Skocz do zawartości
Osmodeusz

Co tak naprawdę dzieje się w budowaniu szkieletów w koralowcach twardych

Rekomendowane odpowiedzi

cover-image
 
 

Wprowadzenie

Proces wapnienia lub biomineralizacji w koralowcach SPS jest często ciężki dla większości ludzi. Zawsze zastanawiałem się, co tak naprawdę dzieje się za sceną. Poprzez badania przejrzałem niektóre prace badawcze, aby pomóc nam lepiej zrozumieć, w jaki sposób nasza hodowla i konserwacja naszych akwariów może wpływać na wzrost naszych koralowców. Podzieliłem się swoją wiedzą poniżej i podzieliłem wszystko na łatwe do przyswojenia sposoby.

Zacznijmy od podstaw, nasze koralowce SPS składają się z trzech głównych części: szkieletu, polipów i zooxantelli. Każdy z nich odgrywa własną rolę w konstruowaniu i utrzymaniu koralowców, które większość z nas ma w naszych akwariach.

Szkielet koralowca jest najłatwiejszy do zrozumienia, zapewnia wsparcie strukturalne i schronienie dla polipów i zooxantelli. Prostym wyjaśnieniem jest to, że polipy koralowe i zooxantellae są w symbiozie. Polipy koralowe zapewniają ochronę i zasoby, takie jak dwutlenek węgla i woda, która powstaje jako produkt uboczny oddychania komórkowego dla zooxantelli. W zamian zooksantelle zamieszkują bezpieczne i bogate w zasoby środowisko, aby poddać się fotosyntezie, zużywając wodę i dwutlenek węgla do produkcji energii dla polipa koralowego. Inne składniki odżywcze, takie jak azot i fosfor, mogą być pozyskiwane przez każdy organizm za pomocą innych mechanizmów, takich jak heterotrofia.
 

Biologia i anatomia koralowców kamiennych

Zanim przejdziemy do procesu wapnienia, zrozumienie biologii i anatomii polipa koralowego, a także niektórych podstawowych właściwości chemicznych, może dać lepszy wgląd w przebieg tego procesu.
 

Polipy

Kiedy mówimy o polipach, często mówimy o widocznych mackach, które możemy zobaczyć. Jesteśmy również w stanie zobaczyć usta polipa, a w rzadkich przypadkach możemy nawet zajrzeć do wnętrza jamy ustnej do jamy żołądka.
 

Coenosarc

Wokół każdego polipa znajduje się śródkostniak. Jest to warstwa skóry, która pokrywa szkielet kostny i łączy cały koral w jedną kolonię. To właśnie na tym obszarze często przebywają zooxantelle.
 

Coelenteron

Poniżej naczyniaka znajduje się warstwa tkanek jamy ustnej i tkanki aboralnej. Między tkanką jamy ustnej a tkanką aboralną istnieje celenteron; jest to warstwa, która działa jak żołądek, który jest połączony między pobliskimi polipami. Pod tkankami aboralnymi znajduje się wapniejący płyn, który oddziela kość śródkostną od szkieletu kostnego.

W uproszczeniu, coenosarc to warstwa łącząca wszystkie polipy i mieszcząca zooxantelle. W jamie ustnej woda morska jest utrzymywana z dala od celenteronu (połączonego żołądka) przez warstwę tkanki jamy ustnej. Warstwa tkanki aboralnej znajduje się pod spodem i istnieje po to, aby oddzielać celenteron od szkieletu kostnego, a także ułatwiać zwapnienie szkieletu kostnego.

 

Opera-Zrzut-ekranu_2021-08-23_215454_www

Anatomia koralowców. Zaczerpnięte z „Coral Bleaching” Pappasa M. (2020).

