科学家揭示珊瑚的高温驯化适应机制 让“适者生存”加速上演,为珊瑚提供应对气候变化路径******
科学研究正在为珊瑚寻找应对气候变化的新路径。尽管科研人员在不遗余力地设法保护珊瑚,但是导致珊瑚种群生存困难的根本问题在于当前气候变化速度过快。解决根源问题,即降低碳排放,避免气候变化速度过快,才能更好地保护珊瑚。
——江雷 中国科学院南海海洋研究所助理研究员
◎本报记者 何 亮
珊瑚作为一种海洋生物,因其缤纷的色彩、特殊的生存方式而受到人们的关注。珊瑚对生存环境的变化较为敏感、对生存环境的要求较为苛刻,气候变化影响下的水温升高会导致大量珊瑚白化死亡。
近日,生态学期刊《分子生态学》在线发表了由中国科学院南海海洋研究所黄晖团队领衔完成的论文,揭示了珊瑚应对气候变暖的驯化适应及其生理和分子机制。论文共同第一作者、中国科学院南海海洋研究所助理研究员江雷在接受科技日报记者采访时表示:“这项研究有助于我们正确认识珊瑚对海水升温的适应潜力,为人类保护珊瑚礁提供了正面、积极的启示。”
孵幼型珊瑚,礁体上的“拓荒者”
长期以来,珊瑚除了因为五彩斑斓的色彩而备受人们关注,关于它还有一个问题常常令人困惑——珊瑚究竟是动物,还是植物?
事实上,珊瑚是动物,是一种较低等的刺胞动物。珊瑚之所以色彩斑斓,是因为其体内生活着一种微小的藻类——虫黄藻。虫黄藻可以通过光合作用为珊瑚提供能量,保证珊瑚的生存。如果珊瑚失去虫黄藻,就会饿肚子,最终因没有能量来源而饿死。
珊瑚与虫黄藻复杂的共生关系,不仅关乎珊瑚的生存,也是科研人员研究的重点。此次研究中,黄晖研究团队主要研究的珊瑚种类是孵幼型鹿角杯形珊瑚。
“孵幼型鹿角杯形珊瑚比较特殊,是‘先锋物种’,这也是我们选择孵幼型鹿角杯形珊瑚作为研究对象的一个原因。当一个生态系统受到破坏或者干扰的时候,‘先锋物种’是最早出现的一类生物。‘先锋物种’就像‘拓荒者’一样,率先开启了生态演替和重塑生物群落的旅程。”江雷表示,“因为发育快,繁殖能力强等原因,一旦有新的合适生存环境出现,孵幼型鹿角杯形珊瑚的幼虫会最先长到礁体上开拓生存环境,并对礁体进行相应改造。之后才会有其他的生物相继进驻这一生存环境。”
选择孵幼型鹿角杯形珊瑚作为研究对象,另一个重要的原因是其对环境的适应类型。江雷介绍,在自然界,生物对环境的适应有两种不同类型:一种类型称作表型可塑性适应,即生物的生理过程是弹性可变的,生物通过调整机能适应环境变化;另一种类型称作进化适应(又称遗传适应),即生物在许多世代中由自然选择进行演化、筛选,最终完成对环境变化的适应。
“我们选择表型可塑性适应来进行研究,是因为对这种适应类型的研究时间周期较短,容易捕获研究结果,显现成果差异。”江雷表示。孵幼型鹿角杯形珊瑚的繁殖方式是体内受精,幼体在母体内发育,发育成为幼虫之后,再由母体排出体外。孵幼型鹿角杯形珊瑚排放出来的幼虫发育周期在1个月左右,是卵生型珊瑚的十分之一。
开展对比实验,揭示生理调节机制
在中科院南海海洋研究所的实验室里,一排排灯光格外显眼。光线照射下,颜色各异的珊瑚生活在人工营造的生态系统里。江雷等科研人员对孵幼型鹿角杯形珊瑚的驯化实验也正是在这里进行。
“在野外,珊瑚生存的正常水温是29摄氏度。我们通过温控系统,将珊瑚缸中的水温以每天约0.5摄氏度的速度进行提升。大约一个星期后,珊瑚缸中的水温会升至32摄氏度,并保持此温度。此次研究中的孵幼型鹿角杯形珊瑚幼虫,正是在上述高温环境中完成在母体珊瑚体内的发育和出生。”江雷说。
