Риф сокровищ: Раскрытие скрытых существ коралловых рифов
По оценкам ученых, под океанами скрываются сотни тысяч морских обитателей, которых еще предстоит обнаружить. Этих скрытых животных можно встретить в открытом океане, в глубоких впадинах на дне моря и в коралловых рифах. В тропических коралловых рифах скрытые животные - это крошечные рыбки, крабы, осьминоги, морские улитки, морские звезды, слизни и другие загадочные животные, которых трудно увидеть. Эти загадочные животные могут помочь нам лучше понять, как функционируют коралловые рифы. Но как мы можем изучать то, что не можем найти? Ученые, работающие на восточном побережье Красного моря в Саудовской Аравии, используют два новых метода, чтобы доставить этих скрытых существ с рифа в лабораторию. Словно детективы, эти исследователи находят, описывают и изучают роль, которую эти крошечные животные играют в поддержании здоровья коралловых рифов. Мы охраняем то, что знаем, поэтому гонка по поиску и сохранению биоразнообразия Красного моря продолжается.
Подводная тайна
Что, если бы мы смогли придумать, как защитить наши океаны, чтобы жизнь под водой процветала? А что, если мы найдем поврежденную морскую акваторию и сможем вернуть туда прежнюю рыбу и сеть жизни, от которой она зависит? Создание так называемых морских охраняемых зон, не допускающих захвата, может стать ответом на эти вопросы. На охраняемых морских территориях запрещена любая деятельность человека, например рыболовство, добыча полезных ископаемых или бурение нефтяных скважин, что позволяет морской жизни процветать без вмешательства людей. Но создание таких охраняемых территорий - дело непростое. Чтобы знать, что охранять, нужно определить все организмы, обитающие в этой зоне. Нам также необходимо понять уровень биоразнообразия и связи между экосистемами, которые необходимы для процветания морской среды в целом.
И здесь кроется загадка: как мы можем защитить то, что лежит под поверхностью наших морей, если мы почти ничего не знаем о том, что там находится? По данным ученых, более 80% океанов не нанесены на карту и не исследованы [ 1 ]. Сейчас идет гонка по поиску и идентификации морских видов, потому что знание о морских видах мира очень важно для защиты наших океанов. Вымирание видов из-за потери среды обитания и изменения климата идет угрожающими темпами. Около 20 % морских видов находятся под угрозой исчезновения, и нам срочно нужно задокументировать происходящее, чтобы лучше понять причины и научиться предотвращать их.
Ученые из Исследовательского центра Красного моря в Саудовской Аравии используют два научных инструмента для изучения мелкой жизни в рифах Красного моря. Если мы раскроем тайны жизни в коралловых рифах, то сможем лучше разработать морские заповедники, которые будут процветать для вас и для будущих поколений.
Что скрывается под водой?
Под водой коралловые рифы поражают красотой разноцветных кораллов, рыб, губок, гигантских моллюсков и черепах. Коралловые рифы похожи на тропические леса в морях. Они обеспечивают людей бесчисленными товарами и услугами, включая продукты питания, защиту береговой линии, священные места и регулирование процессов на земле, которые делают нашу планету пригодной для жизни.
Для других видов коралловые рифы являются живительными. В фильме "В поисках Немо" Немо жил в морском анемоне, в укрытии кораллового рифа. Рифы являются важными питомниками для молодых рыб и помогают обеспечить защиту от хищников и питательные вещества (пищу) для роста. Но если присмотреться к жизни в рифе, можно обнаружить не менее удивительных существ размером с ноготь и даже меньше. Там обитают такие существа, как крошечные крабы, осьминоги, черви, улитки, морские звезды и рыбы (рис. 1). Из-за их размеров этих существ трудно обнаружить с помощью традиционных морских исследований, которые фиксируют только то, что видно глазу. Эти традиционные методы включают в себя использование аквалангистов для фотографирования легко различимых организмов и просмотр фотографий, сделанных из космоса с помощью спутников. Чтобы получить полную картину биоразнообразия, нам нужно стать меньше, потому что эти микросущества, некоторые из которых прячутся или выходят на поверхность только ночью, по оценкам, составляют 70% коралловых рифов.
Эти скрытые от глаз существа представляют собой большую часть биоразнообразия рифов, но если мы не будем наблюдать за ними, как мы узнаем, теряем ли мы виды из-за изменения климата или загрязнения окружающей среды, или приобретаем виды, которых раньше не было? Такие изменения в коралловых рифах могут угрожать здоровью морской среды.
Имея информацию о мельчайших формах морской жизни, мы можем:
1) Найти сходства и различия между рифами, между прибрежной и морской средой, между морями и всеми океанами на Земле;
2) Исследовать наличие ключевых видов, так называемых видов-доноров, которые помогают ученым определить, здорова или деградирует экосистема; и
3) Создать системы раннего предупреждения. Если существуют виды-дозорные, которые, как мы знаем, должны присутствовать в здоровой системе, и мы обнаруживаем, что эти существа отсутствуют, мы можем предупредить правительства и морских менеджеров, что они должны принять меры по защите этой морской среды. Некоторые из этих мер могут включать контроль за сбросом сточных вод, улучшение очистки воды или даже ограничение рыболовства.
