解决达尔文的珊瑚礁悖论——科学家揭开一个古老的谜团

英国南安普顿大学的一项新研究揭示了为什么珊瑚礁在似乎缺乏营养的水域中茁壮成长，这种现象自查尔斯·达尔文以来一直让科学家们着迷。

研究表明，珊瑚以光合共生体（生活在珊瑚细胞内的微小藻类）为食。 这种植物性饮食使珊瑚能够从以前被认为无法获得的多种营养物质中受益。 实际上，它们吃掉一些共生藻类来获取生存所需的营养。

领导这项研究的南安普顿大学珊瑚礁实验室主任约尔格·维登曼教授说：“珊瑚礁为何在海洋营养贫乏的地区繁衍生息的问题被称为珊瑚和微生物的达尔文悖论。” 它启发了几个重要过程的发现，这些过程可以帮助解释这种现象。 现在，我们可以将缺失的部分添加到拼图中，并帮助解决这个长期存在的谜团。

珊瑚礁为许多生物提供了栖息地和觅食地。 图片来源：Wiedenmann/D’Angelo/南安普顿大学

他继续说道：“当查尔斯·达尔文乘坐英国皇家海军贝格尔号航行时，他认为自己是一名地质学家，在穿越热带海洋的航行中，他很快就对珊瑚礁形成的地点和原因产生了兴趣。达尔文正确地预测了地壳沉降和指数上升生长的方式。珊瑚礁相互作用形成了广泛的珊瑚礁结构。然而，人们对这种蓬勃生长背后的生物机制仍然知之甚少。

一起生存

岩珊瑚是软体生物，对某些人来说可能看起来像植物，但实际上它们是动物。 这些生物体由许多个体息肉组成，它们作为一个群体生活在一起，并且秘密的石灰岩骨骼构成了我们称为“珊瑚”的三维框架。

珊瑚礁是重要的水下生态系统，造福许多人类社会。 它们为无数生物提供了家园和觅食地，并支持着世界上约 25% 的海洋生物多样性。 因此，它们为地球上大约十亿人提供食物和收入。

珊瑚礁的共生单细胞藻类通过细胞分裂来生长。 图片来源：Wiedenmann/D’Angelo/南安普顿大学

珊瑚动物依赖于“共生”，即与生活在其细胞内的微小藻类的互利关系。 光合藻类产生大量富含碳的化合物，例如糖，它们将其运输到宿主珊瑚以产生能量。

共生藻类在吸收海水中溶解的无机营养物质（例如硝酸盐和磷酸盐）方面也非常有效。 即使在营养贫乏的海洋中，这些化合物也可以作为生活在其附近的生物体（例如海绵）的分泌产物而大量发现。 它也可以通过洋流带到珊瑚礁。

科学家发现了什么

与共生体相反，珊瑚宿主不能直接吸收或使用溶解的无机营养物质，到目前为止，尚不清楚这些营养物质如何促进珊瑚生长。 然而，南安普顿大学的科学家们已经确定了这些必需的生长营养物质转移到珊瑚动物体内的机制，他们正在与包括英国兰卡斯特大学、特拉维夫大学和圣城大学在内的合作者团队合作。以色列。

他们的研究结果发表在期刊上 自然。

南安普顿大学珊瑚礁实验室实验水族馆。 图片来源：Wiedenmann/D’Angelo/南安普顿大学

通过在南安普顿大学珊瑚礁实验室进行一系列长期实验，科学家们证明珊瑚确实会消化一些自己的共生体，以获取共生体从水中吸收的氮和磷。 当水中溶解了足够的无机营养物质时，这种机制可以使珊瑚快速生长，即使它们没有获得任何额外的食物。 印度洋偏远环礁的实地工作结果支持了实验室的研究结果，表明这种机制在生态系统层面促进了野生珊瑚的生长。

主要作者之一、南安普顿大学珊瑚生物学副教授 Cecilia D’Angelo 博士评论道：“多年来，我们在实验性水族馆系统中部署了共生珊瑚，我们注意到它们即使在不 这可以用目前关于共生体之间如何交换营养物质的知识来解释，因此我们意识到我们错过了很大一部分，并开始系统地分析这个过程。

