全球首创生物墨水面世！SNAP‑X仿生材料，或突破珊瑚修复瓶颈

本文来源于海潮天下（Marine Biodiversity）

▲上图：珊瑚礁是海洋生态系统中的关键组成部分，具有多种重要的生态功能。它是众多海洋生物的“家园”，还为沿岸地区提供保护，抵御波浪的侵蚀。珊瑚礁还参与了全球碳循环，对调节气候变化也起着重要作用。上图是潜水所摄珊瑚礁。©摄影师：赵宇 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

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在海洋中，珊瑚礁是一类特别重要的生态系统。它们不仅为无数海洋生物提供了栖息地，也与沿海人类社会息息相关。从渔业、旅游业，到海岸线的防护，珊瑚礁的存在无疑对人类社会具有巨大的价值。然而，近年来，由于气候变化、海水升温、污染和人类活动的影响，全球大部分珊瑚礁面临前所未有的退化风险。科学研究显示，如果不采取有效措施，到2050年，全球约70%~90%的珊瑚礁将遭受严重破坏。

在珊瑚礁的恢复过程中，有一个非常关键的环节常常被忽视，那就是珊瑚幼体的“定居”——科学上称为“定植”。

简单来说，就是珊瑚宝宝们从水中自由漂浮的阶段，最终找到合适的地方“落户安家”的过程。这个阶段的成功与否，直接影响着珊瑚礁是否能够重新生长和恢复。但是，由于海洋环境的变化，珊瑚幼体常常找不到理想的定植地点，导致珊瑚礁恢复工程难以取得预期的成果。

近期，“海潮天下”小编注意到，由美国加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所主导的一个国际科研团队，提出了一种比较新的思路。他们开发出一种名为“SNAP-X”的仿生材料，旨在模仿自然健康珊瑚礁中某些微妙的“化学线索”，帮助珊瑚幼体更容易地识别、并选择适合定植的微环境。相关研究成果在线发表在了《趋势生物技术》（Trends in Biotechnology）期刊上。

SNAP-X的设计灵感来自于一种被称为“壳状珊瑚藻”（Crustose Coralline Algae, 简称CCA）的海洋藻类。这类藻类在健康珊瑚礁中十分常见，它们能分泌一些特殊的化学物质，被称为“外代谢产物”。这些化学物质可以释放到周围海水中，成为珊瑚幼体识别环境的“信号”，进而诱导它们在这些区域定植。换句话说，这些化学物质就像是一种“气味”或“提示”，帮助珊瑚宝宝找到合适的家。

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壳状珊瑚藻 (Crustose Coralline Algae, CCA) 是一类钙化的红色藻类，在全球海洋环境中形成坚硬的覆盖层，它们通过胶结珊瑚礁结构、促进珊瑚幼虫附着、贡献碳酸盐以及作为食物来源，在维持珊瑚礁生态系统的稳定和健康方面发挥着关键作用，但也因此极易受到海洋酸化的威胁。上图是在美属萨摩亚国家海洋保护区，呈现粉红色的壳状珊瑚藻。图源：美国国家海洋和大气管理局（NOAA）

不过，在许多退化的珊瑚礁区域，壳状珊瑚藻的数量已经大幅减少。这导致海水中的这些化学“信号”也相应减少，使得珊瑚幼体难以感知到应有的“落户指示”，从而无法有效地完成定植。为了解决这一难题，研究团队提出，是否可以人为制造出类似的“化学信号”，并借助先进材料技术，将其释放到海洋中，从而为珊瑚幼体营造一个“熟悉”的环境。

基于这一设想，科研人员利用仿生学、纳米技术和水凝胶材料，成功研制出SNAP-X材料。这个材料的核心在于它的“纳米颗粒”，这些颗粒中装载了从壳状珊瑚藻中提取出来的外代谢产物。为了让这些颗粒能够稳定地在海水中释放信号，研究人员将其包裹进一种特别设计的水凝胶中。水凝胶的好处是，它既可以稳定地“锁住”这些化学物质，又能在一段时间内缓慢地释放出来，从而模拟自然的“信号释放”过程。

研究人员利用一种名为SNAP-X的软生物材料，该材料包含二氧化硅纳米粒子、生物聚合物和藻类代谢产物，旨在模拟健康珊瑚礁中壳状珊瑚藻（CCA）释放的化学信号。上图来源：Kundu, Samapti et al.(2025)

整个SNAP-X材料的结构大致可以理解为：一个充满微小孔隙的软性水凝胶，其中分布着许多携带信号的纳米颗粒。

这些纳米颗粒释放的外代谢物，在海水中形成一个“化学晕圈”，相当于给珊瑚幼体创造了一个“你可以在这里落户”的指示灯。

▲上图：用于珊瑚礁修复和混合珊瑚礁工程的、能够增强珊瑚幼虫附着的SNAP-X涂层。该涂层旨在模拟健康珊瑚礁中壳状珊瑚藻（CCA）释放的化学信号，来促进珊瑚幼虫在人工或自然基质上的定殖，从而提高珊瑚礁的恢复效率。上图来源：Kundu, Samapti et al.(2025)

在实验阶段，研究团队首先在实验室环境下对SNAP-X的功能进行了验证。他们选择了夏威夷地区的一种典型珊瑚种类——表孔珊瑚（Montipora capitata）作为试验对象。

研究发现，相比未处理的基底材料，SNAP-X处理过的表面可以提高珊瑚幼体的定植率达六倍之多。更重要的是，这些幼体更愿意在SNAP-X涂层附近的小缝隙中“扎根”，说明该材料确实在引导珊瑚寻找合适的定居点方面发挥了作用。