 

 

 

Szkielet

Teraz, gdy wiemy, co znajduje się nad szkieletem, czym dokładnie jest szkielet koralowca? Jeśli kiedykolwiek łamałeś koralowce kamienne, wiesz, że szkielet koralowców może być naprawdę gęsty i twardy do tego stopnia, że możesz potrzebować piły taśmowej do wykonania cięcia. Ten szkielet jest wykonany z aragonitu, który w rzeczywistości jest głównie węglanem wapnia; ten sam materiał, który znajduje się w skorupkach jaj i wapieniu. Różnica między węglanem wapnia w skorupce jaja a węglanem wapnia w aragonicie to struktura molekularna, orientacja i inne cząsteczki śladowe. Podobnie jak węgiel i diament, oba składają się z węgla, jednak jeden jest kruchy w dotyku, a drugi jest najtwardszym materiałem na ziemi.
 

Chemia

Aby minerały istniały w stanie stabilnym, ich ładunek musi być neutralny. Wzór chemiczny węglanu to CO3-2. Wapnia jonu znajduje się w +2 opłat, a opisana Ca + 2. Ładunek +2 z jonu wapnia może wiązać się z ładunkiem -2 z jonu węglanowego tworzącego CaCO3, znanego również jako węglan wapnia . Jednak węglan istnieje w ciągłym przeciąganiu liny, zwanym równowagą, występując w innych formach oprócz CO3-2, których nasze koralowce potrzebują do swoich szkieletów, takich jak HCO3- ( wodorowęglan ) oraz H2CO3 ( kwas węglowy ). Zauważ, że H2CO3 (zasadniczo powstaje w wyniku interakcji między CO2, dwutlenkiem węgla i H2O, wodą) ma ładunek neutralny, podobnie jak węglan wapnia i jest uważany za stan stabilny.
 

pH

W krótkim wyjaśnieniu pH to stężenie jonów wodorowych, znane również jako kwasowość wody. Woda ma pH 7, to jest neutralne. Jeśli pH jest poniżej 7, jest uważane za kwaśne, zawierające więcej jonów wodorowych (H+). Jeśli pH jest powyżej 7, jest znane jako bardziej alkaliczne lub zasadowe, z większą ilością jonów wodorotlenowych (OH-). pH jest ważne, ponieważ determinuje biodostępność składników odżywczych w ich postaci użytkowej, a także wpływa na formę niektórych cząsteczek i minerałów.

Jeśli pH jest niskie, a jony H+ są łatwo dostępne, CO3-2 znacznie łatwiej staje się neutralny, wiążąc się z jonami H+. Kiedy pH wzrasta, a jony H+ są mniej łatwo dostępne, CO3-2 staje się główną postacią, w której można znaleźć węglan. Jeśli spojrzysz na wykres równowagi węglanowej online, możesz zauważyć, że aby węglan istniał w CO3 2, pH musi wynosić co najmniej 8,0, aby istniała nawet niewielka ilość CO3-2. Przy pH około 8,4 H2CO3 zaczyna tworzyć się mniej, a stężenie CO3-2 zaczyna rosnąć, co oznacza, że aby nasz szkielet z węglanu wapnia mógł się niezawodnie tworzyć, potrzebujemy pH wyższego niż 8,4, ale pH 8,4 może mieć ujemny wpływ na biodostępność składników odżywczych, a także przeżywalność koralowców. Tak jak nasze ciała ewoluowały do pH 7,35-7,45, nasze enzymy i inne białka działają najlepiej w tym pH. Wszelkie dramatyczne zmiany pH mogą skutkować zmniejszoną funkcjonalnością lub całkowitą utratą funkcji enzymów.
 

Nasycenie i rozpuszczalność

Drugą koncepcją, którą powinniśmy zrozumieć, są mechanizmy nasycenia i rozpuszczalności. W kategoriach laika rozpuszczalność to to, jak łatwo jedna substancja może zostać rozpuszczona w innej substancji, a nasycenie to stopień, w jakim jedna substancja jest rozpuszczona w innej substancji. Możemy użyć cukru i wody, aby zademonstrować te koncepcje. Gdy cukier dodaje się do wody i miesza, cukier ma tendencję do rozpuszczania się w wodzie, nie pozostawiając pozostałości; to jest rozpuszczalność, cukier jest rozpuszczalny w wodzie i rozpuszcza się. Gdy dodaje się za dużo cukru; Twoja mieszanka cukru i wody staje się w pełni nasycona. Gdy woda jest całkowicie nasycona cukrem, dodatkowy cukier, który dodasz, nie będzie już rozpuszczał się w wodzie i zobaczysz cukier na dnie kubka. Często możesz to zaobserwować, gdy dodasz zbyt dużo cukru do kawy lub gorącej czekolady, a gdy skończysz pić, zobaczysz, że granulki cukru powoli przesuwają się w kierunku krawędzi kubka. Nasycenie i rozpuszczalność można zmieniać i zmieniać w zależności od innych czynników, takich jak temperatura i pH. Dlatego, gdy podgrzewasz filiżankę wody, która jest w pełni nasycona cukrem, możesz uzyskać więcej cukru do rozpuszczenia w wodzie.
 