海鸟为印度洋的珊瑚礁带来营养。 图片来源：Nick Graham，兰卡斯特大学

负责这项关键实验的珊瑚礁实验室研究员 Loreto Mardonis-Velozzo 博士补充道：“人们会认为，如果动物不吃东西，它们就会死亡或停止生长。但是，如果珊瑚不吃东西，它们看起来会非常快乐，并且生长得很快。”我们将它们保存在元素含量较高的水中。”可溶性无机食品。

结果背后的科学

研究人员使用一种特别命名的化合物来追踪共生伙伴之间必需营养氮的移动。 实验中使用的化学形式的氮只能被共生体吸收到它们的细胞中，而不能被珊瑚宿主吸收。

南安普顿大学稳定同位素质谱实验室主任巴斯蒂安·汉巴赫 (Bastien Hambach) 解释说：“我们使用同位素标记来‘增加’珊瑚可用的营养物质，其中的氮原子比正常情况重。这些同位素使我们能够追踪珊瑚的营养物质。”营养物质的利用采用超灵敏检测方法。

Cecilia D’Angelo 博士在南安普顿大学珊瑚礁实验室繁殖珊瑚。 图片来源：Wiedenmann/D’Angelo/南安普顿大学

南安普顿大学古生物学家保罗·威尔逊教授补充道：“利用这项技术，我们可以明确证明支持珊瑚组织生长的氮原子来自于实验中向共生体提供的溶解的无机营养物质。”

南安普顿大学的 Jörg Wiedenmann 教授补充道：“我们使用了 10 种不同类型的珊瑚。 分类 确定共生种群如何与其宿主一起生长。 利用共生体生长的数学模型，我们可以证明珊瑚会消化共生体种群中多余的部分，以获取其生长所需的营养物质。 我们的数据表明，大多数共生珊瑚可以通过这种“素食”来补充营养。

科学家们还分析了印度洋岛屿周围生长的珊瑚礁，其中一些有海鸟，有些则没有，以表明​​珊瑚有能力在野外共存并以它们为食。

实验性珊瑚生长 Stylophora pistillata。 图片来源：Mardones-Velozzo/D’Angelo/Wedenmann/南安普顿大学

兰卡斯特大学的海洋生态学家尼克·格雷厄姆教授解释说：“其中一些岛屿周围的珊瑚礁获得了大量的营养物质，这些营养物质来自在岛屿上筑巢的海鸟的粪便。在其他岛屿上，海鸟的栖息地已经被破坏。”我们测量了岛屿周围有或没有密集海鸟种群的珊瑚群的生长情况，发现以海鸟饲养者为食的珊瑚的生长速度是其两倍多。

“我们计算出，来自有海鸟的岛屿的珊瑚动物组织中存在的大约一半氮分子可以追溯到共生体的吸收并随后转移到宿主。”

科学家监测印度洋珊瑚礁的珊瑚生长，以研究营养物质对海鸟的影响。 图片来源：Nick Graham，兰卡斯特大学

G全球变暖与未来

通常由人类活动引起的营养过度富集会损害珊瑚礁，并对许多珊瑚礁构成日益严重的威胁。 然而，一些珊瑚未来获得的营养物质可能会减少，因为全球变暖可能会切断它们的一些自然供应路线。

南安普顿大学的德安吉洛博士解释说：“温暖的表层水不太可能从更深的水层接收营养。水生产力的下降会减少共生体的营养，从而为珊瑚动物提供更少的食物。

科学家们的新发现表明，虽然珊瑚动物可能通过以共生体为食而忍受短暂的饥饿，但由于某些地区的全球变暖导致营养物质长期枯竭，一些珊瑚可能面临饥饿的风险。

参考文献：“建造珊瑚礁并以光合共生为食的珊瑚农场”作者：Jörg Wiedenmann、Cecilia D’Angelo、M。 洛雷托·马多尼斯、肖娜·摩尔、卡桑德拉·E. Benquet，尼古拉斯·AG·格雷厄姆，巴斯蒂安·汉巴赫，保罗·A. Wilson、James Funston、Gal Eyal、Or Ben-Zvi、Yossi Loya 和 Amatsia Genin，2023 年 8 月 23 日，请点击此处。 自然。
号码：10.1038/s41586-023-06442-5