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預測珊瑚礁的命運 (2020-US-45MP-615)

邁阿密大學 Anderson Mayfield 博士（助理科學家）

全球各地的珊瑚礁都受到氣候變化，尤其是不斷上升的海洋溫度的威脅。作為海洋生物學家，我們通常會記錄珊瑚礁的死亡情況，對退化的珊瑚礁進行調查，並量化因「白化」（珊瑚礁賴以生存的珊瑚蟲-甲藻內共生關係的瓦解）或疾病而死亡的珊瑚的百分比。儘管這些數據對於珊瑚礁的管理至關重要，但它們來得太晚，無法使珊瑚受益。理想情況下，我們應該在珊瑚出現更明顯的、更嚴重的健康衰退的晚期症狀之前就對其進行評估。透過過去20年開展的一系列實驗室和實地研究，我們現在對珊瑚壓力反應中​​涉及的細胞級聯反應有了更深入的了解；這導致了一系列假定的分子生物標記，可以用來在珊瑚死亡前主動評估其健康狀況。在本演講中，我將回顧珊瑚礁診斷領域的進展，並展示我如何利用 JMP Pro 開發具有預測能力的模型，以預測哪些珊瑚最容易受到環境變化的影響。此外，我還將介紹一種類似的方法，用於識別具有韌性的珊瑚。

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揚聲器	抄本
安德森·梅菲爾德	好的，大家好，感謝收看。我叫安德森‧梅菲爾德，是美國國家海洋暨大氣總署以及邁阿密大學的助理科學家。
	今天我將和大家談論我過去 20 年來為預測珊瑚礁命運所做的一些研究。
	因為我將在接下來的 35-40 分鐘內嘗試涵蓋大量內容，所以我想從一開始就感謝我的資助機構，特別是 NSF、NOAA，
	生命海洋基金會。在我的職業生涯中，我有幸能夠做的許多工作都是在偏遠地區進行的。
	一些相當新的技術往往很昂貴，所以我很幸運能夠與支持這項工作的優秀機構合作。
	所以我實際上對珊瑚生物學的各個方面都很感興趣，從基礎細胞生物學開始。細胞是如何日復一日運作的？正如我接下來要展示的，細胞非常擁擠。
	我做了很長一段時間的研究，主要是做水族研究，用不同的壓力源，例如溫度和海洋酸化，來挑戰珊瑚，
	PCO2 水平。我們在微觀世界和中觀世界中進行了這項研究。我們稱之為環境生理學……我今天要向大家展示一些這方面的數據。
	我過去幾年真正了解的內容，也就是這次演講的核心是預測。
	我這裡指的是分子診斷。我們如何知道珊瑚是否生病了？我們通常等到它快要死了才診斷出來。我想做的是嘗試…
	推動從這種追溯性診斷方法轉向更主動的診斷方法。我們能否在珊瑚開始生病之前就發現它們健康狀況的細微下降？
	我們能否預測未來幾十年哪些會表現最佳、哪些不會？
	這就是我日復一日所做工作的核心，也是我今天要談的工作。
	因此，對於那些之前聽過我的 JMP 演講的人來說，我深表歉意；你們會看到很多重複的內容，
	但我主要想讓大家對珊瑚礁生物學的一些知識達成共識，這對於理解珊瑚礁至關重要
	我為什麼會那樣做。我將討論珊瑚礁面臨的一些問題。不幸的是，我們大多數現在在珊瑚礁領域工作的人，
	研究珊瑚礁不僅是因為它們美麗而迷人，還因為它們正在以如此快的速度消亡。
	接下來我將討論兩種完全不同但可能互補的預測珊瑚命運的方法。其中一種方法是透過衛星資料觀察全球氣溫趨勢。這是大多數人依賴的
	就像我們現在說的。然後我會和​​你們討論一些新數據，我會用 JMP 向你們展示如何快速地從機器上取得一些分子分析物數據
	並直接使用基於細胞的方法進行預測。因此，我們不是觀察全球溫度模式來預測珊瑚的健康狀況，而是觀察珊瑚細胞內部，看看能否診斷出任何可能出現問題的地方。
	因為我打算在相對緊湊的時間內涵蓋很多內容，所以我自然會略過一些細節。所以如果你有任何疑問，我會上傳
	我今天要給你們展示的所有數據。幻燈片是隱藏的。所以你們可能看到我在JMP裡做了一些事情，但不明白發生了什麼事。
