Учёные из Института океанографии Скриппса при Калифорнийском университете в Сан-Диего разработали новый микроскоп, который позволяет заглянуть в скрытые процессы, поддерживающие жизнь кораллов.
Подводный микроскоп BUMP
Дайвер-управляемый микроскоп, известный как Benthic Underwater Microscope imaging PAM, или BUMP, использует методы модуляции амплитуды импульсов (PAM) для освещения, чтобы предложить беспрецедентный взгляд на фотосинтез кораллов в микромасштабе.
Исследование здоровья и физиологии коралловых рифов
В новом исследовании учёные описывают, как система визуализации BUMP позволяет изучать здоровье и физиологию коралловых рифов в их естественной среде обитания. Это продвигает давние усилия по выяснению причин обесцвечивания кораллов.
Новый взгляд на симбиотические микроводоросли
Инженеры и морские исследователи из лаборатории подводной визуализации Jaffe в Океанографии Скриппса разработали и создали передовой микроскоп. Этот инструмент уже позволяет по-новому взглянуть на взаимосвязь между кораллами и симбиотическими микроводорослями, поддерживающими их здоровье. Впервые стало видно, насколько хорошо отдельные водоросли фотосинтезируют в тканях кораллов.
Публикация результатов
Результаты исследования были опубликованы 3 июля в журнале Methods in Ecology and Evolution.
Ор Бен-Цви, постдокторант в Океанографии Скриппса и ведущий автор исследования, сказал: «Этот микроскоп — огромный технологический скачок в области оценки здоровья кораллов. Коралловые рифы быстро сокращаются, теряя свои фотосинтезирующие симбиотические водоросли в процессе, известном как обесцвечивание кораллов. Теперь у нас есть инструмент, который позволяет нам изучать эти микроводоросли внутри тканей кораллов, неинвазивно и в их естественной среде».
Роль микроводорослей в жизни кораллов
Коралловые рифы — это рифообразующие животные, которые не могут фотосинтезировать самостоятельно. Вместо этого они полагаются на микроводоросли, живущие внутри их тканей. Эти симбиотические водоросли используют солнечный свет, углекислый газ и воду для производства кислорода и богатых энергией сахаров, которые поддерживают рост кораллов и формирование рифов.
Почему важно изучать микроводоросли
Эти микроводоросли имеют размер всего 10 микрометров в поперечнике, что примерно в десять раз меньше ширины человеческого волоса. Их слишком мал, чтобы их можно было увидеть невооружённым глазом. Когда кораллы испытывают стресс из-за потепления воды или неблагоприятных условий окружающей среды, они теряют эти микроводоросли, что приводит к бледному внешнему виду (обесцвечиванию кораллов) и последующему голоданию кораллов. Хотя этот процесс известен, учёные до конца не понимают его причин, и до сих пор не было возможности изучать его в полевых условиях на соответствующих масштабах.
Технология BUMP
Новая система визуализации основана на предыдущей технологии, разработанной лабораторией Jaffe, в частности на Benthic Underwater Microscope (BUM) 2016 года. Основной компонент BUMP — это блок микроскопа, который управляется через сенсорный экран и питается от аккумуляторной батареи. Благодаря массиву линз с высоким увеличением и сфокусированным светодиодному освещению, микроскоп захватывает яркие цветные и флуоресцентные изображения и видео, а теперь имеет возможность измерять фотосинтез и отображать его в более высоком разрешении с помощью фокальных сканов.
С помощью этого инструмента учёные буквально проливают свет на биологические процессы под водой, используя методы измерения света PAM для визуализации флуоресценции и измерения фотосинтеза, а также используя визуализацию для создания трёхмерных сканов кораллов в высоком разрешении.
Флуоресценция кораллов
При просмотре кораллов под микроскопом красная флуоресценция кораллов объясняется присутствием хлорофилла, фотосинтетического пигмента в микроводорослях. С помощью метода PAM измеряется красная флуоресценция, что позволяет определить, насколько эффективно микроводоросли используют свет для производства сахаров.
Циано-зелёная флуоресценция, сконцентрированная вокруг определённых областей, таких как рот и щупальца коралла, объясняется наличием специальных флуоресцентных белков, вырабатываемых самими кораллами и играющих множество ролей в жизненных функциях кораллов.
Инструмент для изучения морских организмов
Инструмент достаточно мал, чтобы поместиться в чемодан, и достаточно лёгок, чтобы дайвер мог транспортировать его на морское дно без необходимости помощи корабля. В сотрудничестве с лабораторией Смита в Океанографии Скриппса Бен-Цви, морской биолог, протестировала и откалибровала прибор в нескольких горячих точках коралловых рифов по всему миру: на Гавайях, в Красном море и на атолле Пальмира.
Наблюдения через микроскоп
Бен-Цви была удивлена, насколько активны кораллы, отметив, что они постоянно меняют свой объём и форму. Поведение кораллов, похожее на поцелуи или драки, ранее было задокументировано лабораторией Jaffe, и Бен-Цви смогла добавить несколько новых наблюдений, таких как наблюдение за коралловым полипом, который, казалось, пытался захватить или удалить частицу, проходящую мимо, быстро сокращая свои щупальца.
Неинвазивное изучение кораллов
«Чем больше времени мы проводим с этим микроскопом, тем больше мы надеемся узнать о кораллах и о том, почему они делают то, что делают в определённых условиях», — сказал Бен-Цви. «Мы визуализируем фотосинтез, то, что раньше было невидимо в масштабах, которые мы изучаем, и это похоже на волшебство».
Поскольку учёные могут доставить прибор непосредственно на места подводных исследований, их работа является неинвазивной — им не нужно собирать образцы или даже прикасаться к кораллам. «Мы получаем много информации об их здоровье без необходимости прерывать природу», — сказал Бен-Цви. «Это похоже на медсестру, которая измеряет ваш пульс и говорит вам, насколько хорошо вы себя чувствуете. Мы проверяем пульс кораллов, не делая им укола или не проводя инвазивных процедур».
Ранние признаки обесцвечивания кораллов
Исследователи сказали, что данные, собранные с помощью нового микроскопа, могут выявить ранние предупреждающие признаки, которые появляются до того, как кораллы испытают необратимый ущерб от событий, связанных с изменением глобального климата, таких как морские тепловые волны. Эти сведения могут помочь разработать стратегии смягчения последствий для более эффективной защиты кораллов.
Помимо Бен-Цви и Джаффе, это исследование было написано в соавторстве с Полом Робертсом — ранее работавшим в Океанографии Скриппса, а ныне в Научно-исследовательском институте аквариума Монтерей-Бей, — вместе с Димитри Деэном, Пичая Лертвилаем, Девином Рателлом, Дженнифер Смит, Джозефом Снайдером и Дэниелом Вангпразеуртом из Океанографии Скриппса.
Предоставлено Университетом Калифорнии — Сан-Диего.