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预测珊瑚礁的命运 (2020-US-45MP-615)

迈阿密大学 Anderson Mayfield 博士（助理科学家）

全球各地的珊瑚礁都受到气候变化，尤其是不断上升的海洋温度的威胁。作为海洋生物学家，我们通常会记录珊瑚礁的死亡情况，对退化的珊瑚礁进行调查，并量化因“白化”（珊瑚礁赖以生存的珊瑚虫-甲藻内共生关系的瓦解）或疾病而死亡的珊瑚的百分比。尽管这些数据对于珊瑚礁的管理至关重要，但它们来得太晚，无法使珊瑚受益。理想情况下，我们应该在珊瑚出现更明显的、更严重的健康衰退的晚期症状之前就对其进行评估。通过过去20年开展的一系列实验室和实地研究，我们现在对珊瑚应激反应中涉及的细胞级联反应有了更深入的了解；这导致了一系列假定的分子生物标记，可以用来在珊瑚死亡前主动评估其健康状况。在本演讲中，我将回顾珊瑚礁诊断领域的进展，并展示我如何利用 JMP Pro 开发具有预测能力的模型，以预测哪些珊瑚最容易受到环境变化的影响。此外，我还将介绍一种类似的方法，用于识别具有韧性的珊瑚。

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扬声器	抄本
安德森·梅菲尔德	好的，大家好，感谢收看。我叫安德森·梅菲尔德，是美国国家海洋和大气管理局以及迈阿密大学的助理科学家。
	今天我将和大家谈论我过去 20 年来为预测珊瑚礁命运所做的一些研究。
	因为我将在接下来的 35-40 分钟内尝试涵盖大量内容，所以我想从一开始就感谢我的资助机构，特别是 NSF、NOAA，
	生命海洋基金会。在我的职业生涯中，我有幸能够做的很多工作都是在偏远地区进行的。
	一些相当新的技术往往价格昂贵，所以我很幸运能够与支持这项工作的优秀机构合作。
	所以我实际上对珊瑚生物学的各个方面都很感兴趣，从基础细胞生物学开始。细胞是如何日复一日地运作的？正如我接下来要展示的，细胞非常拥挤。
	我做了很长一段时间的研究，主要是做水族馆研究，用不同的压力源，比如温度和海洋酸化，来挑战珊瑚，
	PCO2 水平。我们在微观世界和中观世界中进行了这项研究。我们称之为环境生理学……我今天要向大家展示一些这方面的数据。
	我过去几年真正了解的内容，也就是本次演讲的核心是预测。
	我这里指的是分子诊断。我们如何知道珊瑚是否生病了？我们通常等到它快要死了才诊断。我想做的是尝试……
	推动从这种追溯性诊断方法转向更主动的诊断方法。我们能否在珊瑚开始生病之前就发现它们健康状况的细微下降？
	我们能否预测未来几十年哪些会表现最佳、哪些不会？
	这就是我日复一日所做工作的核心，也是我今天要谈论的工作。
	因此，对于那些之前听过我的 JMP 演讲的人来说，我深表歉意；你们会看到很多重复的内容，
	但我主要想让大家对珊瑚礁生物学的一些知识达成共识，这对于理解珊瑚礁至关重要
	我为什么会那样做。我将讨论珊瑚礁面临的一些问题。不幸的是，我们大多数现在在珊瑚礁领域工作的人，
	研究珊瑚礁不仅仅是因为它们美丽而迷人，还因为它们正在以如此快的速度消亡。
	接下来我将讨论两种完全不同但可能互补的预测珊瑚命运的方法。其中一种方法是通过卫星数据观察全球气温趋势。这是大多数人依赖的
	就像我们现在说的那样。然后我会和你们讨论一些新数据，我会用 JMP 向你们展示如何快速地从机器上获取一些分子分析物数据
	并直接使用基于细胞的方法进行预测。因此，我们不是观察全球温度模式来预测珊瑚的健康状况，而是观察珊瑚细胞内部，看看能否诊断出任何可能出现问题的地方。
	因为我打算在相对紧凑的时间内涵盖很多内容，所以我自然会略过一些细节。所以如果你有任何疑问，我会上传
	我今天要给你们展示的所有数据。幻灯片是隐藏的。所以你们可能看到我在JMP里做了一些事情，但不明白发生了什么。
