Ученые назвали супероксид главным виновником обесцвечивания кораллов: идея состоит в том, что, когда этот токсин накапливается внутри коралловых клеток, кораллы сопротивляются, выбрасывая крошечные водоросли, производящие энергию и цвет, живущие внутри них. При этом они теряют свою яркость, становятся болезненно белыми и остаются слабыми, поврежденными и уязвимыми для болезней.
Теперь новое исследование Океанографического института Вудс-Хоул (WHOI) проливает более позитивный свет на супероксид. Это предполагает, что, когда эти молекулы производятся на поверхности кораллов - вне их клеток - они действительно могут играть полезную роль в здоровье и устойчивости кораллов. Исследование, проведенное на основе этого открытия, может внести свой вклад в будущие стратегии предотвращения обесцвечивания кораллов.
«Супероксид в значительной степени подвергался критике как молекула стресса и считался основной причиной обесцвечивания кораллов», - сказала Коллин Хансел, биогеохимик WHOI и ведущий автор исследования, опубликованного 7 декабря в журнале Nature Communications. «Но когда мы измерили концентрацию супероксида на поверхности кораллов во время естественного обесцвечивания, мы увидели совершенно другую динамику. Похоже, что этот «токсин» мог принести пользу кораллам - возможно, помочь некоторым видам противостоять обесцвечиванию».
Hansel сказал, что исследователи были удивлены, увидев, что во время обесцвечивания виды кораллов, которые были более восприимчивы к обесцвечиванию, не производили внешний супероксид, в то время как те, которые сопротивлялись обесцвечиванию, производили высокие концентрации.
«Хотя мы еще не понимаем, как кораллы вырабатывают супероксид извне, это открытие указывает на фундаментальное непонимание того, что эта группа соединений делает для здоровья кораллов», - сказала она.
Первые в мире полевые измерения
Гензель считает, что мрачная тень, отбрасываемая на супероксид, связана с отсутствием прямых измерений. «На сегодняшний день наше понимание роли этих молекул в здоровье кораллов основано на косвенных лабораторных измерениях супероксида внутри коралловой ткани. Никто никогда не пытался напрямую измерить супероксид, вырабатываемый вне кораллов, живущих внутри рифов. Скорее всего, это связано с тем, что супероксид очень трудно измерить, так как он очень реакционноспособен и имеет продолжительность жизни всего около 30 секунд в природных водах. Вы не можете просто взять образцы обратно в лабораторию для анализа."
Чтобы преодолеть это, она и ее исследовательская группа разработали новый подход к проведению измерений в режиме реального времени производства кораллового супероксида в естественной среде рифа. Во время недельного полевого визита в залив Канеохе на Гавайях в октябре 2014 года они перетащили лабораторный прибор, используемый для анализа супероксида, на крошечную моторную лодку и взяли образцы с шести различных участков мелководных рифов.
«Измерения были очень сложными для сбора, так как нам нужно было взять пробы супероксида, вырабатываемого кораллом, с помощью небольшой трубки, которую держат прямо над поверхностью коралла», - сказал Гензель. «Оттуда его нужно было закачать в прибор на лодке в течение 30 секунд, прежде чем супероксид исчезнет. Пока все это происходило, мы должны были держать лодку над измеряемыми кораллами и держать лодку устойчивой, как волны. входили."
Микробиолог ВОЗ Эми Апприлл находилась под водой, держа трубку для отбора проб на месте, пока ее коллеги «кричали от волнения, увидев данные в реальном времени». Эпприлл сказал, что было удивительно наблюдать большие различия в производстве супероксида среди разных видов кораллов, некоторые производили «тонну» супероксида, а другие производили очень мало. Их анализ показал, что кораллы, производящие больше супероксида, более устойчивы к обесцвечиванию, чем кораллы, производящие очень мало.