在长达1个月的研究中,科研人员观察到了很多现象。经过高温驯化后,孵幼型鹿角杯形珊瑚母体的代谢受到了不利影响,不仅光合作用降低,还发生了白化现象。可是,驯化组子代幼虫的表现却不一样,与对照组子代幼虫相比,经过高温驯化的子代幼虫能适应更高的水温,其最适生存温度有了明显提升,对高温的适应性得到了增强。江雷表示:“这说明,仅仅一个月的驯化就对子代幼虫的表型产生了较为明显的影响。”
仅凭一组数据,尚不足以得出定论。接下来,科研人员又进行了交叉移植实验。科研人员分别将经历了驯化组的幼虫和对照组的幼虫置于对照温度与高温环境。对比的结果与此前的结论较好地吻合,证明珊瑚母体的热驯化缓解了高温对子代幼虫的不利影响。
“上述现象背后,是珊瑚幼虫生理状态的调整。”江雷表示,在驯化之后,幼虫的虫黄藻的光合活性与光合速率得到了提高。幼虫的虫黄藻变得更强大,对高温的适应能力也更好。与此同时,幼虫的呼吸消耗降低了。这就意味着,幼虫能在获得更多营养物质的同时,支出更少的能量消耗。
“这一生理调节机制对珊瑚幼虫来说,可谓是大有裨益。”江雷表示,处于浮游阶段的幼虫,能量物质的补充全部依赖于虫黄藻的光合作用。如果生产得多且消耗得少,幼虫的能量储备就会更加充足,也会利于其生存。
此次研究中,科研人员还发现,驯化后的珊瑚幼虫中负责从虫黄藻转移脂类、糖类和氨基酸等营养物质的宿主转运蛋白基因表达也发生了显著上调,与此前发现的相关生理机制相符。
发挥科技力量,提供更多拯救路径
在气候变化影响导致水温升高、威胁珊瑚种群生存的当下,我们能否利用科技找到更多拯救珊瑚种群的路径?
“在气候变化越发明显的当下,每一次海洋热浪事件都相当于对珊瑚的一次驯化。”江雷表示,在未来,野外环境中的驯化事件及其引发的适应效应将会越来越多。
在我国,珊瑚修复工作正在如火如荼地展开。借助中国南海相对于其他珊瑚生活海域位置偏北的地理位置优势,我国科研人员在三亚、西沙等潮间带浅水区的极端生境中寻找能够存活下来的珊瑚,并将它们移植到实验室进行选育扩繁,最终把这些珊瑚再次回植到天然的生境中。
“此次研究的孵幼型鹿角杯形珊瑚,也来自生境恶劣的潮间带。”江雷表示,在海底种珊瑚与在陆地上植树造林有一定的相似之处,却比在陆地上植树造林辛苦得多。科研人员要背着数十斤重的装备在水底打桩固定,水下失重的环境也让工作难度大大提升。
此次研究的论文通讯作者、中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室研究员黄晖介绍,截至目前,南海海洋研究所共建设了40亩苗圃,一年可产出约7万株珊瑚苗;还建设了300亩的修复区,扭转了实验依靠野外采苗的现状。目前,科研人员播种到海床的珊瑚苗均出自人工培育。
“尽管科研人员在不遗余力地设法保护珊瑚,但是导致珊瑚种群生存困难的根本问题在于当前气候变化速度过快。”江雷表示,科学研究正在为珊瑚寻找应对气候变化的新路径,而解决根源问题,即降低碳排放,避免气候变化速度过快,才能更好地保护珊瑚。
世界杯 | 消灭“越位”争议 它们的眼睛就是尺******
世界杯记录着年轻人的成长
也见证着赛场科技的革新
巴西世界杯引进门线技术
俄罗斯世界杯采用视频助理裁判(VAR)
半自动越位识别技术(SAOT)
也在2022卡塔尔世界杯上首次亮相
图源:新华社——VAR工作间
今天就让我们一起来了解
世界杯里的“黑科技”
看看在本届世界杯中
它们又会有怎样的应用呢?
