Korallenriffe, die üppigen Lebensräume, in denen vielleicht ein Viertel der Arten des Ozeans beheimatet sind, sterben mit alarmierender Geschwindigkeit ab. Die Vereinten Nationen gehen davon aus, dass bei einem prognostizierten Anstieg der Meerestemperaturen keines der 29 zum UNESCO-Weltkulturerbe gehörenden Riffe bis zum Jahr 2100 noch funktionierende Ökosysteme beherbergen wird. Solche düsteren Möglichkeiten haben Wissenschaftler dazu veranlasst, sich auf das Schlimmste vorzubereiten, indem sie über den Tellerrand hinaus denken .
Mit einer mit Goldpartikeln und Schnellauftaulasern beladenen Frostschutzlösung hat ein Hawaii-Team erstmals Korallenlarven kryogen gefroren und erfolgreich aufgetaut. Der Durchbruch könnte das Biobanking von Korallenarten ermöglichen, um die verschwindende Vielfalt der Riffe auf der ganzen Welt zu bewahren. Kryotechnik kann auch Restaurierungsmaßnahmen unterstützen, indem ein gefrorener Bestand an Korallenlarven aufbewahrt wird, die bereit sind, tote oder sterbende Riffe wieder zu besiedeln.
„Wir können Larven einfrieren, wir können sie zurückbringen und sie sind am Leben“, sagt Mary Hagedorn, eine Korallenbiologin vom Smithsonian Conservation Biology Institute (SCBI). Die nächsten Schritte, stellt sie fest, sind die Sicherstellung, dass die Korallen auf einem Riff lebensfähig sind, und die Erweiterung des Prozesses, um eine große Anzahl von Korallen zu bearbeiten.
Konfokale Bilder von Tag-3-Larven, die die Fluoreszenz von GFP (links) und die Verteilung von DyLight-beschichteten Goldnanostab-Partikeln zeigen, die die Larve in einem Kryoprotektivum umgeben (rechts). (Smithsonian Conservation Biology Institute) Von Hagedorn mitverfasste Forschungsergebnisse, die kürzlich in Scientific Reports veröffentlicht wurden, beschreiben, wie Larven der Pilzkoralle ( Fungia scutaria ) erfolgreich blitzgefroren und wiederbelebt wurden, um sich normal zu entwickeln und bis zu 12 Stunden lang zu schwimmen. Wissenschaftler wären begeistert, wenn die dezimierten Korallenriffe der Welt einen so erfolgreichen zweiten Akt genießen könnten.
Riffe und die überwältigende Artenvielfalt, die sie beherbergen, werden von einem sich schnell ändernden Klima belagert. Zu den weitverbreiteten Konsequenzen, die selbst für Landrattenmenschen auftreten, gehören eine verringerte Nahrungsmittelversorgung und eine zerstörerische Erosion der besiedelten Küsten. Und große Rifftode sind nicht nur eine Frage der Projektion, sie sind bereits Realität. Bei einem massiven Bleichereignis für Korallen im Zeitraum 2014-17 wurden 75 Prozent der Riffe der Welt gestresst und 30 Prozent der Korallen am berühmten Great Barrier Reef getötet. Solche Episoden treten immer häufiger auf, so dass der jüngsten National Climate Assessment zufolge das Bleichen von Korallen bis 2040 jährlich auf den Hawaii-Inseln und in Amerikanisch-Samoa stattfinden wird.
Korallen können sich an veränderte Umgebungen anpassen, aber an manchen Orten ist das Tempo einfach zu schnell. Die Möglichkeit der Vereisung und Wiederbelebung kann helfen, etwas Zeit zu kaufen.
Färbung mit Phalloidin: Fluoreszenzmikroskopische Bilder von Phalloidin, die sich in der Entwicklung von auf Actin gefärbten F. scutaria-Larven befanden. (Smithsonian Conservation Biology Institute) Das Einfrieren von Korallen sei relativ einfach, sagt Hagedorn. Die Larven wurden einfach in flüssigen Stickstoff getaucht, nachdem sie mit einer Art „Frostschutzmittel“ behandelt worden waren, das speziell zusammengesetzt war, um ein gleichmäßiges Einfrieren ohne Bildung von Eiskristallen zu ermöglichen.
"Eiskristalle sind wirklich unsere Nemesis", sagt sie. „Möglicherweise bilden sich während des Gefrierprozesses einige winzige Kerne, und Sie können sich diese als Schneeflocken vorstellen. Aber Sie wollen nicht, dass diese Schneeflocken zu größeren Eisspeeren werden, die die Zellen zerstören. “Das Problem mit Eiskristallen ist beim Erwärmen von gefrorenen Proben eigentlich am schlimmsten.
„Stellen Sie sich Wasser vor, das langsam gefriert, und an diesem Punkt wachsen einige Kristalle beim Gefrieren plötzlich relativ schnell zu Eisscherben“, erklärt Jonathan Daly, Hauptautor der Arbeit und Postdoktorand am SCBI und am Hawaii Institute of Marine Biologie. "Das passiert in einem bestimmten Temperaturbereich und man geht durch diesen Bereich, wenn man abkühlt, aber auch wenn man sich erwärmt."