	它們實際上在 PowerPoint 裡。所以如果你下載它，你就可以看到詳細的、一步一步的分析細節。
	你可以這麼做。可以，可以。我會把所有資料和PowerPoint都開放，所以可以寄email給我。你也可以造訪我在這裡列出的個人網站。
	我非常樂意回答任何問題。我認為這些數據很重要。所以，你知道，它們還沒有發表。不過，你可以隨時在空閒時間查看一下。
	所以我想大多數人對珊瑚礁有一個大致的了解。我只是想從一開始就拋出它的定義：它是一種以碳酸鈣為基礎的結構。
	它是由動植物共生關係所建構的。它們喜歡溫水。但你很快就會看到，水溫不要太高。
	它們通常位於赤道和熱帶附近，生物多樣性非常高，包括魚類和無脊椎動物。正如你從這張圖片中看到的，
	那裡有大量小型生物的藏身之處。這意味著它們是商業漁業的重要苗圃，並且實際上緩衝了海岸線。
	來自…海岸線免受風暴和海浪的破壞，而這些破壞為人類提供了許多生態系統服務。坦白說，這不是我研究珊瑚礁的原因。我研究它們是因為我認為
	它們很美。我喜歡潛水。而且我認為底層建造框架的生物本身就很迷人，珊瑚礁也是。
	礁珊瑚其實不只是一種動物。它大約一半的組織中都含有植物細胞，特別是甲藻。
	我在這裡展示的這些甲藻，拗口的科名是共生甲藻科（Symbiodiniaceae），它們具有光合作用。它們像植物一樣，從陽光中固定碳，然後將它們轉移到宿主體內。
	是的。珊瑚可以吃；它們擁有一種特殊的刺細胞，叫做刺絲囊，所有刺胞動物都有。
	但坦白說，它們的大部分營養需求都依賴內共生體。內共生體也正在獲得
	它們從珊瑚中獲取廢物，用於新陳代謝。它們也找到了庇護所。這真的是一個錯綜複雜的
	互利共生關係是 50 多年來研究的重點，但仍有許多關鍵方面我們尚不了解。
	事實上，你需要知道的是，珊瑚的生理結構大約是三分之二的動物，三分之一的植物
	生理學家的觀點。所以這基本上是生理上的矛盾，因為它是一種可以透過與甲藻互利共生進行光合作用的動物。
	想要了解珊瑚的健康狀況，不僅要關注珊瑚本身，也要注意其內共生甲藻。實際上，這遠不止於此。
	珊瑚擁有一個完整的微型生態系統，我們稱之為微生物群。大量的細菌、病毒和真菌生活在珊瑚骨骼的表面、內部，甚至內部。
	今天我只想談論甲藻和珊瑚宿主，但可以說，如果你真的想有一個整體的理解，你需要考慮整個我們所說的全生物，它是宿主和共生體的融合。
	所以我想你們大多數人可能已經知道了。珊瑚礁面臨許多全球性的威脅。例如沿海開發導致海水污染，還有過度捕撈。
	在佛羅裡達州，我們尤其關注疾病問題。目前，一種名為「石珊瑚組織損失病」的疾病正在肆虐佛羅裡達州的珊瑚礁。
	但從全球來看，我敢說，大多數珊瑚生物學家認為，珊瑚礁面臨的主要威脅是氣候變遷。原因
	這些珊瑚基本上已經生活在它們耐熱性的上限附近了。如果你把溫度再提高一點
	如果它們吸收的量超過其承受能力，它們就會白化。所以你會看到這張照片裡的情況。這意味著它們要么失去了甲藻。
	它們要么把它們排出體外，要么把它們消化了。甲藻可能還在珊瑚裡，但它們已經失去了
	這些珊瑚不再能進行光合作用，這意味著它們不再能自我滋養。
	如果它們不能迅速重新獲得共生體，或者得到流經它們的富含食物的海水的沖洗，它們就會餓死。
	因此，通常你會看到，當氣溫比年末平均最高溫度高出約攝氏 1 度時，就會出現白化現象。
	幾十年來，這一點早已為人所知。美國國家海洋暨大氣總署（NOAA）大約在20年前啟動了一個名為「珊瑚礁觀察」的計畫。這是一個非常棒的網站，我推薦你去看看。它基於一個非常簡單的概念：將珊瑚暴露在比正常溫度更高的水中。
	長期來看，這普遍都是不好的。這個概念被稱為“升溫週”，我來試著解釋一下。
	這是……抱歉，圖片解析度太低，不過這是他們網站上的教學圖。我們來看這張圖，因為它很重要。
	因此在左側 y 軸上，您有代表海面溫度的 SST，這是衛星推斷的溫度資料。
