这篇文章最初发表在耶鲁大学环境 360.
经过七年的实验，英国纽卡斯尔大学 Coralassist 实验室的研究团队终于实现了目标。通过选择性培育，他们有史以来第一次培育出了能够抵抗海洋热浪的成年珊瑚——在不断升温的世界里，这可能是一个有用的性状。他们的研究发表在十月份的《自然·通讯》杂志上，表明珊瑚可以在一代之内更好地适应升温。
他们实现的耐受性提高幅度与海洋升温的速度相比并不大。“但这并非微不足道的进步，”斯坦福大学海洋生物学家 Stephen Palumbi 说，他也从事珊瑚耐热性研究，但未参与此项研究。“这不是微小的益处。”
Coralassist 实验室是全球多个珊瑚修复项目之一，这些项目正通过辅助进化——利用人类干预来加速自然过程——寻找帮助珊瑚适应日益普遍的热浪的方法。一些科学家通过实验室培育共生藻来提高其耐热性，从而加速珊瑚进化。另一些科学家则在野外培育珊瑚礁，以便耐热物种更容易找到并进行繁殖。
过去十年，这个领域一直在发展。但仍然存在一些重大问题：科学家是否能够识别与耐热性相关的各种基因？这些辅助进化工作的规模化在后勤上是否可行？考虑到全球变暖的速度，它们是否会有所成效？
珊瑚礁是地球上最脆弱的生态系统之一，容易受到污染、海洋酸化和过度捕捞的影响。随着海洋热浪变得越来越强烈和频繁，它们越来越多地导致珊瑚排出共生藻，而这些藻类为它们提供必需的营养。没有藻类，珊瑚会失去鲜艳的色彩，这种现象被称为白化，并可能饿死。
从加勒比海到印度洋，全球的珊瑚目前正经历自 1998 年以来的第四次大规模白化。那次事件导致了约 8% 的世界珊瑚死亡，而在 2009 年至 2018 年间，约 14% 的世界剩余珊瑚——约 4500 平方公里——也被摧毁，主要是由于高温。政府间气候变化专门委员会预测，即使全球升温被限制在《巴黎协定》的目标 1.5 摄氏度以内，到 2100 年珊瑚礁仍将下降 70% 至 90%。
基于一些先前的研究，这些研究确定一些珊瑚比其他珊瑚更能耐受高温，Coralassist 团队开始他们的项目，系统地绘制了西太平洋帕劳多样珊瑚礁中 100 个鹿角珊瑚（Acropora digitifera）珊瑚的分布图并对其进行了耐热性测试。他们将每个珊瑚群体的碎片暴露在实验室水箱中进行温度胁迫测试，模拟海洋热浪的持续时间和强度。一组在温度逐渐升高 3.5 摄氏度的水中度过了 10 天；另一组在温度升高 2.5 摄氏度的水中度过了 1 个月。
然后，团队选择了表现最好和最差的珊瑚，并开始了配对。耐热性高的珊瑚将它们的卵子和精子混合在一起。耐热性低的珊瑚也进行了配对，有些是两者的混合。产生的幼体在附着在陶瓷砖上后，被移至当地珊瑚礁的苗圃水箱中，在那里生长了三到四年。
研究结束时，团队发现耐热性的遗传度在 0 到 1 的量表上介于 0.2 到 0.3 之间，表明“后代耐热性变异约四分之一源于从父母那里遗传的基因，”作者写道。“反应并非完全由基因驱动，环境也有一定影响，”Coralassist 实验室的海洋生态学家 Adriana Humanes 说。“但基因在很大程度上影响了对热胁迫的反应。”
在他们的试验中，高耐热性父母的成年后代的耐热性通过育种提高了近 1 个“加热周-度”（degree-heating week），这是一个衡量过去 12 周内某一区域累积热胁迫的指标，而低耐热性父母的珊瑚的耐热性则相对较低。这项研究证明了选择性育种可以在一代之内提高耐热性并持续到成年。
Coralassist 实验室的生态学家 Liam Lachs 运行了团队的统计计算，他说，尽管实验表明育种有空间，但耐热性的提高与气候变化相比仍然“相当温和”。今年帕劳的水温升高了 10 个加热周-度，而加勒比海则达到了 20 个加热周-度。此外，对短期热浪更耐热的珊瑚在长期暴露于高温下表现不佳，这表明不同的基因可能负责抵抗不同持续时间的热浪。
珊瑚研究人员知道，不存在单一基因能够赋予珊瑚耐热性：这是一个“由许多基因编码的非常复杂的性状，”澳大利亚海洋科学研究所（AIMS）负责大堡礁珊瑚类似项目的 Annika Lamb 说。她的实验室也在尝试选择性培育耐热珊瑚，但她使用的是一种更快的方法——快速热冲击，同时她还专注于培育不同种类的珊瑚，希望能培育出更强壮的杂交种。
