mile米乐集团 可视化珊瑚骨骼形成过程中产生的结晶颗粒

珊瑚色^※1创建一个主要由碳酸钙组成的三维骨架。分布在珊瑚表面的息肉口附近垂直生长的骨骼是舱壁^※2(kakuheki)''，是用于识别珊瑚物种的重要部分。参与珊瑚骨骼形态发生的生长钙化中心^※3其存在及其与隔墙形成的关系已从地球化学角度进行了研究。由北里大学海洋生命科学研究生院特聘助理教授大野义和、讲师安本刚、海洋生命科学研究生院研究生高桥云南（硕士一年级）、产业技术综合研究所（AIST）环境意识产业技术研究实验室（E-code）高级研究员井口亮组成的研究小组与日本电子株式会社合作，琉球大学和国立自然科学研究所国立生理科学研究所生物光子学研究部。小珊瑚虫^※4的钙化中心。

此结果由 Frontiers Media SA 于 2024 年 8 月 6 日发布“海洋科学前沿

由于珊瑚骨骼通过年轮生长，它们保存了数百年的环境记录，这使得它们可用于气候变化的高分辨率、长期重建。珊瑚碳酸钙除了钙之外还含有微量元素，这些元素的浓度受热力学定律的控制，取决于水温、盐度等，因此它们被用来重建古环境（过去海洋的pH值、温度、离子组成等）。然而，最近的研究表明，珊瑚的骨骼是受生物控制的（相关文章 1）。特别是称为钙化中心的地方，例如隔膜生物效应已收到^※10，由于微量元素的组成发生变化，人们从地质和地球化学的角度积极研究其背后的机制。此外，钙化中心不仅存在于造礁珊瑚中，也存在于生活在深海的非遗传性珊瑚中，对此的研究已经取得进展。由于珊瑚骨骼是作为化石产生的，因此它们可用于识别珊瑚物种、追踪其进化历史以及评估地质时期的古环境。

另一方面，对珊瑚的生理研究仍处于起步阶段，对骨骼形成的机制仍知之甚少。在这项研究中，我们使用显微镜长时间拍摄活珊瑚，试图揭示珊瑚隔膜形成的部分机制。

珊瑚从周围的海水中浓缩矿物质并形成碳酸钙骨架，但我们对这一机制仍有很多不了解的地方。特别是，人们早已知道钙化中心区域具有显着的生物学效应，是控制骨骼形态发生的重要区域。 20 世纪 90 年代，分析技术的进步表明，具有巨大生物效应的钙化中心具有与其他骨骼部分不同的离子组成（引用 1）。最近，已经开发出对珊瑚骨骼中微量元素组成进行高分辨率分析的方法，但还没有研究真正利用活珊瑚可视化以钙化为中心的骨骼形成过程。

在这项研究中，鹿角珊瑚 (Acropora acropora) (鹿角珊瑚）的骨骼形成过程。我们成功地拍摄了钙化中心的形成过程，该过程始于息肉底部直径几微米的微粒的出现[图3]。图像分析显示，当钙化中心形成时，首先在成骨细胞周围和之间的空间中形成称为快速增生沉积物的小颗粒，然后纤维状碳酸钙晶体生长（增厚沉积物）。我们还报道了这两个过程涉及不同的机制。

此外，体内息肉中的隔膜荧光染色^※11我们还成功地使用双光子显微镜对微粒动力学进行了图像分析。图像分析显示，隔膜的钙化中心也由细颗粒组成，并且随着细颗粒的附着，隔膜会生长。

造血型珊瑚广泛生活在热带到亚热带地区，形成各种各样的骨骼。珊瑚骨骼的三维结构为许多浅海生物提供了稳定的栖息地，并通过共生藻类的光合作用支撑着丰富的珊瑚礁生态系统。珊瑚礁是海洋中最多样化的生态系统，对于沿海保护、渔业和旅游业也很重要，据估计，它们每年在全球范围内产生价值数百万亿日元的生态系统服务（引用2）。然而，珊瑚礁面临着人类活动带来的诸多威胁，包括海水温度上升、海洋酸化、富营养化、过度捕捞、海平面上升和海洋污染，预测对造礁珊瑚的影响是一项紧迫的任务。

像本研究一样，开发使用显微镜观察活珊瑚的实验方法对于从生理角度了解珊瑚至关重要。通过使用本研究中使用的称为双光子显微镜技术的新型生物成像技术，我们将不仅能够了解珊瑚，而且能够了解各种海洋生物的生理现象。最近，除了钙离子和碳酸根离子在骨骼形成位点的化学反应外，碳酸钙骨骼前体也被用来促进珊瑚骨骼的生长。非晶结构（非晶结构）^※12的重要性目前国际上正在讨论。此外，关于骨骼生长界面上发生的物理和化学现象的争论越来越多。预计以实际活珊瑚为目标的无损成像技术的发展将揭示珊瑚骨骼形成的机制。

这项研究得到了 AIST 环保产业技术研究实验室（E-code）、日本学术振兴会科学研究补助金（23K14222、23H00339、JP22H04926）和环境省/环境恢复和保护机构的支持。这项工作得到了环境研究促进基金（JPMEERF20221C01）、全球环境研究所（RIHN14200145）、新能源与产业技术发展组织和先进生物成像平台论坛的支持。

※1 珊瑚

珊瑚属于海葵和水母（刺胞动物）科的一员，如果观察其体表，就会发现它是由许多息肉组成的。许多种类的珊瑚形成碳酸钙骨骼。其中，造礁珊瑚在骨骼沉积后成为沙滩和地貌的一部分，是热带和亚热带岛屿的重要基础物种。造礁珊瑚的特点是体内共生有大量的褐绿藻，这种共生藻类利用浅海的光进行光合作用，为造礁珊瑚提供营养。另一方面，非礁珊瑚包括宝石珊瑚，生活在光线无法到达的深海中。[返回来源]