	右邊是升溫週，基本上它是高於正常溫度的攝氏度數乘以時間的積分。所以在這個例子中，大約 29 度的藍色陰影線是一年中最熱月份的後平均值，在這個例子中，這個溫度可能是
	我猜是在夏天。
	所以，當溫度比過去月平均值高出一度時，你的壓力就開始累積。也就是29加1等於30。
	這些珊瑚在 30 度以上停留的時間，這個例子來自帕爾米拉環礁，
	指的是累計這些「攝氏溫度」的周數。所以，如果連續四周氣溫比月平均最高氣溫高出攝氏4度，那就是4攝氏度的「攝氏溫度」週。
	平均月最高氣溫比現在高出攝氏2度，也就是攝氏31度，持續兩週，也就是4度的高溫週。所以，這…
	他們的基本假設是，如果溫度比月平均最高溫度高出兩攝氏度，並持續兩週，就會導致同樣的白化終點
	相當於一個學位，為期四週。從生理學家的角度來看，這可能存在一些問題，但我認為總的來說，這是一個相當不錯的
	指標。他們的基本基準是，一旦氣溫每週超過四度，一旦進入四到八度的窗口期，你可能會開始看到白化現象。
	所以，
	他們的網站上有一些非常漂亮的動圖，可以顯示過去的數據。所以，我想這是過去三、四個月的數據。
	這是加勒比海的情況，基本上你看到的是紅色，這意味著氣溫將持續升高四到八度。他們預測白化現象實際上將會發生在這裡。
	他們不做…NOAA 本身不做任何地面實況調查，所以
	他們依靠個人透過電子郵件和電話告知：「嘿，你知道你對我喜歡的這個特定珊瑚礁的預測是錯的。
	或者這是對的。 「我想，你知道，這些天我們很多人都待在家裡。我們不能潛水。
	這種計算機科學，你知道，也許是我們能做的最好的事了。今年夏天，我們只需要觀察氣溫變化，然後祈禱珊瑚能夠安然度過這場風暴。
	我想說，有一種完全不同的預測方法來觀察珊瑚的健康狀況
	這其實不是在觀察…所以珊瑚礁觀察是在一年內觀察，向你展示白化現象的進展
	一年中最熱的時候。它們實際上延伸到未來四個月。所以他們的演算法會嘗試預測
	就像天氣一樣，未來四個月珊瑚礁會發生什麼變化。在這個模型中，它有點像
	結合 NOAA 的珊瑚監測數據和一些基於 IBCC 氣候變遷模型的聯合國模型…預測，
	它觀察的是一些略有不同的東西。所以在這裡，你看到的不是細胞內的溫度，而是每年嚴重白化現象的開始年份。
	這是什麼意思？根據氣溫記錄和保護措施，他們預測今年…預計升溫數週後，你將開始看到白化現象。
	每年都會發生。這很可怕，因為如果珊瑚白化一年，
	例如，在一個炎熱的夏天，你可能會看到一些珊瑚死亡，但珊瑚會恢復。有些珊瑚會適應環境。你甚至可能會看到適應
	當珊瑚白化現象連年發生，幾乎沒有任何緩解的跡象時，珊瑚礁就會真正開始退化。這很可怕，因為如果你看看規模，
	2015年，顯然已經過去了。我們這裡有珊瑚礁（這是南佛羅裡達州的地圖），我們預測這些25x25公里像素區域內的珊瑚礁每年都會白化。
	所以我感興趣的是，我是一名生理學家。我想……我不想試圖反駁這些模型，我想做的是
	深入研究每一個25 x 25公里的方格，因為我們知道這些是全球尺度的模型。他們沒有告訴你
	這些像素裡的每一顆珊瑚都將被白化。我們知道會出現異質性。我們知道會有一些更強大的物種。即使在同一個物種內，也會有更強的基因型。
	這就是像我這樣的人感興趣的。我們能否透過考慮以下因素來提高這些模型的空間分辨率，甚至是時間分辨率：
	珊瑚本身的數據？這只是觀察溫度。我們如何將其與珊瑚的實際健康狀況結合？所以在我來 NOAA 之前，
	一年半前，佛羅裡達群島上游已經完成了大量的工作，這對我來說非常好。我們已經
	珊瑚礁，我們對過去二三十年的海洋學和生態狀況瞭如指掌。對於像我這樣想去
	採集樣本，進行分析，做出預測，這真的是一個很棒的設定。所以我會特別討論四個地點。我只會討論奇卡岩，但我只是想在這裡向你們展示一下，我們已經
