Wissenschaftler kryokonservieren und beleben Korallenfragmente in einer Weltneuheit im Naturschutz

Margaret Osborne

Täglicher Korrespondent

Zum ersten Mal ist es Forschern gelungen, Stücke erwachsener Korallen kryokonservieren und wiederzubeleben – ein Durchbruch, der letztendlich dazu beitragen könnte, Riffe zu retten, die vor den Auswirkungen des Klimawandels leiden.

Mithilfe von Frostschutzmitteln und flüssigem Stickstoff haben Wissenschaftler Korallenfragmente in einem glasartigen Zustand eingefroren, dann aufgetaut und wieder ins Meerwasser gegeben. 24 Stunden nach der Wiederbelebung verbrauchten die Korallen Sauerstoff mit einer Geschwindigkeit, die mit Korallen vergleichbar war, die noch nie kryokonserviert worden waren, berichtet das Team in einer neuen Studie, die letzte Woche in Nature Communications veröffentlicht wurde.

Diese neue Methode könnte eines Tages andere Organismen – sogar menschliche Organe – über Jahrzehnte hinweg konservieren, sagt die Meeresbiologin Mary Hagedorn, Forscherin am Smithsonian National Zoo and Conservation Biology Institute und Mitautorin der Studie. Der Durchbruch kommt zu einem kritischen Zeitpunkt für Korallenriffe, die einer erhöhten Bedrohung durch die Erwärmung der Ozeane ausgesetzt sind.

„Korallenriffe sind für die grundlegende Gesundheit unserer Ozeane von entscheidender Bedeutung, und die Kryokonservierung gefährdeter Korallenarten kann dazu beitragen, dass diese unschätzbaren und wunderbaren Organismen nicht aussterben“, sagte Matthew Powell-Palm, Maschinenbauingenieur an der Texas A&M University sagt der Hauptautor der Zeitung in einer Erklärung.

Die Entwicklung des neuen Kryokonservierungsverfahrens hat Jahre gedauert. Hagedorn und ihre Mitarbeiter leisteten zuvor Pionierarbeit bei der Kryokonservierung von Korallensperma mit Techniken, die denen ähneln, die in menschlichen Samenbanken verwendet werden.

Aber während Spermien – die einzellig sind – im Allgemeinen leichter einzufrieren sind als eine komplexere erwachsene Koralle, kann es unglaublich schwierig sein, sie zu sammeln. Korallen leben oft in abgelegenen und schwer zugänglichen Bereichen des Meeresbodens und geben ihre Spermien normalerweise nur an wenigen Tagen im Jahr ab – was den Forschern nur ein enges Zeitfenster zum Handeln lässt.

„Es kann sehr, sehr schwierig sein, zum richtigen Zeitpunkt dorthin zu gelangen“, sagt Hagedorn. „In einem Jahr haben wir es um einen ganzen Monat verpasst, weil sie früher laichen mussten, weil das Wasser warm war.“ Ein weiteres Jahr wurde das Team von einem Hurrikan heimgesucht und musste seine Arbeit aufgeben.

Korallen reagieren äußerst empfindlich auf Temperaturschwankungen. Wird es zu heiß, vertreiben sie die in ihrem Gewebe lebenden Algen und werden ganz weiß. Dieser als Korallenbleiche bekannte Prozess belastet die Organismen und macht sie anfälliger für Tod und Krankheit.

Klimawandel, Überfischung und Umweltverschmutzung haben seit 1950 bereits zum Verschwinden der Hälfte der Korallenriffe auf dem Planeten beigetragen. Die Erde hat in nur einem Jahrzehnt, zwischen 2009 und 14 Prozent ihrer Riffe verloren – eine Fläche, die größer ist als alle derzeit in Australien lebenden Korallen 2018. Und Forscher haben vorhergesagt, dass die Krise nur noch schlimmer werden wird.

In einem Bericht des International Panel on Climate Change aus dem Jahr 2018 wurde mit großer Sicherheit geschätzt, dass die Korallenriffe der Welt bei einer Erwärmung um 1,5 Grad Celsius gegenüber dem vorindustriellen Niveau um 70 bis 90 Prozent zurückgehen würden. Derzeit wird davon ausgegangen, dass der Planet diesen Schwellenwert zwischen 2030 und 2052 erreichen wird, wenn die Temperaturen weiterhin mit der derzeitigen Geschwindigkeit steigen. Und wenn die Lufttemperatur um 2 Grad Celsius steigt, werden die Riffe um 99 Prozent zurückgehen.

„Korallenriffe sind einfach zu wertvoll, um sie zu verlieren“, sagt Joe Pollock, ein leitender Wissenschaftler für die Widerstandsfähigkeit von Korallenriffen bei den Hawaii- und Palmyra-Programmen der Nature Conservancy, der nicht an der Forschung beteiligt war, in einer E-Mail. „Sie unterstützen über ein Viertel des Meereslebens, schützen unsere Küsten bei Stürmen und tragen jährlich schätzungsweise 375 Milliarden US-Dollar zur Weltwirtschaft bei.“

In diesem Jahr erreichen die Temperaturen historische Höchstwerte. Der Juli 2023 war der heißeste Juli seit Beginn der Aufzeichnungen, und Meerwassertemperaturen über 100 Grad Fahrenheit führten in Florida zu Massensterben und Bleichen von Korallen. Je weiter sich der Ozean erwärmt, desto gleichmäßiger wird die Bleiche, sagt Hagedorn.