Другим примечательным открытием, по мнению ученых, было то, что кораллы вырабатывали супероксид, даже когда не было очевидных стрессоров, таких как более горячие моря, которые, как известно, вызывают выработку супероксида.
В параллельном исследовании, опубликованном 24 ноября в журнале Frontiers in Marine Science, команда обнаружила аналогичные результаты с кораллами, выращенными в нестрессовых условиях в лаборатории. Кораллы и их микробные партнеры (симбионты) производят высокие уровни супероксида на поверхности независимо от температуры и других переменных, таких как время суток или наличие света.
«Это заставило наши глаза открыться немного шире, - добавил Апприлл, - и укрепило идею о том, что, хотя мы лучше понимаем негативное воздействие, связанное с супероксидом, вырабатываемым внутри организма, роль супероксида, вырабатываемого снаружи ячейки упускают из виду и недостаточно хорошо понимают."
Играть положительную роль
Возможность того, что супероксид может помочь кораллам сопротивляться обесцвечиванию, открыла глаза ученым, но это не первый раз, когда эти токсины оказались полезными для организмов. На самом деле, исследования, проведенные на бактериях и грибах, показали, что супероксид намеренно вырабатывается вне клетки, чтобы стимулировать рост клеток, увеличивать поглощение питательных веществ и защищаться от инвазивных патогенов.
«Супероксид не всегда плох», - сказал Гензель. «На самом деле, это важная молекула, в которой нуждаются все организмы. Подобно другим организмам, мы считаем, что эти соединения могут быть неотъемлемым компонентом физиологии и иммунной системы кораллов. Все не так черно-бело, как считалось раньше».
Следующие шаги
Понимание положительного воздействия супероксида на кораллы может стать ступенькой на пути к улучшению здоровья кораллов и разработке стратегий смягчения обесцвечивания в будущем, особенно если молекулы на самом деле защищают кораллы от стресса, а не вызывают его. В конечном итоге эта информация может быть использована для определения того, как сделать кораллы более устойчивыми. Но Гензель чувствует, что нужно больше работать.
«Следующий шаг - провести временное исследование в полевых условиях, чтобы получить больше информации о том, как супероксид регулируется с течением времени в зависимости от стресса и в ходе отбеливания», - сказала она.«Это включает в себя, когда они полностью здоровы, когда повышается температура и начинается стресс, во время пикового стресса и обесцвечивания, а также во время восстановления. Мы также хотели бы совместить это с контролируемыми лабораторными исследованиями, где мы можем выращивать кораллы, которые различаются по восприимчивости к обесцвечиванию. и познакомить их со стрессорами, включая патогены, чтобы увидеть, вызывают ли они выработку супероксида. Мы хотим имитировать ряд естественных условий в лаборатории, чтобы выявить преимущества, которые дает супероксид».
Гензель сказал, что в то время как полевые исследования позволили исследовать кораллы в естественной среде, которая более реалистична для условий, в которых они находятся, лабораторные эксперименты позволяют им изменять одну переменную за раз, сохраняя при этом все остальное постоянным, поэтому прямые отношения легче увидеть.
«Чтобы по-настоящему связать такие переменные, как жара и стресс, нам нужно свести к минимуму изменчивость других переменных, таких как свет, изменения в характере течения и поступление питательных веществ», - сказала она..
Согласно Apprill, новые результаты показывают, что супероксид может играть различные роли в здоровье кораллов, и привели к новому пониманию сложностей, которые токсины играют в кораллах.
«Обесцвечивание кораллов - одна из самых больших проблем, стоящих сегодня перед океаном», - сказал Апприлл. «Мы понимаем факторы, которые способствуют обесцвечиванию, но механизмы кажутся более сложными, чем мы думали. К счастью, кораллы - действительно хорошая система, на которой можно сосредоточиться с точки зрения изучения воздействия супероксида на здоровье, поскольку резкие изменения в кораллах здоровье очень хорошо видны и их можно быстро увидеть - даже из космоса."