英國南安普頓大學領導的一項新研究揭示了為什麼珊瑚礁會在看似缺乏營養的水域中蓬勃發展，這一現象自查爾斯-達爾文以來一直令科學家們著迷。研究表明，珊瑚靠光合共生體–生活在細胞內的微型藻類–養殖和進食。這種素食使珊瑚能夠利用以前被認為無法獲得的大量營養物質。實際上，它們是通過吃一些共生藻來獲得生存所需的營養。

南安普頓大學的一項研究揭示，珊瑚以生活在其細胞內的微小藻類為食，從而獲得了以前認為無法獲得的營養源。這一發現解答了一個被稱為”達爾文珊瑚礁悖論”的長期謎團，解釋了珊瑚如何在缺乏營養的水域中繁衍生息。

領導這項研究的南安普頓大學珊瑚礁實驗室主任約爾格-維登曼（Jörg Wiedenmann）教授評論說： 達爾文的珊瑚礁悖論”是關於為什麼珊瑚礁會在營養物質匱乏的海洋中生長的問題，它啟發人們發現了有助於解釋這一現象的幾個重要過程。我們現在可以為這一謎題增添缺失的部分，幫助解開這個長期存在的謎團”。

珊瑚礁為許多生物提供家園和覓食地。圖片來源：Wiedenmann / D’Angelo / 南安普頓大學

他介紹說，查爾斯-達爾文（Charles Darwin）乘坐”小獵犬號”（HMS Beagle）起航時，他認為自己是一名地質學家，在熱帶海洋航行期間，他很快對珊瑚礁的形成地點和原因產生了興趣。達爾文正確地預測了地殼下沉和珊瑚穩步向上生長是如何相互作用形成巨大珊瑚礁結構的。然而，這種蓬勃生長背後的生物機制仍未得到研究”。

石珊瑚是一種軟體生物，有些人可能覺得它們像植物，但實際上它們是動物。這些生物由許多單獨的珊瑚蟲組成，它們聚居在一起，秘密地形成石灰岩骨架，形成我們所知的’珊瑚礁’三維框架。

珊瑚礁是重要的水下生態系統，造福於許多人類社區。珊瑚礁是無數生物的家園和覓食地，維持著全球海洋生物多樣性的25%。它們為地球上大約5 億人提供食物和收入。

珊瑚礁上的單細胞共生藻，顯示其通過細胞分裂生長。圖片來源：Wiedenmann / D’Angelo / 南安普頓大學

珊瑚動物依賴於一種”共生”關係，即與生活在其細胞內的微小藻類之間的互利關係。光合藻類產生大量富碳化合物（如糖），並將其轉移到宿主珊瑚體內以產生能量。

共生藻還能非常有效地從海水中吸收硝酸鹽和磷酸鹽等溶解的無機營養物質。即使在缺乏營養的海洋中，這些化合物也可以作為生活在附近的海綿等生物的排泄物而大量存在。它們還可以通過洋流轉移到珊瑚礁上。

與它們的共生體不同，珊瑚的宿主不能直接吸收或利用溶解的無機營養物質，直到現在，人們還不清楚這些營養物質是如何促進珊瑚生長的。不過，南安普頓大學的科學家與英國蘭卡斯特大學、特拉維夫大學和以色列耶路撒冷大學等合作團隊一起，已經確定了這些必要的生長營養物質轉移到珊瑚動物體內的機制。

他們的研究成果發表在《自然》雜誌上。

南安普頓大學珊瑚礁實驗室的實驗水族箱。圖片來源：Wiedenmann / D’Angelo / 南安普頓大學

通過在南安普頓大學珊瑚礁實驗室進行一系列長期實驗，科學家們證明，珊瑚實際上消化了部分共生藻群，以獲取共生藻從水中吸收的氮和磷。如果水中有足夠的溶解無機營養物質，即使珊瑚沒有獲得額外的食物，這種機制也能讓它們快速生長。在印度洋偏遠珊瑚礁環礁的實地考察結果支持了實驗室的研究成果，證明這種機制在生態系統層面上促進了野生珊瑚的生長。

南安普頓珊瑚生物學副教授、主要作者之一塞西莉亞-達安傑洛博士評論說：”多年來，我們一直在實驗水族箱系統中繁殖共生珊瑚，我們觀察到，即使不餵食，它們也能生長得很好。根據目前的知識水平，我們無法解釋共生雙方是如何交換養分的，因此我們認為我們缺少了重要的一環，並開始系統地分析這一過程”。