	它们实际上在 PowerPoint 里。所以如果你下载它，你就可以看到详细的、一步一步的分析细节。
	你可以这么做。可以，可以。我会把所有数据和PowerPoint都开放，所以可以给我发邮件。你也可以访问我在这里列出的个人网站。
	我非常乐意回答任何问题。我认为这些数据很重要。所以，你知道，它们还没有发表。不过，你可以随时在空闲时间查看一下。
	所以我想大多数人对珊瑚礁有一个大概的了解。我只是想从一开始就抛出它的定义：它是一种以碳酸钙为基础的结构。
	它是由动植物共生关系构建的。它们喜欢温水。但你很快就会看到，水温不要太高。
	它们通常位于赤道和热带附近，生物多样性非常高，包括鱼类和无脊椎动物。正如你从这张图片中看到的，
	那里有大量小型生物的藏身之处。这意味着它们是商业渔业的重要苗圃，并且实际上缓冲了海岸线。
	来自……海岸线免受风暴和海浪的破坏，而这些破坏为人类提供了许多生态系统服务。坦白说，这不是我研究珊瑚礁的原因。我研究它们是因为我认为
	它们很美。我喜欢潜水。而且我认为底层构建框架的生物本身就很迷人，珊瑚礁也是如此。
	礁珊瑚实际上不仅仅是一种动物。它大约一半的组织中都含有植物细胞，特别是甲藻。
	我在这里展示的这些甲藻，拗口的科名是共生甲藻科（Symbiodiniaceae），它们具有光合作用。它们像植物一样，从阳光中固定碳，然后将它们转移到宿主体内。
	是的。珊瑚可以进食；它们拥有一种特殊的刺细胞，叫做刺丝囊，所有刺胞动物都有。
	但坦白说，它们的大部分营养需求都依赖于内共生体。内共生体也正在获得
	它们从珊瑚中获取废物，用于新陈代谢。它们也找到了庇护所。这真的是一个错综复杂的
	互利共生关系是 50 多年来研究的重点，但仍有许多关键方面我们尚不了解。
	事实上，你需要知道的是，珊瑚的生理结构大约是三分之二的动物，三分之一的植物
	生理学家的观点。所以这基本上是生理上的矛盾，因为它是一种可以通过与甲藻互利共生进行光合作用的动物。
	想要了解珊瑚的健康状况，不仅要关注珊瑚本身，还要关注其内共生甲藻。实际上，这远不止于此。
	珊瑚拥有一个完整的微型生态系统，我们称之为微生物群。大量的细菌、病毒和真菌生活在珊瑚骨骼的表面、内部，甚至内部。
	今天我只想谈论甲藻和珊瑚宿主，但可以说，如果你真的想有一个整体的理解，你需要考虑整个我们所说的全生物，它是宿主和共生体的融合。
	所以我想你们大多数人可能已经知道了。珊瑚礁面临着许多全球性的威胁。比如沿海开发导致海水污染，还有过度捕捞。
	在佛罗里达州，我们尤其关注疾病问题。目前，一种名为“石珊瑚组织损失病”的疾病正在肆虐佛罗里达州的珊瑚礁。
	但从全球范围来看，我敢说，大多数珊瑚生物学家认为，珊瑚礁面临的主要威胁是气候变化。原因
	这些珊瑚基本上已经生活在它们耐热性的上限附近了。如果你把温度再提高一点
	如果它们吸收的量超过其承受能力，它们就会白化。所以你会看到这张照片里的情况。这意味着它们要么失去了甲藻。
	它们要么把它们排出体外，要么把它们消化了。甲藻可能还在珊瑚里，但它们已经失去了
	这些珊瑚不再能进行光合作用，这意味着它们不再能自我滋养。
	如果它们不能迅速重新获得共生体，或者得到流经它们的富含食物的海水的冲洗，它们就会饿死。
	因此，通常你会看到，当气温比年末平均最高温度高出约 1 摄氏度时，就会出现白化现象。
	几十年来，这一点早已为人所知。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）大约在20年前启动了一个名为“珊瑚礁观察”的项目。这是一个非常棒的网站，我推荐你去看看。它基于一个非常简单的理念：将珊瑚暴露在比正常温度更高的水中。
	长期来看，这普遍都是不好的。这个概念被称为“升温周”，我来试着解释一下。
	这是……抱歉，图片分辨率太低，不过这是他们网站上的教学图。我们来看一下这张图，因为它很重要。
	因此在左侧 y 轴上，您有代表海面温度的 SST，这是卫星推断的温度数据。