Chemia i mechanizm zwapnienia koralowców

 

Opera-Zrzut-ekranu_2021-08-23_215243_med

 

 

 

Mechanizmy zaangażowane w zwapnienie koralowców. Zdjęcie zaczerpnięte z „ Wapnienie koralowców w zmieniającym się świecie i interaktywna dynamika regulacji w górę pH i DIC ” przez McCulloch MT, D'Olivo JP, Falter J., Holcomb M. i Trotter JA. (2017)

Podsumowując, szkielet koralowca składa się głównie z węglanu wapnia (CaCO3). CaCO3 składa się z jonów Ca+2 i CO3-2, które rozpuszczają się w wodzie. Ca+2 może wiązać się tylko z CO3-2 ze względu na ładunek +2 jonu wapnia i ładunek -2 jonu CO3. CO3-2 może występować w 3 formach (H2CO3, HCO3- i CO3-2) w zależności od pH i zacznie występować w wyższych stężeniach, gdy pH wzrośnie nieco powyżej 8,2. Wraz ze wzrostem pH zmniejsza się rozpuszczalność CaCO3 w wodzie (Hart, PW et. al. 2011). Oznacza to, że wraz ze wzrostem pH zmniejsza się ilość CaCO3, która może pozostać rozpuszczona w wodzie. W rezultacie, jeśli pH jest wysokie, a stężenie CaCO3 jest wystarczająco wysokie, spowoduje to wytrącenie CaCO3 z wody i powrót do postaci stałej. To jest podstawa budowy szkieletu koralowców.

Na początek zwapnienie występuje w przestrzeni podkalikoblastycznej (McCulloch, MT i wsp. 2017). Jest to przestrzeń, która istnieje pod warstwą tkanki aboralnej poniżej celenteronu (połączonego żołądka). Warstwy tkanki pomiędzy nimi mają pompy, które mogą przenosić jony potrzebne do zwapnienia z żołądka koralowca do przestrzeni między tkanką a szkieletem. Aby uprościć ścieżkę, będziemy śledzić każdy z elementów z osobna.

Ca+2 :
 

  1. Ca+2 jest wchłaniany do jamy żołądka z pożywienia lub wody
  2. Pompa, która znajduje się w warstwie aboralnej, zwana Ca+2-ATPazą, wypycha jon Ca+2 z żołądka do przestrzeni podkalikoblastycznej w zamian za 2 jony wodorowe (H+)
    1. Powoduje to spadek pH w żołądku, do którego wpompowywane są jony H+, oraz wzrost pH w warstwie podkalikoblastycznej, z której wypompowywane są jony H+.
  3. Ca+2 reaguje z wolnym CO3-2 w przestrzeni podkalikoblastycznej, tworząc CaCO3

CO3-2 :
 