Lamb 说，育种工作还必须考虑权衡。使珊瑚更耐热的基因可能也会使其对疾病的耐受性降低、生育能力下降、对风暴或寒冷抵抗力减弱，或者生长变慢。
考虑到这些因素，AIMS 珊瑚辅助进化项目负责人 Madeleine van Oppen 说，她的团队还在选择性培育生活在珊瑚内部的藻类，这些藻类在很大程度上决定了珊瑚群体的实际温度耐受性。
Van Oppen 从大堡礁周围的珊瑚中选择了一系列藻类，通过在实验室中进行多代、为期 10 年的高温暴露来提高它们的耐热性，然后将它们重新引入化学漂白的成年珊瑚碎片中。
初步的实验室测试之后，Van Oppen 开始在大堡礁的一个近岸珊瑚礁上进行试验。她说，到目前为止，“结果非常有希望”。在去年夏天的热浪中，接种了耐热藻类的珊瑚比接种了未经耐热性增强的近缘藻类的珊瑚白化程度更轻，光合作用也更好。但仍然存在藻类是否会扩散并保持健康，以及野外是否存在尚未考虑到的因素等问题。“这是一个非常年轻的领域，”van Oppen 说。“出现很多未知因素并不奇怪。”
例如，研究表明，在实验室饲养的珊瑚通常骨骼会变弱。澳大利亚卓越珊瑚礁研究中心主任 Terry Hughes 说，这表明它们一旦被移植到海水中可能会受到损害。“尽管长期以来一直有人声称可以通过实验室培育耐热的超级珊瑚并用于重新填充珊瑚礁，但我们实际上并不知道这是否属实，”他说，并指出，将人工培育的珊瑚添加到野生基因库中，除了在极端情况下，不太可能产生显著影响，因为自然选择已经在改变珊瑚礁的珊瑚物种构成。
斯坦福大学的 Palumbi 教授说：“珊瑚总是很复杂。它们总会做一些出乎意料的事情。”他的实验室正在野外识别耐热珊瑚，然后对其进行他称之为“共同养殖”的实验。“这些珊瑚已经（进化出对不断变化条件的耐受性）数百万年了。它们已经存在于那里了，”Palumbi 说，他在帕劳等地也有工作。通过收集来自不同珊瑚礁的数千个珊瑚碎片，测试它们对热冲击的抵抗力，然后将更耐热的物种和群体转移到金属框架上建造的人工珊瑚礁上，他的团队正在为它们提供与更广泛基因库繁殖的机会。
Palumbi 说，这些测试的初步结果表明，它们的后代的耐热性与 Coralassist 的 1 个加热周-度珊瑚相似。“我们基本上在用两种截然不同但非常平行和互补的方式来研究同一个问题，”Palumbi 说。但他补充说，Coralassist 团队的新论文是第一个量化耐热性提升的。他说：“这个数字确实是迄今为止任何其他论文都没有出现过的。”
尽管如此，Hughes 说，珊瑚养殖的实际困难和成本不应被忽视，而且珊瑚礁修复比修复海草或红树林要昂贵得多。他说，一百万个新定居的珊瑚听起来很多，但“实际上只是沧海一粟，”Hughes 说，他指出，目前全球由实验室培育的珊瑚占据的珊瑚礁总面积只有几平方米。
夏威夷大学马诺阿分校的珊瑚礁生态学家 Christopher Jury 说：“我们在珊瑚礁修复方面所能做的，相对于需要覆盖的面积来说，始终是非常小规模的。”但他表示，恢复全世界的珊瑚礁从来都不是目标。修复工作可以保护小区域，用于提供种子材料，通过正常繁殖、幼体扩散和在海底定居，这些材料可以促进其他地方珊瑚礁的复兴。当然，他说，实质性的气候变化缓解措施是任何其他策略能够成功保护珊瑚礁的前提，而育种工作只是为了给珊瑚群落争取更多时间。
尽管由于气候变化，珊瑚数量已大幅减少，但这并不否定在一些幸存的珊瑚种群中，快速进化已在自然发生。当 Jury 的团队半封闭了一个位于瓦胡岛的天然珊瑚礁群落，并对其进行了为期两年的 2 摄氏度升温和 -0.2 个 pH 单位的酸化处理——这与目前全球变暖速度下的海洋环境类似——该群落发生了转变和变化，同时保持了较高的生物多样性。珊瑚招募了各种各样的藻类、无脊椎动物和微生物，帮助它们抵御高温。所以，还有希望。
Coralassist 实验室工作的负责人、研究员 James Guest 说，最终，所有正在进行的实验收集的数据将有助于研究人员改进他们关于珊瑚在未来全球变暖中表现的模型。该团队最近将他们多年育种实验的数据输入计算机模型，这些模型将在各种气候变化情景下为干预的必要性和有效性提供指导，包括干预的地点和时间。这项工作即将在《科学》杂志上发表。
Guest 说：“在某些情况下，最好让珊瑚自行发展。”“关键是保持开放的心态，并随时准备根据新的研究更新建议。”