	我們最喜歡的近海礁石地點是The Rocks和Cheeca Rocks。 Little Conch和Crocker Reef位於近海，實際上還有很多其他的礁石。
	但我們從過去二三十年的大量數據中得知，這些近海珊瑚礁具有更強的復原力。
	珊瑚更加堅固，覆蓋率更高，它們能夠更好地抵抗疾病和高溫。這是因為它們已經經歷了壓力硬化。
	這些環境非常糟糕。所以這有點矛盾，他們活在骯髒的
	珊瑚通常無法在渾濁的海水中茁壯成長，但珊瑚已經適應了，或者說已經適應了在那裡生活。所以，當未來面臨壓力時，它們能夠更好地抵抗。所以
	雖然你可能想在離岸的珊瑚礁度假，但海水卻有著加勒比海的美麗景色，
	但珊瑚看起來就像你在右邊看到的一樣。它們只是一小塊一小塊的珊瑚。大部分已經因白化和疾病而死亡。在近海珊瑚礁，你仍然可以看到這些大型的
	巨大的珊瑚群落。您在這裡看到的這個物種是 Orbicella faveolata，我將在這次演講中重點介紹它。
	你實際上可以拍到一些非常漂亮的照片，尤其是在奇卡岩（Cheeca Rocks）上。在一些美國國家海洋暨大氣總署（NOAA）的網站上，你可以進行虛擬潛水。
	讓我們看看 Cheeco Rocks 的溫度數據，並結合我之前講到的那些升溫週來考慮一下。
	NOAA 的珊瑚礁監測預測。實際上，我是在 Graph Builder 中做的，需要說明的是，當我稍後使用 JMP 時，我實際上使用的是
	16 的測試版本。但我不會介紹任何 JMP 15 用戶尚未使用的工具。
	這些都是非常基本的內容。所以，本次演講我不會向大家展示任何 JMP 16 特有的內容。
	這裡我用的是 Graph Builder，我做的是模仿 NOAA 的珊瑚監測圖表，但只專注在奇卡岩。所以左邊的 y 軸代表的是海面溫度。
	右邊是升溫的周數。這是奇卡岩的平均氣溫，一年中的最高溫度出現在七月和八月。現在是31華氏度，對於珊瑚礁來說，這已經非常熱了。
	如果按照聯合國海洋暨大氣總署（NOAA）的建議，平均月最高溫度加1，那就是32度。所以珊瑚會開始承受壓力。
	超過32度。你會根據氣溫超過32度的時間來計算暖氣週數。然而，我們知道這實際上太熱了。如果你
	如果以 32 為基礎計算暖氣週數，那麼您永遠不會達到暖氣週四度的門檻，您可以看到這裡最底部的陰影紅線。
	相反，我在這個圖中所做的是，將 JMP 中的暖氣週計算結果重設為 31.3。這樣
	有點像是我們的白化閾值。我們知道，因為我們常常去這些地方，所以32太高了。一旦這些珊瑚的白化程度超過31.3
	四到八週後，珊瑚就開始白化了。所以，這並不是說 NOAA 的珊瑚監測模型不好，只是在某些特定地點，它們可能需要根據你自己的實地觀察結果進行一些調整。
	所以這其實是在回顧我們詳細研究奇卡岩的這些年。你可以看到，我們在2014年和2015年首次發現了白化現象，以及那幾年氣溫升高的周數，基於我們31.3度的數據
	閾值，也就是實紅線，超過了 10，這是一個很大的數字。
	所以我們肯定會在那些年看到白化現象。異常出現在2016年。 2016年在圖表中有點模糊，但你可以看到最頂部，最頂部的紅色部分。
	長條圖大致相當於9到10度的升溫週。那一年珊瑚礁應該已經白化了，但並沒有。
	所以這可能是適應過程，或只是整體的恢復，但那是異常的一年。 2017 年是較冷的一年，儘管我們經歷了長達八週的高溫，但珊瑚礁沒有白化，但 2018 年和 2019 年都出現了白化。
	然後我今天早上更新了這個內容，將時間拉長到 2020 年，遺憾的是，幾週前我第一次做這個演講時，
	你知道，我們沒有任何白化威脅，但現在你可以看到紅色條已經超過 4，因為過去幾週的溫度已經超過 31.3，所以不幸的是，我們可能又要經歷一個白化年。
	所以我們有…珊瑚的好處是它們固著，所以除了幼蟲時期，它們不會移動。所以在這些地點，
	我們不僅可以去觀察漂白現象
