随着气候变化和污染危及珊瑚礁科学家们正在深度冷冻珊瑚以重新填充未来的海洋

珊瑚礁是地球上最古老、最多样化的生态系统之一，也是最有价值的生态系统之一。它们培育了25%的海洋生物，保护海岸免受风暴影响，并通过对渔业、新制药、旅游业和娱乐业的影响，每年为全球经济增加数十亿美元。

如今，由于污染、过度捕捞以及陆地上破坏性的林业和采矿活动，世界珊瑚礁正在以前所未有的速度退化。人类活动引起的气候变化正在使海洋变暖和酸化，造成珊瑚礁危机，可能导致大多数珊瑚在几代之内灭绝。

我是史密森国家动物园和保护生物学研究所的海洋生物学家。17年来，我与同事合作创建了一个名为“珊瑚礁恢复计划”的全球科学计划，旨在利用低温保存科学帮助拯救珊瑚礁。

这种新颖的方法涉及在极低的温度下储存和冷却珊瑚精子和幼虫或生殖细胞，并将它们保存在政府生物储存库中。

这些储存库是防止珊瑚灭绝的重要手段。如果得到有效管理，它们可以帮助抵消全球范围内对地球珊瑚礁的威胁。这些冻结的资产可以在今天、10年甚至100年后使用，帮助在海洋中重新播种并恢复活珊瑚礁。

安全地活活冷冻

史密森尼科学家使用冷冻保存的珊瑚精子来增加鹿角珊瑚的遗传多样性。

冷冻保存是冷冻生物材料同时保持其活力的过程。它涉及将称为冷冻保护剂的糖类物质引入细胞中，以帮助防止在冷冻阶段形成致命的冰。如果操作得当，细胞可以在液氮中保持冷冻和存活多年，保持不变。

当栖息地的温度降至冰点以下时，许多生物体通过自然冷冻保存来度过自然界的寒冷冬季。北美常见的两个例子是缓步动物(生活在苔藓和地衣中的微生物)和林蛙。

如今，珊瑚冷冻保存技术主要依赖于冷冻精子和幼虫。自2007年以来，我对许多同事进行了珊瑚冷冻保存方面的培训，并与他们合作成功保存了珊瑚精子。如今，我们在世界各地的生物储存库中保存了来自50多种珊瑚的精子。

我们利用这种冷冻保存的精子，通过一种称为辅助基因流的选择性育种过程，在加勒比海地区培育出新的珊瑚。目标是使用冷冻保存的精子和不一定会相遇的混种珊瑚——一种远距离配对。

通过尽可能多地结合不同的亲本来产生新的有性繁殖的后代，从而维持遗传多样性。由于珊瑚被粘在海底，当其所在地区的珊瑚数量减少时，可以通过冷冻保存引入新的个体。希望这些新的基因组合可能具有适应能力，帮助珊瑚在未来变暖的海洋变化中生存。

这些辅助基因流研究产生了600个受威胁鹿角珊瑚Acroporapalmata的新基因组合个体。截至2024年初，佛罗里达州野生鹿角种群仅剩约150头。如果有机会，这些人工饲养的选择性繁殖珊瑚可以显着增加野生鹿角基因库。

2014年和2015年变暖事件期间夏威夷卡内奥赫湾的珊瑚，超过80%的珊瑚受到影响。有些物种和个体，比如左边的珊瑚，能够抵抗变暖。图片来源：ClaireLager，史密森尼，CCBY-ND

保护精子细胞和幼虫是防止生物多样性丧失和物种灭绝的重要手段。但我们只能在珊瑚将卵子和精子释放到水中的短暂产卵期间收集这些物质。

这些事件每年只发生几天，这个时间窗口很短，给研究人员和自然资源保护者带来了后勤挑战，并限制了我们成功冷冻储存珊瑚物种的速度。

更复杂的是，海洋变暖和日益频繁的海洋热浪会给珊瑚带来生物压力。这可能会使它们的生殖材料太弱，无法承受冷冻保存和解冻的严酷考验。

加大救援力度

为了更快地收集珊瑚材料，我们正在开发一种用于整个珊瑚碎片的冷冻保存过程，使用一种称为等容玻璃化的方法。这项技术仍在发展中。然而，如果完全成功，它将保存整个珊瑚碎片，而不会导致其组织中形成冰，从而在解冻后产生可存活的碎片，这些碎片可以茁壮成长并可以放回珊瑚礁上。

为此，我们将片段暴露于粘性冷冻保护剂混合物中使其脱水。然后我们将其放入一个小铝制圆筒中，并将圆筒浸入液氮中，液氮的温度为-320华氏度(-196摄氏度)。

通过辅助基因流产生的鹿角珊瑚，显示出旺盛的生长和发育。图片来源：CodyEngelsma，CCBY-ND

这个过程使圆筒中的内容物冻结得如此之快，以至于冷冻保护剂形成透明的玻璃，而不是让冰晶形成。当我们想要解冻碎片时，我们将它们放入温水浴中几分钟，然后在海水中重新水化。

使用这种方法，我们可以全年收集和冷冻保存珊瑚碎片，因为我们不必等待和观察稍纵即逝的产卵事件。这种方法大大加快了我们的保护工作。

保护尽可能多的物种需要扩展和分享我们的科学知识，以通过多种方法创造坚固的冷冻保存和解冻珊瑚材料。我和我的同事希望这项技术简单、快速且便宜，这样任何专业人士都可以复制我们的流程并帮助我们保护全球的珊瑚。

我们创建了一个基于视频的珊瑚冷冻培训计划，其中包括构建简单的3D打印冷冻柜的指导，并与工程师合作开发新方法，现在可以通过简单、廉价的方式冷冻数百只珊瑚幼虫金属网。这些新工具将使世界各地的实验室能够在未来五年内显着加速全球珊瑚的采集。

保障未来

最近的气候模型估计，如果温室气体排放继续有增无减，到2030年代中期，世界上95%或更多的珊瑚可能会死亡。这使得保护珊瑚礁生物多样性和遗传多样性的时间所剩无几。

如果没有珊瑚礁，世界将失去宝贵的食物来源、海岸保护、药品和收入，以及世界上一些最独特、最美丽的生态系统。

一种已经在实施的方法是将所有珊瑚物种交由人类照顾。史密森尼是珊瑚生物库联盟的一部分，该联盟是一个国际合作组织，通过收集活珊瑚群、骨骼和基因样本并利用最佳科学实践帮助重建珊瑚礁来保护珊瑚。

迄今为止，大约1,000种已知的硬珊瑚物种中的200多种珊瑚物种以及数千个珊瑚群正在世界各地的机构中接受人类护理，其中包括与动物园和水族馆协会的美国和欧洲分支机构有关的组织。尽管这些是来自野外的克隆，但这些个体可以被放入珊瑚繁殖系统中，用于以后冷冻保存其基因分类的幼虫。或者，它们的幼虫可以用于珊瑚礁恢复项目。

在气候变化减缓和逆转之前，珊瑚礁将继续退化。确保珊瑚礁拥有更美好的未来需要建立珊瑚生物储存库，建立陆地苗圃来容纳珊瑚群落并培养新的幼虫定居者，并培训新的冷冻专业人员。

几十年来，动物园一直通过圈养繁殖和放归来保护数量已降至极低水平的动物物种。同样，我相信我们的新颖解决方案可以创造希望，帮助拯救珊瑚礁，为我们的海洋重新播种今天和长远的未来。

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