Пять переменных и тысячи форм: физик создала универсальную модель роста кораллов

Испанский физик Ева Льябрес проделала большой путь от изучения черных дыр до разгадки тайн коралловых рифов. С детства исследуя морской мир у берегов острова Менорка, где ее дед-рыботорговец подарил ей первую маску для снорклинга, она наблюдала за осьминогами, угрями, морскими звездами и подводными растениями. Однако в школе ее увлекли физика и математика, а в университете Барселоны она погрузилась в теоретические исследования квантовой гравитации. После защиты докторской девушка решила вернуться к истокам и изучить манящие океанские глубины уже с профессиональной точки зрения.

Главной загадкой для нее стал процесс формирования коралловых рифов – удивительных живых структур, которые одновременно являются и животными, и минеральными образованиями. Каждый коралл начинается с крошечных полипов – существ длиной менее сантиметра, родственных актиниям. Эти создания строят вокруг себя известковые чашечки из карбоната кальция, а затем размножаются бесполым путем, создавая колонии самых разных форм: от плоских выступов-полок до массивных валунов, от высоких колонн до ветвистых структур и наростов, напоминающих соцветия цветной капусты.

До последнего времени ученые не могли объяснить, почему представители одного и того же вида кораллов в разных условиях создают совершенно разные формы. Казалось бы, простые факторы среды – освещенность и течения – должны определять структуру рифов, но этого объяснения оказалось недостаточно. Нужна была компьютерная модель, способная показать, как из базовых физических правил вырастают целые подводные дворцы.

Первый шаг к разгадке Льябрес сделала, работая над совершенно другим проектом. В Институте междисциплинарной физики и сложных систем на Майорке она вместе с Томасом Синтесом и морским биологом Карлосом Дуарте из Научно-технологического университета короля Абдаллы изучала рост морской травы. Во время исследований команда заметила, что морские травы формируют сложные колонии из почкующихся клонов – точно так же, как кораллы.

Так команда решила найти математические правила формирования наиболее распространенных коралловых структур. Исследователи предположили, что разница между ростом высокой узкой колонны и куполообразного "массивного" образования заложена глубоко в биологической программе морских строителей. Задачу сформулировали как проблему оптимизации: какое минимальное количество переменных требуется для моделирования максимального числа форм?

Формирование рифов включает два основных процесса: расширение и клонирование. При расширении полипы откладывают карбонат кальция под своими телами в форме чашечек, которые постепенно увеличиваются. Когда промежуток между особями становится достаточно большим и рядом возникает свободное пространство, новые организмы начинают почковаться бесполым путем – так колония разрастается в новом направлении.

Вместо работы с отдельными организмами руководительница исследования представила базовую конструкцию в виде шестиугольных пирамидальных элементов – "гексаконусов". Каждая вершина такой фигуры соответствует полипу, а линии между точками образуют сеть треугольников. Для этой геометрической системы Льябрес разработала три основных правила роста цифрового коралла.

Первое правило касается размножения: колония разрастается, пока пространство между особями не достигает критического размера, после чего в свободном промежутке появляется новое поколение. Второе правило регулирует изменение формы "гексаконуса" в зависимости от расположения известковых отложений. Третье определяет механизм формирования боковых ветвей, отходящих от основной структуры.

После многочисленных экспериментов ученая определила четыре ключевые переменные: скорость отложения карбоната кальция, дистанцию между организмами, угол роста боковых ответвлений и промежутки между ними. Однако для завершения модели не хватало еще одного параметра, способного влиять на вертикальный или горизонтальный рост – фактора, отличающего плоские формы от массивных образований и колонн.

Прорыв произошел после многих часов программирования. Льябрес создала пятую переменную – "режим роста", которая позволила полипам в модели развиваться по-разному в зависимости от их положения в колонии. Меняя значение этой переменной, она быстро получила и массивные формы, и колонны, а затем и структуры, напоминающие цветную капусту, столы и ветви.

Докторант Элеонора Ре провела эксперименты в Красном море для проверки гипотезы. Предварительные результаты, которые будут опубликованы в этом году, показывают точное соответствие прогнозов модели реальным формам кораллов. Модель Льябрес воспроизводит больше коралловых форм, чем любая предыдущая разработка, хотя пока охватывает только несколько из множества известных вариаций.

Важность этой работы выходит далеко за рамки теоретической биологии. Коралловые рифы, которые существуют миллионы лет, сегодня оказались под угрозой из-за климатических изменений. Морские волны тепла, повышение уровня океана и его закисление угрожают как самим полипам, так и их известковым структурам и целым экосистемам, которые они поддерживают.

Модель помогает понять и пластичность кораллов – их способность приспосабливаться к новым условиям в течение жизни одной особи. В отличие от эволюционных изменений, происходящих на протяжении поколений, пластичность позволяет колониям быстро реагировать на изменения среды. Эти знания особенно важны сейчас, когда условия в океанах меняются с беспрецедентной скоростью.

Форма коралла напрямую влияет на его выживаемость. Когда сильная волна отламывает фрагмент рифа, он может прижиться на новом месте и положить начало новому сообществу – такое бесполое размножение позволяет виду осваивать новые территории. При этом хрупкие ветвистые структуры с большей вероятностью распространяются таким способом, чем массивные колонии-валуны.

Теперь Льябрес работает над тем, чтобы включить в модель ключевые факторы среды – подводные течения и интенсивность освещения. Исследовательница, перешедшая в Гавайский институт морской биологии, подчеркивает: именно эти параметры критически важны для формирования коралловых структур. Усовершенствованная модель позволит точно прогнозировать, как меняется архитектура рифов при различных условиях среды.

С помощью новой системы биологи смогут заранее определять оптимальную морфологию рифов для каждой конкретной акватории. Это особенно важно при восстановлении экосистем: одни формы кораллов лучше противостоят сильным течениям, другие эффективнее используют скудное освещение на глубине, третьи успешнее адаптируются к колебаниям температуры. Наблюдая за изменениями в прибрежных водах родной Менорки, где уже исчезли некоторые виды кораллов, исследовательница видит: выживают именно те формы, которые лучше всего соответствуют локальным условиям среды. Теперь эту природную закономерность можно будет использовать для целенаправленного восстановления популяций.