珊瑚——自然界的微工程师

——珊瑚生物利用极小的附属物激起水漩涡并带来营养物质。

涡流纤毛流会增强珊瑚和其环境之间的营养素与氧的交流。示踪粒子的路径按照流体速度用颜色进行了编码，它表明珊瑚的外表正操纵着周围流体的流动。

由研究人员提供

在5000倍放大倍率下鹿角分支表面的扫描电子显微照片，呈现出密集的纤毛地毯。

由研究人员提供

传统观点一直认为，珊瑚——其钙碳酸盐骨骼构成珊瑚礁的基础——是完全依靠洋流传递溶解物质（如养分和氧气）的被动生物。但现在MIT和以色列的Weizmann科学研究所（WIS）的科学家发现，它们完全没有处于被动，而是操纵着所处的环境周围的水，使其变成湍流，这大大增强了它们与环境交换营养物质和溶解气体的能力。

MIT土木与环境工程副教授Roman Stocker表示“这些微环境的过程不仅是重要的，而且也是意外的”，该研究成果已经发表在《国家科学院院刊》上。

“实验团队在实验室中用罐子来培养珊瑚，我以为这将是一个非常稳定的微观世界，除了外部流动之外没有太大的动作，”Stocker说。然而，研究人员发现，通过高倍显微镜和高速摄影机放大珊瑚表面的画面，结果恰恰相反：在最接近珊瑚表面的毫米级的距离之内，流体的流动是非常猛烈的。

之前的研究结果表明，珊瑚表明带有纤毛，这些纤毛呈现微小的丝状附属物，它可以沿着珊瑚表面推动水流。然而，之前我们假定这些水流以传送带的方式平行移动到珊瑚表面，这种平稳的运动可以帮助珊瑚移除沉淀物，却对溶解的营养物质的交换影响不大。现在Stocker和他的同事已证明，珊瑚表面的纤毛以一种特殊的方式排列，这使它能够产生强烈水流漩涡，通过漩涡珊瑚可以吸取养分，同时驱赶潜在的有毒废弃物（如过量的氧）。

不只是被动

“我们以前误以为珊瑚是完全依赖于来自潮汐和湍流的流动，通过外界的流动来获得营养物质和处理溶解废弃物，” Orr Shapiro说到，作为WIS的博士后及本论文的第一合作作者，他曾花了一年时间在Stocker的实验室做这些观察。

研究人员展示了珊瑚如何主动地设计它们的环境，以在其表面滤进营养物质和滤出废弃物。

Melanie Gonick/MIT

在这样的情况下，处在受暗礁庇护的部分或处在滞潮的珊瑚集落将接触到少量水运动，它们可能会面临严重的营养限制或有毒废弃物的堆积，以至危及其生存的地步。在被动情况下，“即使是珊瑚的形状也能成为问题，”Vicente Fernandez（MIIT博士后及该论文的第一合作作者）这样说道，“珊瑚结构往往是树状，有着纵深分支结构，这阻止了大量的外部流动，所以新鲜水流经过该中心的量非常低。”

该小组运用视频显微镜和先进的图像分析来观察珊瑚的方法改变了这种模式。这些表明，珊瑚用自身的纤毛来主动加速交换溶解的分子，这使得它们甚至在环境流动接近零的情况下能够持续增加光合作用和呼吸作用的速率。

研究人员检测了6种不同的珊瑚礁，结果显示这些珊瑚礁都会共享这种能力来引导其周围复杂的湍流。“虽然这还没有证明所有的珊瑚礁都这样做，””Shapiro说，“但看来若非所有的珊瑚礁都有创造这些流动的纤毛的话，大部分都是这样。纤毛经过400百万年的进化而保留下来已然表明，珊瑚礁从这些流动中得到了大幅度的进化优势。”

珊瑚需要搅动起来

报道的研究结果改变了我们对珊瑚礁表面的看法；停滞边界层的现有观点已被动态的、主动搅动的环境的观点所取代。这不仅对大规模运输的问题，也对海洋微生物与珊瑚群落的相互作用至关重要。在过去的几十年里，由于珊瑚疾病和珊瑚退化的全球性加剧，“珊瑚群落”成了一个吸引了广泛关注的主题。Stocker提到，除了阐明珊瑚礁如何功能运作，以助其在气候变化面前更好地预测自身的健康之外，这项研究也会在其他领域有影响：纤毛是无处不在的较为复杂的生物——比如人的呼吸道内部，在那里它们帮助扫除污染物。

但由于纤毛存在于内部，所以这样的过程难以研究。“能够看到动物外表面纤毛的情况实属罕见，”Stocker说。所以珊瑚可能为理解有关于大规模运输和疾病的睫状突提供了一个通用模型。

David Bourne是一名没有参与到此研究的海洋科学澳大利亚研究所的研究员，他说道，“这项工作给了解为什么珊瑚是如此的高效和繁荣带来了一个重大的飞跃……我们终于对为什么珊瑚已经成功地建立并提供珊瑚礁生态系统的结构框架有了一个更深的了解。”

Bourne补充说：“Stocker已经通过运用其工科背景知识于生物学问题的方式取得了长足的进步。这种跨学科的方法让他的团队从一个新的角度解决了根本问题，并提供了新颖的答案。”

除了Stocker、Shapiro和Fernandez外，研究团队成员还包括：WIS的教师Assaf Vardi、博士后Melissa Garren、前MIT博士后现Tufts大学助理教授Jeffrey Guasto、来自MIT和巴黎理工学院的François Debaillon-Vesque、以及来自WIS的Esti Kramarski-Winter。这项工作由人类前沿科学计划、美国国家科学基金会、美国国立卫生研究院、以及Gordon & Betty Moore基金会赞助支持。

原文链接

http://newsoffice.mit.edu/2014/corals-engineers-0901

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