  1. CO3-2 może wejść do obiegu z dwóch źródeł
    1. CO2 ze środowiska
      1. Rozpuszczony w wodzie morskiej przez atmosferę
      2. Wydychany z innych organizmów, które wykorzystują oddychanie komórkowe
        1. Ryby
        2. Życie w oceanie
        3. Zooxantellae
  2. CO2 jest wchłaniany do koelenteronu wraz ze spożyciem pokarmu lub jako produkt uboczny oddychania komórkowego.
  3. Za pomocą niskiego pH w koelenteronie spowodowanego przez jony H+ pompowane do niego z Ca+2-ATPazy i niektórych enzymów, CO2 jest przekształcany w H2CO3 i HCO3-
  4. HCO3- wchodzi w przestrzeń podkalikoblastyczną
    1. Przez dyfuzję
      1. HCO3- naturalnie przechodzi przez warstwę aboralną i wpada do przestrzeni podkalikoblastycznej
    2. Aktywnym transportem
      1. Białka przenoszą HCO3- przez warstwę za pomocą energii lub nośnika
    3. Przez reakcję metaboliczną
      1. CO2 emitowany przez komórki kalikoblastyczne jako produkt uboczny oddychania komórkowego jest emitowany do przestrzeni subkalikoblastycznej
      2. CO2 reaguje z H2O w środowisku o wysokim pH, tworząc HCO3- i H+
  5. HCO3- znajduje się w środowisku o wysokim pH i przechodzi w formę CO3-2
  6. CO3-2 reaguje z jonami Ca+2 w przestrzeni podkalikoblastycznej, tworząc CaCO3

CaCO3 ma wiele form, o których wspomnieliśmy wcześniej, może być tak delikatny jak skorupka jajka lub mocny jak koralowa podstawa. Powstająca forma CaCO3 nazywana jest amorficznym węglanem wapnia (ACC), który jest najmniej stabilną formą. Aby temu przeciwdziałać i uczynić ACC bardziej stabilnym, koralowiec wytwarza cząsteczki matrycy organicznej, które pomagają w stabilizacji i są osadzane razem, tworząc aragonit.
 

Czynniki, które mogą wpływać na zwapnienie

Każdy, kto próbował utrzymać koralowce SPS, może zgodzić się, że istnieje wiele czynników, które mogą wpływać na tempo wzrostu. W tej sekcji pokrótce wyjaśnimy, w jaki sposób różne czynniki mogą wpływać na tempo zwapnienia.
 
Lekki
  1. Karmi zooxantellae, które dzielą zasoby i energię z koralami
  2. Dostarczona energia może być wykorzystana do zasilania pomp potrzebnych do transportu jonów
  3. Nadmierne światło może powodować wybielanie
Nieorganiczne składniki odżywcze
  1. Składniki odżywcze, takie jak azot i fosfor, są budulcem białek.
  2. Nadmierne ich stężenie może powodować nadmierny wzrost skóry koralowców, powodując nieprzyjemne zabarwienie koralowca
Środowisko
  1. pH i zasadowość mogą bezpośrednio wpływać na dostępność potrzebnych jonów, takich jak Ca+2 i HCO3-2
  2. Nadmierne zmiany mogą również wpływać na funkcjonalność białek organicznych
Żywność
  1. Karmienie koralowców może pomóc w zwiększeniu ilości organicznych składników odżywczych dostępnych dla koralowców
  2. Nadmierne karmienie może zmniejszyć wybarwienie, ponieważ koralowiec jest teraz mniej zależny od zooxantelli
  3. Nie rekompensuje całkowicie energii dostarczanej przez zooxantelle
Genetyka
  1. Zooxanthellae i sam koral mają DNA, które wpływa na ich funkcjonalność
  2. Może wystąpić adaptacja do innego środowiska, co może zmienić szybkość zwapnienia lub zabarwienia
  3. Jeśli koralowce lub zooxantelle nie są w stanie przystosować się do nowego środowiska, takiego jak oświetlenie lub pH, może to wpłynąć na ich zdolność do rozwoju


Poprzez rozbicie wszystkiego zapewnia głębsze zrozumienie tego, jak nasze działania mogą wpływać na nasze koralowce. Zawsze lepiej jest zrozumieć, dlaczego robimy to, co robimy, zamiast robić to tylko dla samego robienia. Mam nadzieję, że ten artykuł był tak ciekawą lekturą, jak dla mnie badania. Dziękuję za przeczytanie.

