Koraalriffen, de weelderige habitats waar misschien een kwart van de soorten van de oceaan leven, sterven in een alarmerend tempo af. De Verenigde Naties projecteren dat als de zeetemperaturen stijgen zoals voorspeld, geen van de 29 riffen die op de Werelderfgoedlijst van UNESCO staan, tegen het jaar 2100 nog functionele ecosystemen zullen huisvesten. Dergelijke sombere mogelijkheden hebben wetenschappers aangespoord zich op het ergste voor te bereiden door buiten de kaders te denken .
Gebruikmakend van een antivriesoplossing beladen met gouddeeltjes en snel ontdooide lasers, heeft een op Hawaii gebaseerd team cryogene ingevroren en met succes ontdooide koraallarven voor de eerste keer. De doorbraak zou de biobanking van koraalsoorten in staat kunnen stellen de verdwijnende diversiteit van riffen over de hele wereld te behouden. Cryogenics kunnen ook helpen bij het herstel door een bevroren voorraad koraallarven aan te houden, klaar om dode of stervende riffen opnieuw te bevolken.
"We kunnen larven invriezen, we kunnen ze terugbrengen en ze leven", zegt Mary Hagedorn, een koraalbioloog van het Smithsonian Conservation Biology Institute (SCBI). De volgende stappen, merkt ze op, zijn ervoor te zorgen dat de koralen op een rif kunnen functioneren en het proces op te schalen om op een groot aantal koralen te werken.
Confocale beelden van een dag 3 larven die fluorescentie van GFP (links) en distributie van met DyLight gecoate gouden nanodeeldeeltjes rond de larve in cryoprotectant (rechts) tonen. (Smithsonian Conservation Biology Institute) Hagedorn co-auteur onderzoek onlangs gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten waarin gedetailleerd werd beschreven hoe larven van het paddestoelkoraal ( Fungia scutaria ) met succes werden ingevroren en nieuw leven ingeblazen om zich normaal te ontwikkelen en tot 12 uur te zwemmen. Wetenschappers zouden dolblij zijn als de gedecimeerde koraalriffen van de wereld zo'n succesvolle tweede act zouden kunnen beleven.
Riffen en de verbluffende biodiversiteit die zij herbergen worden belegerd door een snel veranderend klimaat. De wijdverspreide gevolgen, zelfs voor landrotmensen, zijn een verminderde voedselvoorziening en destructieve erosie van bevolkte kusten. En grote rifsterfgevallen zijn niet alleen een kwestie van projectie, ze zijn al een realiteit. Een massale koraalverbleking 2014-17 benadrukte 75 procent van de riffen ter wereld en doodde ongeveer 30 procent van de koralen op het beroemde Great Barrier Reef. Zulke afleveringen worden zo vaak dat de recente nationale klimaatevaluatie suggereert dat koraalverbleking een jaarlijks evenement zal zijn op de Hawaiiaanse eilanden en Amerikaans Samoa tegen 2040.
Koralen kunnen zich aanpassen aan veranderende omgevingen, maar op sommige plaatsen is het tempo gewoon te snel. De mogelijkheid van ijsvorming en reanimatie kan helpen om wat tijd te kopen.
Kleuring met Phalloidin: fluorescentiemicroscopische beelden van Phalloidin in de gehele hoeveelheid van zich ontwikkelende larven van F. scutaria gekleurd voor actine. (Smithsonian Conservation Biology Institute) Het invriezen van koraal bleek relatief eenvoudig, zegt Hagedorn. De larven werden eenvoudig ondergedompeld in vloeibare stikstof nadat ze waren behandeld met een soort cryoprotectant "antivries" speciaal samengesteld om hen te helpen gelijkmatig te bevriezen zonder de vorming van ijskristallen.
"IJskristallen zijn echt onze aartsvijand", zegt ze. “Er kunnen enkele kleine kernen ontstaan tijdens het invriesproces en die kun je als sneeuwvlokken beschouwen. Maar je wilt niet dat die sneeuwvlokken uitgroeien tot grotere ijssperen die de cellen vernietigen. ”Integendeel, het ijskristalprobleem is eigenlijk het ergst tijdens het verwarmen van bevroren exemplaren.
"Stel je voor dat water langzaam bevriest, en dat punt waarop een paar kristallen plotseling relatief snel uitgroeien tot ijzige scherven terwijl het vriest, " legt Jonathan Daly uit, hoofdauteur op het papier en een postdoctorale fellow bij SCBI en het Hawaii Institute of Marine Biologie. "Dat gebeurt binnen een bepaald temperatuurbereik, en je doorloopt dat bereik als je aan het koelen bent, maar ook als je aan het opwarmen bent."