	右边是升温周，它基本上是高于正常温度的摄氏度数乘以时间的积分。所以在这个例子中，大约 29 度的蓝色阴影线是一年中最热月份的后平均值，在这个例子中，这个温度可能是
	我猜是在夏天。
	所以，当温度比过去月平均值高出一度时，你的压力就开始累积。也就是29加1等于30。
	这些珊瑚在 30 度以上停留的时间，这个例子来自帕尔米拉环礁，
	指的是累计这些“摄氏温度”的周数。所以，如果连续四周气温比月平均最高气温高出1摄氏度，那么就是4摄氏度的“摄氏温度”周。
	平均月最高气温比现在高出2摄氏度，也就是31摄氏度，持续两周，也就是4摄氏度的高温周。所以，这……
	他们的基本假设是，如果温度比月平均最高温度高出两摄氏度，并持续两周，就会导致同样的白化终点
	相当于一个学位，为期四周。从生理学家的角度来看，这可能存在一些问题，但我认为总的来说，这是一个相当不错的
	指标。他们的基本基准是，一旦气温每周超过四度，一旦进入四到八度的窗口期，你可能会开始看到白化现象。
	所以，
	他们的网站上有一些非常漂亮的动图，可以展示过去的数据。所以，我想这是过去三四个月的数据。
	这是加勒比海的情况，基本上你看到的是红色，这意味着气温将持续升高四到八度。他们预测白化现象实际上将会发生在这里。
	他们不做……NOAA 本身不做任何地面实况调查，所以
	他们依靠个人通过电子邮件和电话告知：“嘿，你知道你对我喜欢的这个特定珊瑚礁的预测是错误的。
	或者这是对的。”我想，你知道，这些天我们很多人都待在家里。我们不能潜水。
	这种计算机科学，你知道，也许是我们能做的最好的了。今年夏天，我们只需要观察气温变化，然后祈祷珊瑚能够安然度过这场风暴。
	我想说，有一种完全不同的预测方法来观察珊瑚的健康状况
	这实际上并不是在观察……所以珊瑚礁观察是在一年内观察，向你展示白化现象的进展
	一年中最热的时候。它们实际上延伸到未来四个月。所以他们的算法会尝试预测
	就像天气一样，未来四个月珊瑚礁会发生什么变化。在这个模型中，它有点像
	结合 NOAA 的珊瑚监测数据和一些基于 IBCC 气候变化模型的联合国模型……预测，
	它观察的是一些略有不同的东西。所以在这里，你看到的不是细胞内的温度，而是每年严重白化现象的开始年份。
	这是什么意思？根据气温记录和保护措施，他们预测今年……预计升温数周后，你将开始看到白化现象。
	每年都会发生。这很可怕，因为如果珊瑚白化一年，
	例如，在一个炎热的夏天，你可能会看到一些珊瑚死亡，但珊瑚会恢复。有些珊瑚会适应环境。你甚至可能会看到适应
	当珊瑚白化现象连年发生，几乎没有任何缓解的迹象时，珊瑚礁就会真正开始退化。这很可怕，因为如果你看看规模，
	2015年，显然已经过去了。我们这里有珊瑚礁（这是南佛罗里达州的地图），我们预测这些25x25公里像素区域内的珊瑚礁每年都会白化。
	所以我感兴趣的是，我是一名生理学家。我想……我不想试图反驳这些模型，我想做的是
	深入研究每一个25 x 25公里的方格，因为我们知道这些是全球尺度的模型。他们没有告诉你
	这些像素里的每一颗珊瑚都会白化。我们知道会出现异质性。我们知道会有一些更强大的物种。即使在同一个物种内，也会有更强的基因型。
	这就是像我这样的人感兴趣的。我们能否通过考虑以下因素来提高这些模型的空间分辨率，甚至时间分辨率：
	珊瑚本身的数据？这只是观察温度。我们如何才能将其与珊瑚的实际健康状况结合起来？所以在我来 NOAA 之前，
	一年半前，佛罗里达群岛上游已经完成了大量的工作，这对我来说非常好。我们已经
	珊瑚礁，我们对过去二三十年的海洋学和生态状况了如指掌。对于像我这样想去
	采集样本，进行分析，做出预测，这真的是一个很棒的设置。所以我会特别讨论四个地点。我只会讨论奇卡岩，但我只是想在这里向你们展示一下，我们已经