海鳥為印度洋的珊瑚礁引入營養物質。圖片來源：蘭卡斯特大學尼克-格雷厄姆（Nick Graham

珊瑚礁實驗室的研究員洛雷托-馬多內斯-韋洛佐博士（Loreto Mardones-Velozo）進行了關鍵的實驗，他補充說：”我們可以預料到，動物會死亡或在珊瑚礁中發現營養物質，人們會認為，如果不吃東西，動物就會死亡或停止生長。然而，如果我們把珊瑚放在溶解無機營養物質水平較高的水中，它們看起來非常快樂，而且生長迅速。”

研究人員使用一種特殊標記的化合物來追踪共生夥伴之間必需營養元素氮的移動。實驗中使用的化學形式的氮只能被共生體整合到它們的細胞中，而不能被珊瑚宿主整合到細胞中。

南安普頓大學穩定同位素質譜實驗室經理巴斯蒂安-漢巴赫（Bastian Hambach）解釋說：”我們利用同位素標記技術，在提供給珊瑚的營養物質中’添加’比正常重的氮原子。這些同位素使我們能夠利用超靈敏檢測方法追踪珊瑚對營養物質的使用情況。”

Cecilia D’Angelo 博士在南安普頓大學珊瑚礁實驗室繁殖珊瑚。圖片來源：Wiedenmann / D’Angelo / 南安普頓大學

南安普頓大學古海洋學家保羅-威爾遜（Paul Wilson）教授解釋說：”通過這項技術，我們可以明確地證明，維持珊瑚組織生長的氮原子來自於實驗中餵給其共生體的溶解無機營養物質”。

南安普頓大學的約爾格-維登曼（Jörg Wiedenmann）教授補充說：”我們使用了10 種不同的珊瑚物種來量化共生體種群是如何隨宿主一起增長的。利用共生體生長的數學模型，我們可以證明珊瑚消化了其共生體種群的多餘部分，為其生長獲取營養。我們的數據表明，大多數共生珊瑚可以通過這種’素食’來補充營養”。

科學家們還對生長在印度洋島嶼周圍的珊瑚進行了分析，一些珊瑚上有海鳥，一些則沒有，結果表明珊瑚有可能在野外養殖共生體並以其為食。

實驗珊瑚Stylophora pistillata 的生長。圖片來源：Mardones-Velozo / D’Angelo / Wiedenmann / 南安普頓大學

蘭卡斯特大學海洋生態學家尼克-格雷厄姆（Nick Graham）教授解釋說：” 其中一些島嶼周圍的珊瑚礁有大量的養分，這些養分來自鳥糞，即在島上築巢的海鳥的排泄物。在其他一些島嶼上，海鳥的繁殖地已經被入侵的老鼠消滅殆盡。因此，相關珊瑚礁獲得的養分也減少了。我們測量了有密集海鳥群和沒有密集海鳥群的島嶼周圍鹿角珊瑚群的生長情況，發現在有海鳥提供養分的珊瑚礁上，鹿角珊瑚的生長速度要快兩倍多。我們計算出，在有海鳥棲息的島嶼上，珊瑚動物組織中約有一半的氮分子可以追溯到共生體的吸收以及隨後向宿主的轉移”。

科學家監測印度洋珊瑚礁上的珊瑚生長情況，研究海鳥營養物質的影響。資料來源：蘭卡斯特大學，尼克-格雷厄姆

通常由人類活動造成的過度營養富集會損害珊瑚，並對許多珊瑚礁構成日益嚴重的威脅。然而，由於全球變暖可能會切斷珊瑚礁的一些天然供應路線，未來一些珊瑚礁獲得的養分可能會減少。

南安普頓大學的D’Angelo 博士解釋說：”變暖的表層水更不可能從深水層獲得養分。水體生產力的降低會導致共生體的營養物質減少，進而導致珊瑚動物的食物減少”。

科學家們的新發現表明，雖然珊瑚動物可以通過捕食其共生體來忍受短暫的飢餓，但在某些地區，由於全球變暖帶來的更長時間的營養物質枯竭，一些珊瑚礁可能會面臨飢餓的風險。