Wie gefrorenes Korallensperma unsere Riffe retten könnte

Die Wissenschaftlerin Mary Hagedorn will durch Kryobiologie Meereslebewesen retten

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler des Smithsonian Conservation Biology Institute (SCBI) Korallenlarven aus der Pilzkoralle (Fungia scutaria) erfolgreich kryokonserviert (oder eingefroren) und aufgetaut. Foto: Der Smithsonian

Im vergangenen Sommer wartete Mary Hagedorn sechs Wochen lang auf der Insel Curaçao auf die eine Nacht im Jahr, in der die Elchhornkoralle - eine große verzweigte Koralle, die einem Elchgeweih ähnelt - laicht. Schließlich, als der Sommer in den September überging, setzte die umweltbedrohte Koralle riesige Wolken von Ei- und Spermabündeln frei. Hagedorn hatte das, worauf sie wartete: frische Koralleneier zur Kreuzung mit 10 Jahre altem kryokonserviertem oder gefrorenem Sperma.

Hagedorn ist außerordentlicher Professor am Hawaii Institute of Marine Biology und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Smithsonian Conservation Biology Institute. Sie hat sich einen Namen gemacht, weil sie das Gebiet der Korallenkryobiologie geschaffen hat, die Untersuchung der Reaktion von Korallenzellen bei kalten Temperaturen und die Untersuchung, ob das Einfrieren von Korallen mit flüssigem Stickstoff dazu beitragen kann, gefährdete oder bedrohte Korallenpopulationen zu erhalten und zu erweitern. Hagedorn hilft auch bei der Schaffung des ersten Genom-Repositorys für Korallenspermien. Ihr Ziel auf Curaçao war es, 10 Jahre alte Spermien mit frischen Eiern aus der westlichen Karibik zu kreuzen, um festzustellen, ob gefrorene Korallenspermien aus einem Gebiet der Karibik aufgetaut und mit Koralleneiern derselben Art in einem anderen Gebiet gekreuzt werden können.

Kryobiologie war einst das Zeug für futuristische Filme. Heute ist es vielleicht das, was Korallenriffe der Zukunft rettet. Im Oktober veröffentlichte das Zwischenstaatliche Gremium der Vereinten Nationen für Klimawandel einen Sonderbericht, in dem ein Verlust von Korallenriffen von 70 bis 90 Prozent auf der ganzen Welt aufgrund des Klimawandels prognostiziert wird. Dies ist insofern von Bedeutung, als in Korallenriffen zu einem bestimmten Zeitpunkt ihres Lebenszyklus mehr als ein Viertel aller Meereslebewesen beheimatet sind, einschließlich vieler Fischarten, die wir essen.

Medium sprach mit Hagedorn und dem Postdoktoranden Jonathan Daly, der ihre Forschung unterstützt.

Medium: Beginnen wir mit den Grundlagen. Warum ist Korallenkryobiologie wichtig?

Mary Hagedorn: Die Korallenkryobiologie kann die [lebenden Zellen] bedrohter Riffgebiete einfrieren und speichern. Dann kann dieses Material aufgetaut und verwendet werden, um beschädigte Populationen wiederzubeleben oder die Ozeane der Zukunft neu zu besäen.

Elkhornkorallen waren früher in der Karibik ziemlich häufig anzutreffen, aber jetzt ist sie eine der am stärksten bedrohten Korallen. Wie könnte Kryobiologie verwendet werden, um es wiederherzustellen?

Hagedorn: Korallen laichen jedes Jahr nur wenige Nächte und jede Nacht nur wenige Stunden. Daher ist die Zeit, die zur Untersuchung und zum Verständnis der Reaktion von Korallenzellen auf verschiedene kryobiologische Verfahren zur Verfügung steht, sehr begrenzt. Eines davon wird als assistierter Genfluss bezeichnet, wobei [Korallen-] Gene aus anderen Gebieten das Überleben einer entfernten Population derselben Art verbessern können. Es wurde bereits nachgewiesen, dass der unterstützte Genfluss in einigen Korallenpopulationen zwischen der nördlichen und der zentralen Great Barrier Reef-Koralle funktioniert. In diesem Fall bewegten sie jedoch tatsächlich die Kolonien, sodass sie frische Eier und Spermien aus den beiden Regionen kreuzten. Wir entwickeln die Werkzeuge für den unterstützten Genfluss durch Bewegen von gefrorenem Sperma. Dies ist wichtig, da Populationen, die fragmentieren, möglicherweise nicht mehr in denselben Nächten laichen, was zu mehr Isolation und Verlust der genetischen Vielfalt führt. Dies ist bereits für die bedrohten Elchhornpopulationen in den Florida Keys geschehen.

Sie haben also endlich Ihre frischen Eier mit Ihrem 10-jährigen kryokonservierten Sperma auf Curaçao gekreuzt?