	我们最喜欢的近海礁石地点是The Rocks和Cheeca Rocks。Little Conch和Crocker Reef位于近海，实际上还有很多其他的礁石。
	但我们从过去二三十年的大量数据中得知，这些近海珊瑚礁具有更强的恢复力。
	珊瑚更加坚固，覆盖率更高，它们能够更好地抵抗疾病和高温。这是因为它们已经经历了压力硬化。
	这些环境非常糟糕。所以这有点矛盾，他们生活在肮脏的
	珊瑚通常无法在浑浊的海水中茁壮成长，但珊瑚已经适应了，或者说已经适应了在那里生活。所以，当未来面临压力时，它们能够更好地抵抗。所以
	虽然你可能想在离岸的珊瑚礁度假，但海水却有着加勒比海的美丽景色，
	但珊瑚看起来就像你在右边看到的一样。它们只是一小块一小块的珊瑚。大部分已经因白化和疾病而死亡。在近海珊瑚礁，你仍然可以看到这些大型的
	巨大的珊瑚群落。您在这里看到的这个物种是 Orbicella faveolata，我将在这次演讲中重点介绍它。
	你实际上可以从奇卡岩（Cheeca Rocks）拍到一些非常漂亮的照片。在一些美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的网站上，尤其是这个，你可以进行虚拟潜水。
	让我们看看 Cheeco Rocks 的温度数据，并结合我之前讲到的那些升温周来考虑一下。
	NOAA 的珊瑚礁监测预测。实际上，我是在 Graph Builder 中做的，需要说明的是，当我稍后使用 JMP 时，我实际上使用的是
	16 的测试版本。但我不会介绍任何 JMP 15 用户尚未使用的工具。
	这些都是非常基础的内容。所以，本次演讲我不会向大家展示任何 JMP 16 特有的内容。
	这里我用的是 Graph Builder，我做的是模仿 NOAA 的珊瑚监测图表，但只关注奇卡岩。左边的 y 轴代表海面温度。
	右边是升温的周数。这是奇卡岩的平均气温，一年中的最高气温出现在七月和八月。现在是31华氏度，对于珊瑚礁来说，这已经非常热了。
	如果按照联合国海洋和大气管理局（NOAA）的建议，平均月最高温度加1，那就是32度。所以珊瑚会开始承受压力。
	超过32度。你会根据气温超过32度的时间来计算供暖周数。然而，我们知道这实际上太热了。如果你
	如果以 32 为基础计算供暖周数，那么您永远不会达到供暖周四度的阈值，您可以看到这里最底部的阴影红线。
	相反，我在这个图中所做的是，将 JMP 中的供暖周计算结果重置为 31.3。这样
	有点像我们的白化阈值。我们知道，因为我们经常去这些地方，所以32太高了。一旦这些珊瑚的白化程度超过31.3
	四到八周后，珊瑚就开始白化了。所以，这并不是说 NOAA 的珊瑚监测模型不好，只是在某些特定地点，它们可能需要根据你自己的实地观察结果进行一些调整。
	所以这实际上是在回顾我们详细研究奇卡岩的这些年。你可以看到，我们在2014年和2015年首次发现了白化现象，以及那几年气温升高的周数，基于我们31.3度的数据
	阈值，也就是实红线，超过了 10，这是一个很大的数字。
	所以我们肯定会在那些年看到白化现象。异常出现在2016年。2016年在图表中有点模糊，但你可以看到最顶部，最顶部的红色部分。
	柱状图大致相当于9到10度的升温周。那一年珊瑚礁应该已经白化了，但并没有。
	所以这可能是适应过程，或者只是总体的恢复，但那是异常的一年。2017 年是较冷的一年，尽管我们经历了长达八周的高温，但珊瑚礁没有白化，但 2018 年和 2019 年都出现了白化。
	然后我今天早上更新了这个内容，将时间拉长到 2020 年，遗憾的是，几周前我第一次做这个演讲时，
	你知道，我们没有任何白化威胁，但现在你可以看到红色条已经超过 4，因为过去几周的温度已经超过 31.3，所以不幸的是，我们可能又要经历一个白化年。
	所以我们有……珊瑚的好处是它们固着，所以除了幼虫时期，它们不会移动。所以在这些地点，
	我们不仅可以去观察漂白现象