※2 舱壁

支撑珊瑚软组织的结构。本研究中使用的鹿角珊瑚属于六珊瑚类，其径向隔膜基本上是 6 的倍数 [图 2]。大多数造礁珊瑚是六角形珊瑚，但在全球范围内面临灭绝威胁的蓝珊瑚是昂贵的珊瑚。此外，地球上最早出现的珊瑚是四通道珊瑚和地板珊瑚，但它们都是化石物种，并在古生代末期（约25亿年前）灭绝。[返回来源]

※3 钙化中心

珊瑚的生物效应很强，出现在珊瑚形成三维结构的尖端。许多研究表明，许多晶体的直径为几微米，并且中心由颗粒结构组成，与纤维状碳酸钙晶体不同（引文 3）。在这项研究中，我们使用活珊瑚进行实验，并成功识别了钙化中心的起源[图3]。[返回来源]

※4 珊瑚幼虫

如果您观察造礁珊瑚的体表，您会发现它是由许多息肉组成的。幼年珊瑚虫是一种早期珊瑚虫，在珊瑚一次性产卵后，经过浮浪幼虫（漂浮阶段），然后沉积在底部[图1]。日本已开发出使幼珊瑚息肉附着在基质上的技术，并应用于毒理学影响评估（相关文章②、相关文章③）。通过让本研究中使用的鹿角珊瑚获得虫黄藻，还可以研究共生状态的存在或不存在。[返回来源]

※5 偏光显微镜

矿物学和材料科学领域开发的一种技术，通常通过制作薄片来详细观察样品的结构和性质。幼小的珊瑚虫的底部由薄薄的骨架组成，在偏光显微镜下观察时，根据不同的晶体方向和类型会出现各种颜色（参考图）。本研究中应用了该方法，因为它可以对碳酸钙骨架进行高对比度成像。[返回来源]

※6细颗粒

据说珊瑚骨骼的晶体生长是从细颗粒的聚集开始的。在这项研究中，我们观察了钙化中心和细颗粒之间的关系。使用偏光显微镜观察到的微粒直径约为数微米[图3]，但使用双光子显微镜进行详细观察发现，小于1微米的微粒附着在钙化中心[图4]。[返回来源]

※7 扫描双光子激发激光显微镜

双光子显微镜已被开发用于详细观察生物组织和实时观察神经活动，因为焦点之外没有光化学反应，并且可以进行非常局部的荧光激发。该名称源自这样一个事实：两个低能光子（近红外辐射）同时被荧光染料吸收，激发荧光分子。由于近红外线可以深入到生物体内部，因此可以观察活珊瑚内部珊瑚壁表面的微粒子状态[图4]。虽然可以在珊瑚组织内部观察到骨骼本身[图1]，但在观察微观结构时需要采取措施防止模糊。[返回来源]

※8 μm（微米）

长度是1毫米的千分之一。在这项研究中，我们关注微米尺寸的微粒。另外，1μm的千分之一的长度为nm（纳米）。[返回来源]

※9 电子显微镜

这是一种使用电子束的观察方法。电子束是短波长的波，可以在比光学显微镜更高的放大倍率下观察。图2显示了使用扫描电子显微镜（SEM）（电子显微镜的一种）观察到的幼年珊瑚虫的骨骼表面结构。虽然电子显微镜可以以非常高的分辨率观察物体，但它们必须在真空中观察样品，这使得观察活体生物体变得困难。[返回来源]

※10 生物效应

长期以来，人们一直认为钙化中心和纤维骨架具有不同的生物效应，因为它们的结构和元素组成不同。也有人指出有机物的参与，国外称之为生命效应，对此进行了大量的研究。 [返回来源]

※11荧光染色

为了观察透明细胞和组织的特征，需要对感兴趣的区域进行染色。荧光是一种发出比照射到物质上的光波长更长的光的现象（红移），并且作为荧光染料用于研究。在这项研究中，我们使用与钙具有较高结合特性的钙黄绿素荧光染料来观察生长的珊瑚骨骼和微粒。[返回来源]

※12 非晶结构（非晶结构）

使用高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）（电子显微镜的一种），可以观察晶体结构的规则原子排列。另一方面，不具有规则原子排列的非晶结构称为非晶。就珊瑚而言，最近流行的一种理论是，首先在截骨细胞内或骨骼表面形成碳酸钙的无定形结构，然后促进晶体生长（引文 4）。在这项研究中，虽然我们能够看到主要由钙化组成的微粒，但我们得出的结论是，不可能区分活体中的晶体和非晶体。[返回来源]

1. Cuif, J P 和 Dauphin, Y (1998)。一些新造石珊瑚隔膜中“钙化中心”的微观结构和物理化学特征。古生物学杂志，72(3), 257-269.
2. Eddy, T D 等人（2021）。全球珊瑚礁提供生态系统服务的能力下降。同一个地球，4(9), 1278-1285.
3. 斯托拉斯基，J (2003)。石珊瑚骨骼的三维微米和纳米结构特征：生物钙化代理。波兰古生物学学报，48(4).
4. 吉尔伯特，P U 等人。 （2022）。生物矿化：整合机制和进化历史。科学进步，8（10），eabl9653。

①成功实现珊瑚骨骼形成的高精度可视化（2017 年 1 月 19 日 AIST 新闻稿）
②揭示陆地过量磷供应阻碍珊瑚生长的机制（2021 年 3 月 17 日 AIST 新闻稿）
③仅用一颗珊瑚虫即可进行代谢分析（2024 年 3 月 5 日 AIST 新闻稿）