Hagedorn: Es war ein sehr, sehr langer Prozess, da es sich um einen gespaltenen Laich handelte, was bedeutet, dass es im August zwei Vollmonde gab. In diesem Fall erscheinen die Korallen normalerweise beide Male. Vielleicht ist eine Zeit besser als die andere, aber Sie erhalten beide Male Material. In Curaçao ist das nicht passiert. Tatsächlich laichen sie erst am letzten Tag und wir warteten sechs Wochen. Es war brutal. Ich war die Landperson, aber es tat mir so leid für meine Kollegen, die sechs Wochen lang jede Nacht tauchten.

Bedeutet dies, dass Sie diese Korallenkreuze in Gebieten mit geringer Häufigkeit von Elchhornkorallen freigeben werden?

Hagedorn: Das darf nicht sofort passieren. Es gibt sehr strenge Zulassungsprobleme. Ich weiß die Antwort nicht. Unsere Aufgabe ist es, die Wissenschaft zu beweisen und die Befruchtung mit kryokonserviertem Sperma zu testen. Dann ist unser nächster Schritt das Gespräch mit den Managern. Wir haben ein Treffen im Dezember, um über unsere Ergebnisse zu sprechen und zu sehen, was wir von dort aus tun.

Wie schnell können wir realistisch erwarten, dass kryokonservierte Korallen in Korallenriff-Schutzpraktiken verwendet werden?

Hagedorn: Im Moment versuchen wir, eine Vielzahl von beweglichen Teilen zum Zusammenarbeiten zu bringen, z. B. das Sperma einzusammeln, diese gefrorenen Zellen an den richtigen Ort zu bringen, Genehmigungen für diese Arbeit zu erhalten und die für diese Arbeit benötigten frischen Eier zu erhalten - [ was bedeutet] lange Wochen, die darauf warten, dass Korallenpopulationen laichen - Bewertung und Befruchtung der Eier mit dem gefrorenen und aufgetauten Sperma, Aufzucht der Larven, Induzierung der Ansiedlung und Aufzucht der Siedler. Dieser Prozess ist Jahre in der Herstellung.

Gibt es Hoffnung, dass sich Korallen auf natürliche Weise an die wärmende See anpassen?

Jonathan Daly: Wir können uns Korallen hier in Kaneohe Bay, Hawaii, ansehen, um einige Antworten zu erhalten. 1970 brachte Paul Jokiel vom Hawaii Institute of Marine Biology fünf Arten in Gefangenschaft und setzte sie erhöhten Temperaturen aus. Etwa 80 Prozent der Korallen starben. Kürzlich wurde dasselbe Experiment mit denselben Tanks, derselben Spezies und denselben Temperaturspannungsprofilen wiederholt, jedoch mehr als 40 Jahre später. Erstaunlicherweise lebten 80 Prozent der Korallen. Wenn genügend Zeit zur Verfügung steht, kann sich Koralle natürlich an einige Änderungen der Meerestemperatur anpassen. Es sind schnelle und wiederholte Erwärmungsereignisse, die für Korallenpopulationen am schädlichsten sind, da die Erwärmung die Fortpflanzung stört. Ohne Reproduktion findet keine Anpassung statt.

Was kommt als nächstes?

Hagedorn: Wir werden uns in den nächsten Jahren auf mehrere Bereiche konzentrieren. Erstens die Entwicklung der Konservierungsmethoden für kleine Korallenfragmente, damit wir nicht mehr immer durch die Korallenreproduktion eingeschränkt sind. Bei Erfolg könnten diese „Mikrofragmente“ das ganze Jahr über eingefroren und dann aufgetaut und verwendet werden, um schnell neue Korallen zu erzeugen. Diese können in Gefangenschaft aufgezogen oder wieder auf Riffen platziert werden, sobald die entsprechenden Genehmigungen vorliegen.

Zweitens: Entwicklung von Techniken mit hohem Durchsatz. Bis heute produzieren die Kryokonservierungsprozesse wie das Einfrieren des Embryos am Ende des Tages nur Hunderte von gefrorenen und aufgetauten Larven. Um eine erfolgreiche Restaurationstechnik zu sein, müssen wir in wenigen Stunden Hunderttausende produzieren. Dies erfordert schnellere und mechanisiertere Prozesse zum Einfrieren und Auftauen.

Drittens: Entwicklung robusterer und verteilter Wildtierbanken auf der ganzen Welt und möglicherweise im Weltraum, die Korallenmaterial ein Jahr bis zehn oder hundert Jahre lang sicher aufbewahren können.

Koralle im Weltraum?

Hagedorn: Wir haben viel zu tun, bevor wir bereit sind, kryokonserviertes Material sicher im Weltraum zu lagern, aber wir benötigen eine ähnliche Art der Lagerung wie für Saatgut im Spitzbergen [Global Seed Vault]. An verschiedenen Orten im Weltraum können wir kryokonserviertes Material sicher bei minus 196 Grad Celsius lagern. Wir müssten einen ausreichenden Schutz für das Biomaterial entwickeln, um es vor schädlicher Strahlung zu schützen.