	我們年復一年地對菌落進行標記。我們可以在不同的時間對它們進行採樣，觀察它們的生理機能如何隨著溫度變化而改變。
	然後我們就可以真正地，實際上我們真的有這個奢侈，因為我們知道每年白化最終發生了什麼，你知道，我們可以進行事後預測。我們知道，嘿，我在三月取了樣本；
	珊瑚在八月白化了。或許我們可以看看之前做的活檢，看看能不能發現任何壓力。
	我真正想做的不是專注於珊瑚白化過程的時間表，因為我認為珊瑚觀察在這方面做得已經足夠好了，
	夏天白化現象會加劇。我們無法改善這種情況。也許你可以把時間安排得更好。我真正想知道的是，
	為什麼在這個特定情況下，你會看到部分漂白（即 PB）、漂白（即 BL）或 NB（未漂白），為什麼你會看到
	這種異質性？其實並不明顯，除非你看右下角，你會看到顏色變淺的菌落。你會看到沒有顏色變淺的菌落。
	為什麼有些珊瑚比其他珊瑚更強壯？我們能否利用這些珊瑚群落的信息，進行一項測試，從而創建受壓珊瑚群落的蛋白質體學或分子學特徵？
	而不是彈性的。我認為這實際上更有用。可能不能
	……事先知道哪些珊瑚會先白化，哪些會後白化。但我們或許可以根據我的
	活檢，根據我的分子分析和由此得出的預測模型，我預測這種珊瑚將能夠比這邊的珊瑚更好地抵抗白化。
	這就是我的目標。自從我在夏威夷讀博士以來，我一直在努力解決這個問題。
	它主要進行基因表現研究，看看我們是否可以找到任何基因，這些基因會在對壓力更敏感的珊瑚中突然表達。
	也許這些基因在韌性珊瑚中根本不被使用，或者相反。也許有些基因只被耐寒珊瑚使用。這些都是我們可以測量的。
	我後來發現基因表現和蛋白質濃度之間其實沒有相關性
	在珊瑚中。所以，你仍然可以使用基因數據進行生物標記分析。基因表現數據在預測珊瑚健康狀況方面可能仍然非常有用。
	但如果你想同時知道細胞內發生了什麼，如果你想了解細胞的行為，你實際上需要觀察蛋白質。你不能推斷
	蛋白質水平與基因表現量的相關性，因為珊瑚及其共生體的R平方基本上為零。所以大約兩、三年前，我的蛋白質體學研究發生了重大轉變。
	所以當我第一次寫這篇摘要時，我今天最初想向你們展示的是
	我們標記的菌落的現場數據顯示它們的蛋白質特徵如何隨時間變化
	對於那些易受壓力影響和適應力強的珊瑚來說。這將是我們實驗室重新開放後我要做的第一件事。不幸的是，
	由於新冠疫情，我們現在不允許進行實驗室工作。實際上，我們也不允許進行實地工作。所以我想向你們展示一些我認為可能仍然有用的實驗數據。
	回答這些問題。基本上，我們最喜歡的珊瑚是 Orbicella faveolata。
	這是佛羅裡達群島上游的一片灰白的土地。我們從我之前給你看過的四個油田採集了它們。
	我們做了一個簡單的實驗。我們進行了為期五天的研究，分別在30度的受控溫度下和33度的極高溫度下進行。這些將被標記為紅色
	圖中可能用“V”表示非常高。然後，我們做了一項更現實的研究，在相同的控制溫度下進行了31天的暴露，但暴露溫度更高，達到了更符合環境的32度高溫。
	您記得 32 正在進入大多數珊瑚無法抵抗長時間暴露於 32 的區域。
	所以我做的...嗯，我想做的是觀察這些珊瑚的細胞，看看是否存在只在白化的珊瑚中發現的蛋白質。
	是否有一些特性只存在於具有適應能力的堅韌生物中？
	所以我採用了散彈槍蛋白質體學方法。簡單來說，就是用質譜法對樣本中的所有蛋白質進行定序。
	如果你深入研究分子分析和質譜儀的細節，你會發現根本不簡單。今天就不深入探討這些了，只是想提一下，我們用的是這個
	賽默飛世爾科技公司（Thermo Fisher）的Q Exactive質譜儀，堪稱迄今最優秀的分析儀器之一。它的功能和靈敏度令人驚嘆。
	但我想再次強調，當你對珊瑚進行這類分析時，我們會得到珊瑚蛋白，你也會得到甲藻蛋白。同時觀察兩者非常重要。你可能…

基礎資料分析與建模實驗設計預測模型和機器學習品質與工藝工程可靠度分析