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受精率骤降90%！珊瑚繁殖面临“10米临界危机”

2024-12-18 13:11

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

【中国绿发会讯】【编者按】全球珊瑚礁生态系统正面临严重的威胁，主要背景是气候变化导致的珊瑚白化和死亡，使珊瑚种群的密度逐渐降低，分布变得更加稀疏。珊瑚是海洋中重要的造礁生物，依靠产卵和受精来维持种群的繁衍和生态系统的稳定。然而，随着种群密度的下降，科学家担忧珊瑚的繁殖能力可能受到显著影响，甚至出现受精失败的情况。2024年12月16日一项发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的最新研究，为应对全球珊瑚礁危机提供了新的科学依据和实践方向。（按/王芊佳）

“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到，一项最新研究表明，全球气候变化正在加速珊瑚种群密度下降，珊瑚之间的“临界距离”成为限制其受精成功率的关键因素。一旦珊瑚个体之间的距离超过10米，受精率将急剧下降，甚至接近零。这一现象被称为“阿利效应”（Allee effects），意味着当种群密度过低时，繁殖能力会显著减弱，最终可能导致种群崩溃。该研究由昆士兰大学的彼得·芒比教授（Peter J. Mumby）团队主导，研究地点为密克罗尼西亚的帕劳海域，目标物种是分布广泛的桌形轴孔珊瑚（Acropora hyacinthus）。研究人员测量了这些珊瑚在自然环境下的受精成功率，结果显示：当珊瑚之间距离小于0.5米时，受精率平均达到30%；而当距离扩大到10米时，受精率迅速下降至不足10%；当距离达到15~20米时，受精率几乎为零。

2024年3月26日（第一夜）和3月27日（第二夜）桌形轴孔珊瑚（Acropora hyacinthus）的产卵行为。上图中有几个部分，首先是（A）部分，显示了漂浮卵容器在漂流约1小时后的收集点。接下来是（B）部分，展示了珊瑚产卵强度的变化趋势。最后是（C）部分，使用荧光染料跟踪精子的方向，这些实验在与第二夜相同的潮汐和风速条件下进行。图中的橙色圆圈标记了带标签珊瑚的释放点，精子的方向也在（A）部分进行了标示。图源：P.J. Mumby等人(2024)

这项研究还发现，影响珊瑚繁殖的主要因素是“最近的邻近怀卵珊瑚”之间的距离，而非更大范围内的局部密度。此外，外部环境条件也会影响受精成效。例如，在第二晚的观测中，尽管珊瑚产卵量有所增加，但由于风力较强，受精成功率下降了近三倍。这表明，天气因素在珊瑚大规模同步产卵过程中起着不可忽视的作用。

这张图片展示了一个研究设计，研究地点位于Uchelbeluu Reef（尤切尔贝鲁礁）。图（A）中标出了研究区域的位置，区域呈方形。图（B）显示了研究区域内每个珊瑚个体的位置。图（C）展示了放置在桌形轴孔珊瑚（Acropora hyacinthus）上的收集罩，而图（D）则展示了刚刚释放的卵束容器。图源：P.J. Mumby等人(2024)

该研究团队认为，气候变化引起的珊瑚白化和死亡，正在使珊瑚个体之间的距离拉大，繁殖成功率随之下降，威胁种群的长期存续。这一发现为珊瑚礁保护和生态修复提供了明确目标：通过监测关键区域的珊瑚密度，并实施科学的生态修复措施，将分散的珊瑚重新连接，使其密度恢复到繁殖所需的临界水平，从而保障珊瑚种群的健康与延续。

阿利效应（Allee Effects）是生态学中的一个重要概念，指种群密度降低到一定程度时，个体之间缺乏足够的互动，导致繁殖率或生存率下降的现象。通常情况下，种群密度高有利于个体间的协同效应，如配偶寻找、捕食防御和资源共享等，而当密度过低时，个体间的距离过大，这种协同效应就会被削弱，甚至消失，影响种群的存续能力。阿利效应由动物生态学家沃德·阿利（Warder Clyde Allee）首次提出，后来被广泛应用于不同物种的生态研究中。阿利效应在珊瑚群落中尤为明显。例如，当珊瑚个体间的距离超过繁殖所需的临界范围时，受精成功率会显著下降，甚至接近零。这一现象不仅限制了珊瑚种群的自然恢复能力，也加剧了受气候变化影响的珊瑚礁生态系统的脆弱性。就像本文中提到的这样，科学家可以通过研究阿利效应，来评估物种的最低密度需求，为生态保护和物种修复提供科学依据，帮助受威胁的种群重建健康的生存环境。