Da der Umweltdruck auf die Riffe zunahm, benötigten die Forscher eine Kryokonservierungsstrategie, die effektiver war als die Konzentration auf Spermien.

„Wir hatten das Gefühl, dass wir schneller gehen mussten“, sagt Hagedorn. „Wir gehen zu langsam … es ist wichtig, dass wir die genetische und biologische Vielfalt erhalten, solange sie noch existiert.“

Daher begannen Hagedorn und ihre Kollegen – darunter Forscher der University of California, Berkeley und der Texas A&M University – im Jahr 2019 mit der Kryokonservierung und Wiederbelebung ganzer Fingerkorallenstücke (Porites compressa) aus Hawaii. Mit ihrem neuen Verfahren, der sogenannten isochoren Vitrifikation, konservierten sie Korallenfragmente, die jeweils aus etwa 20 einzelnen Polypen innerhalb eines Kalziumkarbonatskeletts bestanden. Diese gehören zu den komplexesten Organismen, die erfolgreich kryokonserviert und aufgetaut werden können.

„Diese Arbeit bringt das Gebiet voran, indem sie die Kryokonservierung von Korallen über Spermien und Symbionten hinaus auf ganze Korallenfragmente ausdehnt“, sagt Pollock. „Es bestehen immer noch Hindernisse für die Aufzucht dieser Fragmente über einen Tag bis zwei Tage nach dem Auftauen hinaus, aber das ist sicherlich ein bemerkenswerter Fortschritt.“

Der Prozess sei relativ einfach, sagt Hagedorn. Zunächst finden die Forscher eine gesunde erwachsene Koralle und ernten ein dünn geschnittenes Stück von der Größe eines menschlichen Daumennagels. Sie bleichen die Koralle und legen das Fragment in einen kleinen Aluminiumzylinder, der mit einer Frostschutzlösung gefüllt ist. Während das Ziel darin besteht, das Korallenstück einzufrieren, muss das Team Eisbildung vermeiden, die das Gewebe des Tieres schädigen würde. Schließlich wird der Zylinder in flüssigen Stickstoff getaucht und auf fast minus 321 Grad Fahrenheit abgekühlt, wodurch die Koralle schnell gefriert.

Um die Koralle wiederzubeleben, legen Wissenschaftler den Zylinder zwei Minuten lang in ein warmes Wasserbad, entfernen dann das Korallenfragment und geben es wieder ins Meerwasser.

„Aufgrund der Thermodynamik ist es konzeptionell kompliziert“, sagt Hagedorn. „Aber der eigentliche Prozess selbst ist wirklich kinderleicht.“

Einfachheit war Teil des Teamziels; Sie wollten ein Verfahren, das Korallenriffmanager schnell und wirtschaftlich vor Ort auf der ganzen Welt einsetzen können. Das National Zoo and Conservation Biology Institute von Smithsonian beteiligt sich an der Coral Biobank Alliance, einem Netzwerk von Fachleuten, die sich für den Erhalt der Artenvielfalt der Korallen einsetzen. Bisher hat das globale Team Spermien von 50 Korallenarten und lebende Exemplare von 200 Arten eingelagert. Letztendlich hofft Hagedorn, eine „Armee von Menschen“ zu haben, die für das Sammeln und Konservieren von Korallen ausgebildet sind – und die Biobank-Allianz möchte bis zum Ende des Jahrzehnts genetisches Material von jeder bekannten Korallenart speichern.

„Diese Studie stellt einen sehr aufregenden Durchbruch für unsere Fähigkeit als Korallenriffwissenschaftler und -manager dar, die genetische Vielfalt der Korallen zu schützen“, sagt Olivia Williamson, Korallenforscherin an der University of Miami, in einer E-Mail. Sie war an der neuen Arbeit nicht beteiligt, hat jedoch zuvor mit Hagedorn und Co-Autor Jonathan Daly von der Taronga Conservation Society Australia an der Kryokonservierung von Korallensperma zusammengearbeitet.

Williamson sagt, dass die neue Technologie an mehr Arten getestet werden muss, ist aber optimistisch, dass sie letztendlich eine „dramatische Ausweitung des Korallen-Genbankings“ ermöglichen wird.

In der neuen Studie testete das Team nur das Überleben der Koralle für 24 Stunden nach ihrer Wiederbelebung, aber Hagedorn sagt, dass sie jetzt daran arbeiten, einige ihrer Prozesse zu verfeinern, um ein Überleben von bis zu drei Wochen zu ermöglichen. Sie prognostiziert, dass die Technik später auch für die Erhaltung menschlicher Organe wie Eierstöcke, Hoden sowie embryonaler Nieren und Herzen genutzt werden könnte.

„Ich denke, es wird eine erstaunliche Entwicklung nehmen, wenn es darum geht, … mehr ganze Teile von Organismen herzustellen“, sagt sie. „Es ist eine sehr, sehr coole Technologie und die Welle der Zukunft.“

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Margaret Osborne ist eine freiberufliche Journalistin mit Sitz im Südwesten der USA. Ihre Arbeiten erschienen im Sag Harbor Express und wurden im WSHU Public Radio ausgestrahlt.