«Эти процессы микросреды не только важны, но и неожиданны», — говорит Роман Стокер, доцент кафедры гражданского строительства и экологической инженерии Массачусетского технологического института и старший автор статьи с описанием результатов в Proceedings of the National Academy of Sciences.Когда группа проводила эксперимент с живыми кораллами в резервуарах в лаборатории, «я ожидал, что это будет гладкий микромир, в котором не будет большого действия, кроме внешнего потока», — говорит Стокер. Вместо этого исследователи, увеличив изображение поверхности коралла с помощью мощных микроскопов и высокоскоростных видеокамер, обнаружили обратное: в пределах миллиметра, ближайшего к поверхности коралла, «это очень жестоко», — говорит он.Давно известно, что у кораллов есть реснички, маленькие нитевидные придатки, которые могут выталкивать воду по поверхности коралла.
Однако ранее предполагалось, что эти потоки движутся параллельно поверхности коралла, как конвейерная лента. Такое плавное движение может помочь кораллам удалять отложения, но мало повлияет на обмен растворенных питательных веществ. Теперь Стокер и его коллеги показывают, что реснички на поверхности коралла расположены таким образом, что образуют сильные водовороты, которые притягивают питательные вещества к кораллу, одновременно удаляя потенциально токсичные продукты жизнедеятельности, такие как избыток кислорода.Не только пассивный«Общее мнение заключалось в том, что кораллы полностью зависят от окружающего потока, от приливов и турбулентности, что позволяет им преодолевать диффузионные ограничения и способствовать эффективному снабжению питательными веществами и удалению растворенных отходов», — говорит Орр Шапиро, постдок из WIS и соавтор статьи, который провел год в лаборатории Стокера, делая эти наблюдения.
При таком сценарии колонии в защищенных частях рифа или во время слабого прилива будут видеть небольшое движение воды и могут испытывать серьезное ограничение по питательным веществам или накопление токсичных отходов, что может поставить под угрозу их выживание. «Даже форма коралла может быть проблемной» при таком пассивном сценарии, — говорит Висенте Фернандес, постдок Массачусетского технологического института и соавтор статьи.
Коралловые структуры часто «древовидные, с глубоко разветвленной структурой, которая блокирует большую часть внешнего потока, поэтому количество новой воды, проходящей через центр, очень мало».Подход команды к изучению кораллов с помощью видеомикроскопа и расширенного анализа изображений изменил эту парадигму. Они показали, что кораллы используют свои реснички для активного усиления обмена растворенными молекулами, что позволяет им поддерживать повышенную скорость фотосинтеза и дыхания даже при почти нулевом потоке окружающей среды.
Исследователи протестировали шесть различных видов рифовых кораллов, продемонстрировав, что все они обладают способностью вызывать сложные турбулентные потоки вокруг себя. «Хотя это еще не доказывает, что все рифовые кораллы делают одно и то же, — говорит Шапиро, — похоже, что большинство, если не все, имеют реснички, которые создают эти потоки. Сохранение ресничек на протяжении 400 миллионов лет эволюции предполагает, что рифовые кораллы извлекают "существенное эволюционное преимущество" из этих потоков.Кораллам нужно взбалтывать
Полученные результаты меняют наше восприятие поверхности рифовых кораллов; Существующее представление о застойном пограничном слое было заменено представлением о динамической, активно перемешиваемой среде. Это будет важно не только для вопросов массового транспорта, но и для взаимодействия морских микроорганизмов с колониями кораллов — предмета, который привлекает большое внимание в связи с глобальным ростом заболеваемости кораллами и деградацией рифов за последние десятилетия.
Штокер предполагает, что помимо освещения того, как функционируют коралловые рифы, что может помочь лучше прогнозировать их здоровье в условиях изменения климата, это исследование может иметь значение и в других областях: реснички встречаются повсеместно в более сложных организмах, например, в дыхательных путях человека, где они помогают смести загрязнения.Но такие процессы сложно изучать, потому что реснички внутренние. «Редко бывает, что вы видите реснички снаружи животного», — говорит Стокер, — поэтому кораллы могут служить общей моделью для понимания процессов ресничек, связанных с массовым переносом и болезнями.
Дэвид Борн, исследователь из Австралийского института морских наук, который не имел отношения к этому исследованию, говорит, что эта работа «сделала большой шаг вперед в понимании того, почему кораллы так эффективны и процветают… Мы, наконец, лучше понимаем, почему кораллы добились успеха в создании и обеспечении структурной основы экосистем коралловых рифов ".Борн добавляет, что Стокер добился больших успехов, «применив свои инженерные знания к вопросам биологии. Этот междисциплинарный подход позволяет его группе подойти к фундаментальным вопросам с новой точки зрения и дать новые ответы».Помимо Стокера, Шапиро и Фернандеса, в исследовательскую группу входили Ассаф Варди, преподаватель WIS; постдок Мелисса Гаррен; бывший постдок Массачусетского технологического института Джеффри Гуасто, ныне доцент Университета Тафтса; студент Франсуа Дебайон-Веск из Массачусетского технологического института и Политехнической школы в Париже; и Эсти Крамарски-Винтер из WIS.
Работа была поддержана Программой Human Frontiers in Science, Национальным научным фондом, Национальными институтами здравоохранения и Фондом Гордона и Бетти Мур.Видео: https://www.youtube.com/watch?v=hCv-HzdhILQ