En overlevelsesstrategi hos koraller kan blive dødelig under hedebølger

Koralrevene er allerede under pres fra stigende havtemperaturer, der kan blege koraller, når varmen varer i uger eller måneder. Men hvad sker der under korte hedebølger? Hvor stor skade kan dage – eller ligefrem timer – med ekstrem varme gøre?

Forskere ved Københavns Universitet har undersøgt, hvordan den hårdføre, revbyggende koralart Porites lutea reagerer på kortvarig ekstrem varme. Med højhastighedskameraer, fluorescerende partikler, der viste både vandets bevægelse og iltindhold, og en matematisk model for ilttransport fulgte de den samme kæde af begivenheder fra flere vinkler: I takt med at temperaturen steg, slog millioner af hårlignende fimrehår hurtigere og ventilerede korallens overflade – indtil den samme vandstrøm begyndte at holde iltfattigt vand fanget tæt på vævet.

“Den bratte temperaturstigning kan lyde ekstrem, men den bliver desværre stadig mere virkelighedsnær,” siger Cesar Pacherres, marinbiolog ved Københavns Universitet og hovedforfatter til den nye artikel, der er offentliggjort i Science Advances.

En revbygger med alger som bofæller

Koraller kan ligne en mellemting mellem en plante og en sten, men de er i virkeligheden dyr, der lever i tæt samspil med mikroskopiske alger.

Koraldyret er et lille hvirvelløst dyr med tentakler, der kaldes en polyp. Når en fritsvømmende korallarve sætter sig på et egnet underlag, danner den en polyp, som kloner sig selv tusindvis af gange og bygger et kalkholdigt skelet som et etagebyggeri i form af en koralkoloni. Men polypperne kan ikke klare sig alene: De tager alger ind som logerende, og huslejen betales i energi. “Algerne udfører fotosyntese og leverer ilt og sukker. Sukkeret overføres til koraldyret og kan faktisk dække op mod 90 % af dets energibehov,” siger medforfatter Michael Kühl, mikrobiel økolog ved Københavns Universitet.

Under længerevarende marine hedebølger kan koraldyret miste sine alger og blive afbleget. Fænomenet optræder stadig hyppigere i stor skala og kan ramme hele rev som Great Barrier Reef ud for Australiens kyst. Koralblegning er dog ikke nødvendigvis en dødsdom.

“Koraldyret forbliver i live i et stykke tid, men sulter og bliver mere eller mindre gennemsigtigt, så man kan se det hvide skelet gennem vævet,” siger Kühl. Falder temperaturen igen, kan korallen optage nye alger fra det omgivende havvand og komme sig. Men sker det ikke inden for nogle få uger, kan polypperne dø, og skaden bliver uoprettelig.

Koralrev kan også blive ramt af korte, intense hedebølger, der kan slå koraller ihjel, før de når at blive afbleget. “Det er en påvirkning, der skader selve koraldyret direkte,” understreger Kühl. “Algerne ser faktisk ud til at have det fint.” Pacherres og hans kolleger ville derfor undersøge, hvad der sker, når korte perioder med ekstrem varme skader dyret direkte, før algerne giver op.

Som forsøgsdyr valgte forskerne Porites lutea, en massiv revbygger, der er vidt udbredt på koralrev i Indo-Stillehavsområdet. Arten er blandt de mere hårdføre koraller. “Det er en af de sidste arter, der dør under omfattende blegningshændelser,” siger Pacherres. “Man skal presse den meget langt, før den bryder sammen.”

Hårlignende cilier dækker korallens overflade. Når de slår koordineret, bevæger de havvand hen over vævet og hjælper med at forsyne koraldyret med ilt.

Når korallens ventilation vender sig mod den

For at se, hvordan selve koraldyret reagerer på varmestress, slukkede forskerne lyset. I mørke kan algerne ikke bidrage med ilt og energi, og korallen er derfor helt afhængig af ilt fra det omgivende havvand.

I laboratoriet hævede Pacherres og hans kolleger havvandets temperatur én grad ad gangen fra koralvenlige 27 °C til ekstreme 41 °C over cirka 14 timer. Kontrolkorallerne blev holdt ved 27 °C i samme tidsrum. Forskerne filmede de små cilier gennem et mikroskop med omkring 1.000 billeder i sekundet og brugte avancerede billedteknikker til at følge, hvordan fimrehårene bevægede vand og ilt hen over korallens overflade.

“Vi tilsatte fluorescerende partikler til vandet, som skiftede farve afhængigt af iltkoncentrationen. Ved at filme deres bevægelse hen over korallernes overflade kunne vi måle både vandets hastighed og iltindhold,” siger Pacherres. Partiklerne skifter nemlig farve i forhold til iltkoncentrationen. Tilsammen viste forsøgene, hvor hurtigt cilierne slog, hvor kraftigt de satte vandet i bevægelse, og om strømningen førte ilt frem til koralvævet.