	我们年复一年地对菌落进行标记。我们可以在不同的时间对它们进行采样，观察它们的生理机能如何随着温度变化而变化。
	然后我们就可以真正地，实际上我们真的有这个奢侈，因为我们知道每年白化最终发生了什么，你知道，我们可以进行事后预测。我们知道，嘿，我在三月份取了样本；
	珊瑚在八月白化了。或许我们可以看看之前做的活检，看看能不能发现任何压力。
	我真正想做的不是关注珊瑚白化过程的时间表，因为我认为珊瑚观察在这方面做得已经足够好了，
	夏天白化现象会加剧。我们无法改善这种情况。也许你可以把时间安排得更好一些。我真正想知道的是，
	为什么在这个特定情况下，你会看到部分漂白（即 PB）、漂白（即 BL）或 NB（未漂白），为什么你会看到
	这种异质性？其实并不明显，除非你看右下角，你会看到颜色变浅的菌落。你会看到没有颜色变浅的菌落。
	为什么有些珊瑚比其他珊瑚更强壮？我们能否利用这些珊瑚群落的信息，进行一项测试，从而创建受压珊瑚群落的蛋白质组学或分子学特征？
	而不是弹性的。我认为这实际上更有用。可能不能
	……提前知道哪些珊瑚会先白化，哪些会后白化。但我们或许可以根据我的
	活检，根据我的分子分析和由此得出的预测模型，我预测这种珊瑚将能够比这边的珊瑚更好地抵抗白化。
	这就是我的目标。自从我在夏威夷读博士以来，我一直在努力解决这个问题。
	它主要进行基因表达研究，看看我们是否可以找到任何基因，这些基因会在对压力更敏感的珊瑚中突然表达。
	也许这些基因在韧性珊瑚中根本不被使用，或者恰恰相反。也许有些基因只被耐寒珊瑚使用。这些都是我们可以测量的。
	我后来发现基因表达和蛋白质浓度之间实际上没有相关性
	在珊瑚中。所以，你仍然可以使用基因数据进行生物标志物分析。基因表达数据在预测珊瑚健康状况方面可能仍然非常有用。
	但如果你想同时知道细胞内发生了什么，如果你想了解细胞的行为，你实际上需要观察蛋白质。你不能推断
	蛋白质水平与基因表达水平的相关性，因为珊瑚及其共生体的R平方基本上为零。所以大约两三年前，我的蛋白质组学研究发生了重大转变。
	所以当我第一次写这篇摘要时，我今天最初想向你们展示的是
	我们标记的菌落的现场数据显示它们的蛋白质特征如何随时间变化
	对于那些易受压力影响和适应力强的珊瑚来说。这将是我们实验室重新开放后我要做的第一件事。不幸的是，
	由于新冠疫情，我们现在不允许进行实验室工作。实际上，我们也不允许进行实地工作。所以我想向你们展示一些我认为可能仍然有用的实验数据。
	回答这些问题。基本上，我们最喜欢的珊瑚是 Orbicella faveolata。
	这是佛罗里达群岛上游的一片灰白的土地。我们从我之前给你看过的那四个油田采集了它们。
	我们做了一个简单的实验。我们进行了为期五天的研究，分别在30度的受控温度下和33度的极高温度下进行。这些将被标记为红色
	图中可能用“V”表示非常高。然后，我们做了一项更现实的研究，在相同的控制温度下进行了31天的暴露，但暴露温度更高，达到了更符合环境的32度高温。
	您记得 32 正在进入大多数珊瑚无法抵抗长时间暴露于 32 的区域。
	所以我做的...嗯，我想做的是观察这些珊瑚的细胞，看看是否存在只在白化的珊瑚中发现的蛋白质。
	是否有一些特性只存在于具有适应能力的坚韧生物中？
	所以我采用了散弹枪蛋白质组学方法。简单来说，就是用质谱法对样本中的所有蛋白质进行测序。
	如果你深入研究分子分析和质谱仪的细节，就会发现这根本不简单。今天就不深入探讨这些了，只是想提一下，我们用的是这个
	赛默飞世尔科技公司（Thermo Fisher）的Q Exactive质谱仪，堪称迄今为止最优秀的分析仪器之一。它的功能和灵敏度令人惊叹。
	但我想再次强调，当你对珊瑚进行这类分析时，我们会得到珊瑚蛋白，你也会得到甲藻蛋白。同时观察两者非常重要。你可能……

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