从没有裁判到科技协助裁判
回望百余年前,最初的足球规则甚至都没有引入裁判这个概念。
起初,球场上出现的争议由双方队长商议解决,不过,随之而来的抱怨和混乱让队长们力不从心。于是,裁判的角色应运而生,他口中的哨子甚至要比裁判本身更早进入到足球规则里。在随后的日子里,两名助理裁判(或称之为边裁)加入比赛,辅助主裁判对比赛做出判罚。
图源:网络——国际足球协会理事会(IFAB)编纂的《竞赛规则》
电视转播的出现,让观众能够更加清晰地观察到赛场上的细节,也促使裁判的辅助工具实现“进化”。英超是最先提出使用门线技术的主流联赛,不过他们的动议起初却遭到了国际足球协会理事会(IFAB)拒绝。
门线技术(Goal-line technology)可以判断球是否越过了球门线,从而判断是否进球有效,该系统是基于嵌进球中的一个芯片,当球穿过布于球门区域的传感器时,芯片可向主裁判所佩戴的智能腕表发送信号。
2010年南非世界杯中的一场比赛,成为这一技术得以使用的重要转折点。在英格兰对阵德国的八分之一决赛中,三狮军团中场兰帕德一脚精彩的射门已明显越过门线,但却被裁判吹罚无效。最终,英格兰以1:4惨遭淘汰。
兰帕德的“门线冤案”,促使门线技术投入到使用中
这粒被吹出的入球不仅促使门线技术被正式采用,也极大地扭转了足球规则的制定者们对于使用高科技手段的态度。
后来,随着科技的发展,VAR技术在所有大型比赛和50多个国家(地区)的联赛等比赛中都得到了广泛的使用。
VAR是英文Video Assistant Referee的缩写,也被称作“视频助理裁判”,由现役裁判员担任,他的职责是通过回放视频向裁判员提供信息,协助裁判员纠正改变比赛走势清晰明显的错漏判,提高判罚的准确性。
VAR主要依靠遍布足球场上的多个摄像机镜头,多机位,多角度捕捉场上球员的每一个细小动作,从而做到“火眼金睛”。当场上出现争议判罚或主裁判需要调取比赛录像时,由技术人员操作,调出相对应的回放节点,以得到更加公正的比赛判罚。
技术创新的最新成果
虽然VAR也可以辅助裁判进行越位识别,但有时碍于镜头角度以及划线位置,在一些体毛级越位的判定上,VAR仍有其局限性。
图源:网络 半自动越位识别技术工作原理
半自动越位识别技术(SAOT)可以理解为VAR的延伸,每座球场顶部将设置12台特制摄像机,对场上的足球和球员进行追踪,以每秒50次的频率发送数据,能够精准确定每名球员的位置。特制摄像机和球内传感器收集的数据信息将由人工智能系统进行分析,只需几秒钟就能对越位情况作出判断。
图源:网络 半自动越位识别技术示意图
主裁判判罚完成后,SAOT会生成3D动画图像,在场内大屏幕以及电视上播放,以更直观地展示球员越位的具体位置,让判罚更加清晰、有说服力。
2021年阿拉伯杯及2021年世俱杯等赛事中的测试中,半自动越位识别技术取得了不错的效果。有统计数据显示,在该技术支持下,视频助理裁判检查越位的平均时长从70秒以上降至25秒。
图源:网络 2022卡塔尔世界杯官方海报
从起初的哨音
到如今先进的
半自动越位识别技术
裁判员的“工具箱”不断升级
历经一百多年的发展历程
足球运动能够始终
作为全世界开展最广泛
最受欢迎的运动之一
不断创新是它最主要的动力之源
资料来源:人民网、人民日报体育、环球杂志、澎湃新闻
整理:董小娴 蔡琳
(文图:赵筱尘 巫邓炎)