I begyndelsen skiftede cilierne op i et højere gear og slog omtrent én ekstra gang i sekundet for hver grad, temperaturen steg. “Når cilierne bevæger sig synkront, danner de små strømhvirvler, der cirkulerer i havvandet tæt ved korallens overflade på en skala under en millimeter,” siger Kühl. Jo hurtigere vandet cirkulerede, desto mere ilt blev ført frem til koralvævet.

Korallens cilier skaber små hvirvler i vandet lige over overfladen. Ved moderate temperaturer hjælper denne cirkulation med at transportere ilt hen mod koralvævet.

Når hurtigere slag ikke længere hjælper

Men da forskerne skruede yderligere op for varmen, holdt de hurtigere slag op med at hjælpe. Cilierne bevægede sig stadig, og vandet hvirvlede fortsat rundt, men de iltkort, forskerne fremstillede, viste, at iltfattigt vand blev liggende tæt på korallen, netop som dyret havde brug for mere ilt – ikke mindre. Derefter begyndte den synkroniserede ventilation at bryde sammen.

Problemet er, forklarer Kühl, at varmere polypper har brug for mere ilt. Ved temperaturer over cirka 35 °C kunne den ciliedrevne ventilation ikke længere genoprette iltniveauet omkring korallens overflade hurtigt nok. I stedet holdt hvirvlerne iltfattigt vand tæt på overfladen, mens korallens stofskifte accelererede.

“Vandet i hvirvlerne bliver holdt tæt på korallens overflade i længere tid, og korallen optager mere og mere ilt,” siger Kühl. “I bund og grund skiftede cilieventilationen fra at være gavnlig til at blive skadelig.” Forskernes matematiske model nåede frem til samme konklusion: Når iltbehovet overstiger ciliernes evne til at forny vandet, begynder der at opstå iltfattige områder i korallens væv.

Ved omkring 36–37 °C begyndte ciliernes synkroniserede bevægelse at bryde sammen. “Ja, de slog hurtigt, men stadig mere ude af takt. Nogle begyndte at gøre noget andet, fulgte ikke længere nabocilierne, eller også bevægede kun halvdelen af cilierne sig,” siger Pacherres. “Ved 37 °C gjorde de fleste cilier, hvad de ville, og ved 39 °C holdt de op med at slå.”

Kort over iltforholdene omkring korallens overflade viser, hvordan opvarmning ændrer det tynde vandlag omkring dyret. Ved høje temperaturer kan iltfattigt vand blive holdt tæt på vævet, samtidig med at korallens behov for ilt stiger.

Kan korallen komme sig, når varmen slår ventilationen fra?

Forsøget pressede bevidst korallerne ud i ekstreme, men ikke urealistiske temperaturforhold. Hurtige temperatursvingninger over tilsvarende tidsrum er blevet registreret på koralrev under ekstreme marine hedebølger, og andre undersøgelser har vist, at lavt iltindhold kan sænke den temperatur, hvor koraller begynder at bleges. Varme- og iltstress overlapper ofte i havet: Varmt, stille vand kan øge korallens iltbehov, samtidig med at det bliver vanskeligere at udskifte det tynde vandlag omkring dyret.

Pacherres og Kühl understreger dog, at der er brug for mere forskning for at forstå, hvordan forskellige koraller reagerer under ekstreme forhold, og om nogle kan komme sig efter korte perioder med meget høje temperaturer. “Havvandet bliver naturligt varmere og koldere i løbet af døgnet og med tidevandet, og det skaber karakteristiske temperaturmønstre på det enkelte koralrev,” siger Kühl.

Selv korte pauser i varmen kan give korallerne mulighed for at regulere sig på måder, som forsøgets jævne temperaturstigning ikke kunne indfange. Den tærskel, forskerne fandt, skal derfor ikke betragtes som en universel temperaturgrænse, der gælder direkte for alle koralrev.

Forsøgene i mørke fortæller desuden kun halvdelen af historien. I dagslys kan algerne producere så meget ilt, at korallen står med det modsatte problem og har brug for cilierne til at føre ilten væk. Tidligere forskning i korallers iltdynamik peger i samme retning: Det tynde grænselag omkring koralvævet kan skifte mellem for lidt og for meget ilt afhængigt af lys, vandbevægelse og temperatur.

“De tærskler, der blev observeret i undersøgelsen, bør betragtes som et bedst tænkeligt scenarie og ikke som en målestok for alle koralarter,” siger Pacherres. Porites er kendt for at være hårdfør, og forsøget i mørke og med svag vandstrøm var designet til at isolere ciliernes funktion – ikke til at genskabe et helt koralrev. “De fleste andre koraller vil sandsynligvis nå deres kritiske temperaturtærskel ved lavere temperaturer end Porites. Det skal vi nu undersøge nærmere.”