Cytowane zasoby
  1. Falini G., Fermani S. i Goffredo S. " Biomineralizacja koralowców: nacisk na wewnątrzszkieletową macierz organiczną i zwapnienie " . Seminaria z biologii komórkowej i rozwojowej, tom 46,2015, strony 17-26, ISSN 1084-9521, https://doi.org/10.1016/j.semcdb.2015.09.005
  2. Giuffre AJ, Gagnon AC, De Yoreo JJ i Dove PM „ Izotopowy znacznik dowodzi przemiany amorficznego węglanu wapnia w kalcyt przez rozpuszczanie-ponowne wytrącanie. Geochimica et Cosmochimica Acta, tom 165, 2015, strony 407-417, ISSN 0016-7037, https://doi.org/10.1016/j.gca.2015.06.002
  3. Grottoli AG, Dalcin Martins P., Wilkins MJ, Johnston MD, Warner ME, Cai WJ, Melman TF, Hoadley KD, Pettay DT, Levas S. i Schoepf V. „ Fizjologia koralowców i dynamika mikrobiomu w warunkach połączonego ocieplenia i zakwaszenia oceanów.  PloS 1 , 13 (1), 2018; e0191156. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0191156
  4. Hart P., Colson G. i Burris J. „ Zastosowanie dwutlenku węgla w celu zmniejszenia osadzania się kamienia po stronie wody w wymianie ciepła. ”J. Nauki i Techniki Produktów i Procesów Leśnych. 1. 67-70 (2012).
  5. McCulloch M., D'Olivo J., Falter J., Holcomb M. i Trotter JA „ Zwapnienie koralowców w zmieniającym się świecie i interaktywna dynamika wzrostu pH i DIC.  Nat Commun 8, 15686 (2017). https://doi.org/10.1038/ncomms15686
  6. NOAA.  Zooxanthellae… Co to jest? ”. Strona National Ocean Service, dostęp 16 lipca 2021 r. https://oceanservice.noaa.gov/education/tutorial_corals/coral02_zooxanthellae.html
  7. Osinga R., Schutter M., Griffioen B., Wijffels RH, Verreth JA, Shafir S., Henard S., Taruffi M., Gili C. i Lavorano S. „ Biologia i ekonomia wzrostu koralowców.  Marine biotechnologii (New York, NY) , 13 (4), 658-671 (2011). https://doi.org/10.1007/s10126-011-9382-7
  8. Pappas M. “ Wybielanie koralowców. ” Emerging Creatives of Science, (19 października 2020 r.) Dostęp 18 lipca 2021 r. https://www.emergingcreativesofscience.com/post/coral-bleaching
  9. Schutter M., Van der Ven R., Janse M., Verreth J., Wijffels R. i Osinga R. „ Intensywność światła, czas trwania fotoperiodu, dzienny strumień światła i wzrost koralowców Galaxea fascicularis w warunkach akwariowych: kwestia fotony?  Journal of Marine Biological Association of the United Kingdom, 92 (4), 703-712 (2012). https://doi.org/10.1017/S0025315411000920
  10. Venn AA, Tambutté E., Caminiti-Segonds N., Teacher N., Allemand D. i Tambutté S. „ Wpływ światła i ciemności na regulację pH u trzech gatunków koralowców narażonych na zakwaszenie wody morskiej.  Science Rep 9, 2201 (2019). https://doi.org/10.1038/s41598-018-38168-0
  11. Veron JEN, Stafford-Smith MG, Turak E. i DeVantier LM „ Korale świata ”. (2016) Dostęp 16 lipca 2021. http://www.coralsoftheworld.org/page/structure-and-growth/
  12. Wang X., Zoccola D., Liew YJ, Tambutte E., Cui G., Allemand D., Tambutte S. i Aranda M., „ The Evolution of Calcification in Reef-Building Corals ”, Molecular Biology and Evolution , 2021; msab103, https://doi.org/10.1093/molbev/msab103
Edytowane przez Osmodeusz

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach

Jeśli chcesz dodać odpowiedź, zaloguj się lub zarejestruj nowe konto

Jedynie zarejestrowani użytkownicy mogą komentować zawartość tej strony.

Zarejestruj nowe konto

Załóż nowe konto. To bardzo proste!

Zarejestruj się

Zaloguj się

Posiadasz już konto? Zaloguj się poniżej.

Zaloguj się

×