то коралл окажется живучим, а целенаправленно отбирать тех производителей, которые гарантированно передадут нужные черты своему потомству. Это значительно повышает эффективность и снижает стоимость программ по восстановлению рифов. Фактически, это создает научную базу для „умных коралловых питомников“, где будут выращивать не просто кораллы, а кораллы с заранее заданной устойчивостью к конкретным стрессовым условиям, например, к температуре воды в конкретном регионе.

Основное замечание касается экологической валидности и долгосрочных последствий. Исследование проводилось на одном виде кораллов (Montipora capitata), который, как выяснилось, передает симбионтов напрямую через яйцеклетку (вертикальная передача). Однако большинство видов кораллов в мире приобретают симбионтов из окружающей среды (горизонтальная передача) уже после оседания личинки.

Не факт, что выявленные механизмы наследования термоустойчивости будут работать для этих видов так же эффективно. Кроме того, существует риск: интенсивная селекция на один признак (термоустойчивость) может невольно ослабить кораллы в других аспектах (например, устойчивость к болезням, скорость роста, генетическое разнообразие). Создание «суперкораллов» в лаборатории — это одно, а их успешная интеграция в сложную и динамичную природную экосистему, где они должны конкурировать с другими видами, — это совершенно другая, гораздо более сложная задача.

Ранее ученые отмечали, что кораллы спасают себя самостоятельно.