Недавно были объединены две технологии, позволяющие обнаружить существ, живущих вдали от посторонних глаз. Они называются автономными структурами мониторинга рифов (ARMS) и штрих-кодированием ДНК.
Сказка о двух техниках: Из океана в лабораторию
Что такое автономные структуры мониторинга рифов (ARMS)?
ARMS are sets of nine plates placed on top of each other, with spaces in between to allow for creatures to crawl inside and water to flow through (Figures 2A,B). The design of these ARMS mimics the 3D nature of a coral reef, with some parts exposed to light, other areas with limited light, and some areas that allow animals to find refuge from predators. ARMS are first made in a workshop before a scientific diver takes them underwater and places them on the bottom of a reef. After 1–3 years, the diver returns to collect the ARMS from the site. The ARMS will then be covered in marine growth, including animals, plants, algae, and bacteria. Marine scientists carefully photograph all the life they find on the ARMS (Figure 2D). Where possible, the largest creatures (>2 мм; рис. 2C), обнаруженные на каждом ARMS, идентифицируются учеными, называемыми таксономистами, чья работа заключается в классификации животных к определенному семейству или виду (таксономия). Если таксономист не может идентифицировать организм, теперь есть новый способ идентифицировать этих существ по их ДНК - инструмент под названием ДНК-штрихкодирование.
Что такое ДНК-штрихкодирование и как мы можем его использовать?
Штриховое кодирование ДНК - это новая удивительная техника, которая поможет ученым обнаружить и каталогизировать биоразнообразие наших океанов. Морские организмы постоянно теряют клетки, и эти клетки попадают в океанскую среду. Каждая отдельная клетка содержит ДНК (генетическую информацию) данного вида и может быть собрана из воды, осадка или ARMS. Эту генетическую информацию называют экологической ДНК, или эДНК, поскольку она собрана из окружающей среды, и эДНК может быть использована для инвентаризации видов, присутствующих в определенном месте и в определенное время. ДНК каждого организма функционирует как уникальный "штрих-код", подобно кодам, которые можно найти на продуктах в супермаркете. Чем ближе два вида, тем более похожи их ДНК. Изучив эДНК, мы можем узнать, к какому виду или семейству принадлежат организмы в той или иной среде (рис. 3). Эти уникальные коды ДНК можно сравнить с онлайн-базой данных, которая связывает этот уникальный код с названием вида. Иногда обнаруживаются новые виды, не включенные в базу данных. По оценкам, только 86 % жизни на Земле было обнаружено и зарегистрировано - мы еще многого не знаем [ 2 ].
В Красном море штрих-кодирование эДНК помогает нам находить морских обитателей, которых никто в мире раньше не описывал. По мере расширения коллекции эДНК исследователи смогут найти закономерности, которые подскажут им, где обитают те или иные виды и появляются ли они или исчезают.
Раскрытие таинственных существ Красного моря
Ученые Центра исследований Красного моря развернули ARMS на побережье Саудовской Аравии с севера на юг с 2014 года. Ученые обнаружили более 10 700 различных видов, связанных с рифами Красного моря. Это в 10 раз больше, чем видов рыб, и в 30 раз больше, чем видов кораллов, которые ранее были обнаружены в этом регионе. Большинство видов относится к группе Arthropoda (например, крабы), за ней следуют рыбы, моллюски (животные с раковинами, в том числе улитки) и черви (рис. 4). Несколько видов не удалось отнести ни к одной известной группе. После восстановления АРМС в центральной части Красного моря штрих-кодирование эДНК было применено к АРМС, размещенным на одиннадцати рифах. Ученые обнаружили, что группы идентифицированных организмов менялись по мере удаления рифов от береговой линии в сторону центра Красного моря.
Еще одна вещь, которую узнали ученые, заключается в том, что для сохранения и защиты видов необходимо создать морскую охраняемую зону, включающую сеть защищенных рифов, а не просто охранять наиболее богатый видами риф. Это связано с тем, что некоторые рифы содержат виды, которые сильно отличаются от тех, что встречаются на других рифах, поэтому защита только одного рифа не обеспечит сохранение биоразнообразия в регионе.
Можно ли разгадать тайну морей?
Можем ли мы полностью узнать, что скрывается под поверхностью морей? И да, и нет. Да, потому что теперь у нас есть такие инструменты, как ARMS и штрих-кодирование эДНК, которые позволяют более быстро и менее дорого идентифицировать подавляющее разнообразие жизни в наших морях. По мере развития этих инструментов и компьютерных технологий мы можем ожидать появления новых и креативных методов идентификации морской жизни. Нет, потому что глобальные изменения приводят к тому, что некоторые из этих видов исчезают раньше, чем мы успеваем их идентифицировать. Кроме того, многие части наших морей настолько недоступны, что мы не можем использовать ARMS или собирать образцы эДНК в этих регионах. Мы знаем, что экосистема, отличающаяся биологическим разнообразием и включающая множество различных видов, с большей вероятностью будет устойчивой и сможет противостоять меняющимся условиям. Регистрация и изучение всех морских обитателей, населяющих коралловые рифы в Красном море, - это один из вкладов ученых в защиту и сохранение морских сокровищ планеты.