De meeste celdood vindt plaats tijdens het opwarmingsproces, maar wetenschappers kunnen voorkomen dat zich ijskristallen vormen door de koraallarven snel te ontdooien. Om snelheid te bereiken, gebruikte het team een techniek die Hagedorn op zebravisembryo's heeft aangescherpt met een één-tweetje van massieve gouddeeltjes en laserlicht.
Hollywood-lasers zijn misschien heet genoeg om een alien te laten verdampen, maar laboratoriumversies konden de warmte nog steeds niet snel en gelijkmatig overdragen om een klein embryo zonder hulp te ontdooien. Dus introduceerden de wetenschappers nanogolddeeltjes die door de antivriesoplossing waren verdeeld, die licht van de laser absorbeerden en het in warmte veranderden die het koraal met succes uit zijn diepvries bracht. "Het ontdooit binnen een seconde, " zegt Daly.
Jonathan Daly cryopreserverende koraallarven. (Gary Cranitch / Great Barrier Reef Foundation) Bevriezen van levensvatbare koralen heeft het potentieel om de toekomstige biodiversiteit te behouden door het behoud van het hele scala aan koraalgenetica. "We hebben geen idee hoe we dit materiaal over 100 jaar kunnen gebruiken, maar dit nu doen terwijl we nog steeds veel diversiteit op riffen hebben en het snel verliezen, is echt belangrijk", zegt Hagedorn. Veertien soorten koraalsperma en embryo's verzameld op het Great Barrier Reef zijn al bevroren in de Taronga Western Plains Zoo in Australië en tien andere in het USDA's National Animal Germplasm Program in het door land omgeven Fort Collins, CO.
Die opgeslagen sperma zou paren met levende eieren vereisen, maar Madeleine van Oppen, van het Australische Instituut voor Mariene Wetenschap en de Universiteit van Melbourne, zegt dat deze prestatie het spel verandert door de mogelijkheid aan te tonen om een compleet organisme te bevriezen dat, hopelijk, kan worden ontdooid om te leven en te groeien.
"Het is heel belangrijk om de huidige genetische diversiteit te behouden, zodat we deze in de toekomst kunnen gebruiken als een zaadbank die is ontwikkeld voor gewassoorten, " gaat van Oppen verder. “Mensen kunnen teruggaan en een voorraad gewassen aanleggen die mogelijk beter bestand is tegen droogte of hitte omdat ze die genetische diversiteit hebben die hen in staat stelt dat te doen. Dus als we iets vergelijkbaars kunnen doen met de Global Seed Vault voor koralen, zal dat in de toekomst extreem krachtig zijn. "
Helaas is die toekomst er nog niet. Het paddestoelkoraal was bevroren omdat de larven klein waren en gemakkelijk om mee te werken. Nu wordt het team uitgedaagd om alles aan te passen, van de samenstelling van de antivries tot de laserinstellingen, zodat grotere koralen die rif opbouwen op dezelfde manier kunnen worden bewaard. "We denken echt dat het schaalbaar wordt", zegt Hagedorn.
Volwassen paddestoelkoraal (F. scutaria). (Smithsonian Conservation Biology Institute) Een andere uitdaging is de omvang van de operatie enorm uit te breiden, zodat deze kan worden gebruikt voor rifherstel.
"We moeten gaan van het bevriezen van honderden van deze dingen naar honderdduizenden om zelfs wat koraal op een rif te laten leven, " zegt Hagedorn. Als dergelijke aantallen larven cryogeen kunnen worden bewaard, verhoogt dit de mogelijkheid om de trage reproductiesnelheid van koralen te vergroten. Coral spawning komt alleen voor als de omstandigheden perfect zijn, eenmaal per jaar, en slechts voor een paar dagen.
“Als we een voorraadopslagplaats van bevroren larven kunnen opbouwen die we uit de vriezer kunnen halen wanneer we een rif moeten herstellen, kan dat op elk moment van het jaar, dus je bent niet beperkt tot een koraal spawning-evenement. Dat zou natuurlijk absoluut fantastisch zijn ”, zegt Van Oppen. "Dat zou met name het geval zijn als je het zou kunnen combineren met een deel van het lopende werk om te proberen koraalbestanden te ontwikkelen die hittetoleranter zijn."
Het opnieuw introduceren van eenmaal ingevroren koralen is misschien niet erg succesvol op plaatsen waar de omstandigheden die ervoor zorgden dat riffen überhaupt afstierven, nog steeds aanhouden. Maar als koraalomgevingen verbeteren, of als mensen koralen kunnen maken die beter bestand zijn tegen toekomstige omstandigheden, is de kans groot dat we een populatie van dooi-en-serve cryogeen koraal klaar hebben om van te profiteren.