斯米兰群岛潜水时所摄的珊瑚礁和海洋生命。摄影师：车车Joe）| 绿会融媒海洋与湿地（OceanWetlands）

产卵同步性（Spawning Synchrony）是指同一物种的个体在特定时间内同时释放卵子和精子，以最大化受精成功率的一种繁殖策略。许多海洋生物（特别是珊瑚），会在特定的环境条件下（如水温、月相、潮汐）进行大规模的同步产卵。这种现象确保卵子和精子在水体中相遇的概率大幅提升，增加受精成功的机会。此外，产卵同步性还可以通过“数量优势”分散捕食者的注意力，减少个体卵子或幼体被捕食的风险。这种现象在许多动物群体中都存在，尤其是在海洋无脊椎动物中，比如珊瑚、海胆等。就拿澳大利亚的大堡礁的珊瑚来说，每年都会在特定的夜晚进行大规模的同步产卵，形成壮观的海洋景象。对于珊瑚而言，产卵同步性尤为关键，因为它们的受精过程通常发生在外部水域，卵子和精子需要漂浮在海水中结合。但当珊瑚个体之间的距离过大或种群密度过低时，即使同步产卵，受精成功率也会大幅下降。此外，外界环境因素，如风力、洋流或水温的变化，也会干扰同步产卵的效果。本研究中强调的产卵同步性，有助于科学家理解珊瑚繁殖机制，为珊瑚礁生态系统的保护和珊瑚生态系统恢复提供一个指导依据。

临界距离（Critical Distance）是指个体之间为维持有效互动（如繁殖、觅食或防御等）所需的最大允许距离，超过这一距离，个体间的互动效果会显著降低，甚至无法实现。在生态学中，临界距离常用于评估物种种群密度与空间分布对其生存和繁殖的影响。例如，对于依赖外部受精的珊瑚，当两个个体之间的距离超过临界范围时，释放到水中的卵子和精子无法顺利结合，导致受精率急剧下降。“临界距离”这个概念在珊瑚群落中尤为重要，有助于生态保护与修复工作、帮助科学家设定物种恢复的空间密度目标，确保个体之间保持足够的互动，从而维持种群的繁衍和健康。本文这篇研究表明，当珊瑚个体之间的距离小于10米时，受精成功率较高，平均可达30%；但是当这一距离扩大到15米或以上时，受精率几乎为零。这种现象说明了空间分布对珊瑚繁殖的限制作用，特别是在气候变化导致珊瑚种群密度下降的情况下。

桌形轴孔珊瑚（Acropora hyacinthus）是一种常见的造礁珊瑚，属于珊瑚纲（Anthozoa）石珊瑚目（Scleractinia）鹿角珊瑚科（Acroporidae）的成员。它们的分枝伸展如同一张桌子，所以得名。它的珊瑚群体会形成坚实的板叶，直径可达数米。这种珊瑚通常生长在水浅且海流较强的地方，是珊瑚礁生态系统的重要组成部分。它的颜色多为黄绿色或黄褐色，边缘常带有一些粉红色或蓝色。这种珊瑚广泛分布于热带和亚热带海域，尤其是印度洋和太平洋地区，是珊瑚礁生态系统中非常重要的建造者之一。由于它们独特的形状和颜色，桌形轴孔珊瑚成为了许多潜水爱好者“打卡”的目标。

洛德斯通礁（Lodestone Reef）的桌形轴孔珊瑚瑚景观。摄影：Holobionics

贝塔二项模型（Beta-binomial model）是一种统计模型，用于分析二项分布的数据，尤其适用于处理具有变异性的二项数据。在这种模型中，成功的概率不再是一个固定值，而是由一个贝塔分布来描述，贝塔分布允许成功概率在不同的样本中存在差异。因此，贝塔二项模型不仅能够捕捉到样本间的变化，还能反映真实世界中复杂的、具有不确定性的情况，广泛应用于生态学、医学和社会科学等领域。在这篇研究中，贝塔二项模型被用来分析珊瑚群体的受精成功率vs群落空间配置之间的关系。研究者关注的是珊瑚群体的邻近性对受精成功率的影响，特别是在不同的珊瑚群体之间距离不同的情况下。贝塔二项模型能够处理数据中固有的变异性，允许不同珊瑚群体的受精成功率存在差异，从而更准确地评估邻近珊瑚的空间配置对受精率的影响。具体来说，这个模型用于考虑受精成功率的响应变量，邻近性（即群体之间的距离）作为连续的自变量，以及不同的产卵夜（作为类别自变量）对受精成功率的影响。

自交（Self-fertilization）是指个体通过自己的精子和卵子进行受精，从而完成繁殖的过程。与常见的两性繁殖不同，自交不需要外部配偶，而是通过自体的生殖细胞完成遗传物质的交换。在一些植物和某些无脊椎动物中，自交是一种常见的繁殖方式，可以保证个体在缺乏配偶的情况下依然能够繁殖后代。但缺点是，自交可能导致基因多样性的减少，从而影响种群的适应能力。在珊瑚等海洋生物中，自交的可能性较低，因为大多数珊瑚种类采用外部受精的方式，即通过释放精子和卵子到水中进行交配。尽管如此，某些珊瑚在特定环境下仍可能发生自交，尤其是在物种的个体数量较少、难以找到配偶的情况下。自交通常会降低遗传多样性，因此在大多数情况下，珊瑚通过异交交配来提高种群的遗传多样性，从而增强种群的生存能力。