Физичка създаде универсален модел на растежа на коралите

Испанската физичка Ева Лабрес е изминала дълъг път от изучаването на черните дупки до разгадаването на тайните на кораловите рифове. Още от детството си тя изследва морския свят край бреговете на остров Менорка, където дядо ѝ, търговец на риба ѝ дава първата маска за гмуркане и наблюдава октоподи, змиорки, морски звезди и подводни растения. В училище обаче тя се увлича по физиката и математиката и в университета в Барселона се потапя в теоретични изследвания на квантовата гравитация. След като завършва докторантурата си, тя решава да се върне към корените си и да изследва изкусителните океански дълбини от професионална гледна точка.

Основната загадка за нея е процесът на формиране на кораловите рифове – удивителни живи структури, които са едновременно животни и минерални образувания.

Всеки корал започва с миниатюрни полипи – същества, дълги по-малко от сантиметър, подобни на актинии. Тези същества изграждат около себе си варовикови чашки от калциев карбонат и след това се размножават безполово, като създават колонии с най-различни форми: от плоски шелфови издатини до масивни камъни, от високи колони до разклонени структури и израстъци, които приличат на цветни розички.

До неотдавна учените не можеха да обяснят защо при различни условия членовете на един и същ вид корали създават напълно различни форми.

Изглежда, че прости фактори на околната среда като светлина и течения би трябвало да определят структурата на рифовете, но това обяснение не беше достатъчно. Необходим беше компютърен модел, който да покаже как основни физични правила могат да създадат цели подводни дворци.

Лабрес направи първата стъпка към това, работейки по съвсем различен проект. В Института за интердисциплинарна физика и сложни системи в Майорка тя работи с Томас Синтес и морския биолог Карлос Дуарте от Университета за наука и технологии „Крал Абдула“, за да изследва растежа на морската трева. По време на изследванията си екипът забелязва, че морските треви образуват сложни колонии – също като коралите.

Затова екипът решава да открие математически правила за формирането на най-разпространените структури на коралите. Изследователите изказват хипотезата, че разликата между растежа на висока, тясна колона и куполообразното „масивно“ образувание е заложена дълбоко в биологичната програма на морските строители.

Проблемът е формулиран като оптимизационна задача: какъв е минималният брой променливи, необходими за моделиране на максимален брой форми?

Формирането на рифове включва два основни процеса: разширяване и клониране. По време на разрастването полипите отлагат калциев карбонат под телата си под формата на чашки, които постепенно се увеличават. Когато разстоянието между индивидите стане достатъчно голямо и наблизо има свободно място, новите организми започват да се размножават безполово – така колонията се разширява в нова посока.

Вместо да работи с отделни организми, ръководителят на изследването представи основен дизайн под формата на шестоъгълни пирамидални елементи – „хексаконус“. Всеки връх на такава фигура съответства на полип, а линиите между точките образуват мрежа от триъгълници. За тази геометрична система Лабрес разработва три основни правила за растежа на цифровите корали.

Първото правило се отнася до възпроизводството: колонията расте, докато пространството между индивидите достигне критичен размер, след което в свободното пространство се появява ново поколение. Второто правило регулира промяната във формата на „хексаконус“ в зависимост от местоположението на варовиковите отлагания. Третото определя механизма на образуване на странични разклонения, които се разклоняват от основната структура.

След многобройни експерименти тя установява четири ключови променливи: скоростта на отлагане на калциев карбонат, разстоянието между организмите, ъгъла на растеж на страничните клони и разстоянията между тях. За да бъде завършен моделът обаче, липсвал още един параметър, който би могъл да повлияе на вертикалния или хоризонталния растеж – фактор, който отличава плоските форми от масивните образувания и колоните.

Пробивът настъпил след много часове програмиране. Лабрес създал пета променлива – „режим на растеж“, която позволила на полипите в модела да се развиват по различен начин в зависимост от позицията им в колонията. Променяйки стойността на тази променлива, тя бързо получила както масивни форми и колони, така и след това структури, наподобяващи карфиол, маси и клони.

Докторантката Елинор Ре провежда експерименти в Червено море, за да провери хипотезата. Предварителните резултати, които ще бъдат публикувани тази година, показват точно съвпадение между прогнозите на модела и реалните форми на коралите. Моделът на Лабрес възпроизвежда повече форми на корали от която и да е предишна разработка, въпреки че засега обхваща само няколко от многото известни вариации.

Значението на тази работа далеч надхвърля теоретичната биология. Кораловите рифове, които съществуват от милиони години, сега са застрашени от изменението на климата. Морските топлинни вълни, повишаването на океанското ниво и окисляването на океаните застрашават както самите полипи, техните варовикови структури, така и целите екосистеми, които те поддържат.

Моделът ни помага да разберем и пластичността на коралите – способността им да се адаптират към нови условия в рамките на живота на един индивид. За разлика от еволюционните промени, които настъпват в продължение на поколения, пластичността позволява на колониите да реагират бързо на промените в околната среда. Това знание е особено важно сега, когато условията в океаните се променят с безпрецедентна скорост.

Формата на коралите оказва пряко влияние върху степента им на оцеляване. Когато силна вълна откъсне фрагмент от рифа, той може да се вкорени на ново място и да създаде нова общност – подобно безполово размножаване позволява на вида да изследва нови територии. Крехките разклоняващи се структури е по-вероятно да се разпространят по този начин, отколкото масивните колонии от камъни.

Сега Лабрес работи по включването в модела на ключови фактори на околната среда, като подводни течения и интензивност на светлината. Изследователката, която се е преместила в Хавайския институт по морска биология подчертава, че тези параметри са от решаващо значение за формирането на кораловите структури. Усъвършенстваният модел ще позволи точно да се предвиди как се променя архитектурата на рифовете при различни условия на околната среда.

С новата система биолозите ще могат предварително да определят оптималната морфология на рифа за всяка конкретна акватория. Това е особено важно за възстановяването на екосистемите: някои форми на корали са по-устойчиви на силни течения, други използват по-добре оскъдната светлина в дълбочина, а трети се адаптират по-успешно към температурните колебания. Наблюдавайки промените в крайбрежните води на родната си Менорка, където някои видове корали вече са изчезнали, изследователката вижда, че оцеляват тези форми, които най-добре отговарят на местните условия на околната среда. Тази естествена закономерност сега може да се използва за целево възстановяване на популациите.