Der meiste Zelltod tritt während des Erwärmungsprozesses auf, aber Wissenschaftler können die Bildung von Eiskristallen verhindern, indem sie die Korallenlarven schnell auftauen. Um Geschwindigkeit zu erreichen, verwendete das Team eine Technik, die Hagedorn mit einem Doppelschlag aus massiven Goldpartikeln und Laserlicht auf Zebrafischembryonen verfeinerte.
Hollywood-Laser mögen heiß genug sein, um ein Alien zu verdampfen, doch die Labormodelle konnten die Wärme nicht schnell und gleichmäßig genug übertragen, um einen winzigen Embryo ohne Hilfe aufzutauen. Die Wissenschaftler führten daher Nanogoldpartikel ein, die in der Frostschutzlösung verteilt waren. Diese absorbierten das Licht des Lasers und wandelten es in Wärme um, die die Koralle erfolgreich aus dem Tiefkühlzustand brachte. "Es ist innerhalb einer Sekunde aufgetaut", sagt Daly.
Jonathan Daly kryokonservierende Korallenlarven. (Gary Cranitch / Great Barrier Reef Foundation) Das Einfrieren lebensfähiger Korallen hat das Potenzial, die biologische Vielfalt der Zukunft zu erhalten, indem die gesamte Bandbreite der Korallengenetik erhalten bleibt. „Wir haben keine Ahnung, wie wir dieses Material in 100 Jahren einsetzen können, aber es ist wirklich wichtig, dies jetzt zu tun, während wir noch eine große Vielfalt an Riffen haben und diese sehr schnell verlieren“, sagt Hagedorn. Im australischen Taronga Western Plains Zoo werden bereits vierzehn Arten von Korallenspermien und -embryonen eingefroren, während zehn weitere im National Animal Germplasm Program des USDA im Binnenstaat Fort Collins, CO, festgehalten werden.
Diese eingelagerten Spermien müssten mit lebenden Eiern gepaart werden, aber Madeleine van Oppen vom Australian Institute of Marine Science und der University of Melbourne sagt, dass diese Leistung das Spiel verändert, indem sie die Fähigkeit demonstriert, einen vollständigen Organismus einzufrieren, der hoffentlich aufgetaut werden kann aus zu leben und zu wachsen.
„Es ist sehr wichtig, die derzeitige genetische Vielfalt zu bewahren, damit wir sie in Zukunft ähnlich wie eine Samenbank verwenden können, die für Kulturpflanzenarten entwickelt wurde“, fährt van Oppen fort. „Die Menschen können zurückgehen und einen Bestand an Feldfrüchten anbauen, die möglicherweise besser gegen Trockenheit oder Hitze resistent sind, da sie über die genetische Vielfalt verfügen, die es ihnen ermöglicht, dies zu tun. Wenn wir also etwas Ähnliches wie das Globale Saatgutdepot für Korallen tun können, wird dies in Zukunft außerordentlich mächtig sein. “
Leider ist diese Zukunft noch nicht ganz da. Die Pilzkoralle war gefroren, weil ihre Larven klein und leicht zu bearbeiten waren. Jetzt ist das Team gefordert, alles von der Frostschutzzusammensetzung bis zu den Lasereinstellungen zu optimieren, damit größere, riffbildende Korallen auf ähnliche Weise erhalten bleiben. "Wir glauben, dass es skalierbar sein wird", sagt Hagedorn.
Adulte Pilzkoralle (F. scutaria). (Smithsonian Conservation Biology Institute) Eine weitere Herausforderung besteht darin, den Umfang der Operation erheblich zu vergrößern, sodass sie möglicherweise für die Wiederherstellung von Riffen verwendet werden kann.
„Wir müssen Hunderte dieser Dinge nicht mehr einfrieren, sondern Hunderttausende, um überhaupt Korallen auf einem Riff leben zu lassen“, sagt Hagedorn. Wenn eine solche Anzahl von Larven kryogen konserviert werden kann, besteht die Möglichkeit, dass sich die schleppenden Fortpflanzungsraten der Koralle aufladen. Korallenlaichen tritt nur auf, wenn die Bedingungen perfekt sind, einmal im Jahr und nur für ein paar Tage.
„Wenn wir ein Vorratslager mit gefrorenen Larven aufbauen können, das wir jederzeit aus dem Gefrierschrank holen können, um ein Riff wiederherzustellen, ist dies zu jeder Jahreszeit möglich, damit Sie sich nicht auf ein Korallenlaichereignis beschränken müssen. Das wäre natürlich fabelhaft “, sagt van Oppen. "Das wäre besonders wahr, wenn Sie es mit einigen der laufenden Arbeiten kombinieren könnten, um zu versuchen, einen Korallenbestand zu entwickeln, der hitzeverträglicher ist."
Die Wiedereinführung von einmal gefrorenen Korallen kann sich an Orten als wenig erfolgreich erweisen, an denen die Bedingungen, die zum Absterben der Riffe geführt haben, immer noch bestehen. Aber wenn sich die Korallenumgebung verbessert oder wenn der Mensch Korallen schafft, die widerstandsfähiger für zukünftige Bedingungen sind, besteht eine gute Chance, dass wir eine Population von kryogenen Korallen haben, die zum Auftauen und Servieren bereit sind, um daraus Nutzen zu ziehen.