▲上图：在实验室条件下，夏威夷表孔珊瑚（Montipora capitata）幼虫在涂有SNAP-X涂层的基质上的附着实验。(A) 图(i)为夏威夷珊瑚礁上的M. capitata珊瑚群体；图(ii)展示了在年度产卵期间收集的配子（黄色箭头）；图(iii)为在实验室受精并培育至具备附着能力的幼虫。(B) 图为幼虫在仅有海水的对照组、未涂层（CaCO3珊瑚块）的对照组以及不同SNAP-X负载密度的基质上过夜孵化后的附着率（百分比 ± 标准误差）。统计学分析结果用字母表示（ANOVA分析，Tukey’s HSD事后检验，P < 0.001）。(C) 图为海水对照组中具有典型细长形状的游泳幼虫（白色箭头）的示例图像。(D) 图为附着并固着在SNAP-X涂层基质上的幼虫（黑色箭头）的示例图像。上图来源：Kundu, Samapti et al.(2025)

除了实验室测试，研究人员也进行了户外模拟实验。他们在接近自然海洋环境的条件下，测试SNAP-X在实际海水流动情况下的表现。

结果显示，SNAP-X的诱导效果比对照组高出20倍，而且不同浓度的外代谢物也会影响珊瑚定植率。高浓度组比中等浓度组的定植效果高出70%以上，而低浓度组则与未处理的对照组无明显差异。这说明材料中信号物质的含量对于最终效果具有重要影响。

在材料性能方面，SNAP-X也显示出了良好的耐久性和稳定性。水凝胶成分经过特别设计，在海水中可以维持结构超过三个月，并保持良好的气体和分子通透性。实验还表明，这种复合材料的释放速度很慢，经过28天后，仅释放了约20%的信号物质。这种缓慢释放的特性确保了珊瑚幼体在较长时间内都能感知到“信号”，提高了定植成功率。

在材料的力学性能上，实验显示，SNAP-X材料的刚度最初相对较高，能为珊瑚幼体提供稳定的附着表面，而随着时间推移，材料会逐渐变软，有利于幼体进一步生长并与材料融合。这种由硬变软的特性，恰好符合珊瑚幼体对环境的需要，是材料设计中的一个巧妙之处。

为了进一步了解这些化学“信号”在海水中的传播方式，研究人员还运用了三维扩散模型进行模拟分析。模型显示，SNAP-X释放的代谢物不仅覆盖了材料表面，还能在周围海水中形成一个直径超过10厘米的“化学晕圈”。这个晕圈的大小和浓度直接受材料中初始信号物质含量和水流速度的影响。这种模拟有助于科研人员更好地理解材料在实际海洋环境中的表现，并为后续优化提供依据。

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珊瑚礁是海洋生物多样性最丰富的生态系统之一，海洋保护区能为各种海洋生物提供安全的栖息地，防止物种灭绝。可以说，从全球范围看，海洋保护区都是保护珊瑚礁等海洋生态系统最有效的手段之一。上图是潜水所摄珊瑚礁。©摄影：王敏幹（John MK Wong）| 海潮天下（Marine Biodiversity）

据介绍，该研究目前已经达到技术成熟度第四级（TRL 4），这意味着，它已经完成了实验室、以及中等规模环境下的测试，验证了材料的基础功能。接下来，科研团队面临的挑战将是如何实现这种材料的大规模生产，并在全球不同类型的珊瑚礁中验证其适用性。

如果这些问题能够得到解决的话，SNAP-X将可能被广泛应用于全球珊瑚礁恢复工程中，成为一种辅助生态系统修复的重要技术手段。

从技术发展的角度看，这项研究的意义还不光是珊瑚礁恢复。SNAP-X所采用的材料设计理念和释放机制，也具有潜在的跨领域应用前景。例如，在医学领域，类似的缓释材料可用于药物输送系统；在农业领域，也可能被用于精准施肥、植物信号传导研究。这种将仿生学+纳米材料结合的思路，正在拓宽人类与自然互动的方式。

所以，这项研究提供了一种创新思路，用仿生材料模拟自然信号，以人为方式支持生态系统中的自然过程。虽然目前仍处于初步阶段，但它为解决珊瑚礁恢复中的“定植难题”还是提供了一个可行的解决方案。在全球海洋生态面临多重挑战的背景下，这类交叉学科的研究或许能在未来带来更多启示。至于未来是否可以用类似方式，帮助更多濒危生态系统恢复活力？这一问题，恐怕还需时间、以及更多实证研究来回答。

感兴趣的“海潮天下”读者可以参看全文：

Samapti Kundu, Simone Potenti, Zachary A. Quinlan, Helena Willard, Justin Chen, Timothy Noritake, Natalie Levy, Zahra Karimi, Hendrikje Jorissen, Joshua R. Hancock, Crawford Drury, Linda Wegley Kelly, Luisa De Cola, Shaochen Chen, Daniel Wangpraseurt. Biomimetic chemical microhabitats enhance coral settlement. Trends in Biotechnology, 2025; DOI: 10.1016/j.tibtech.2025.03.019

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资讯源 | Kundu, Samapti et al.(2025)文 | 王海诗

编辑 | 海潮君

排版 | 卢晓雨

©摄

【参考资料】
http://dx.doi.org/10.1016/j.tibtech.2025.03.019
https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250514111233.htm
https://en.wikipedia.org/wiki/Coralline_algae