全世界的珊瑚礁就像水下城市，各种鱼类和海洋动物在这里繁衍生息。珊瑚礁覆盖的海洋面积不到1%，但它们却养育着约25%的海洋物种，其中包括许多重要的鱼类。据估计，仅在美国，这些复杂的生态系统每年提供的服务的经济价值就超过34亿美元
如今，不断上升的海水温度威胁着许多珊瑚礁的生存。当海水温度持续过高时，珊瑚会排出生活在其组织中的色彩鲜艳的共生藻类，即虫黄藻——这一过程称为珊瑚白化。这些藻类为珊瑚提供食物，因此白化的珊瑚容易挨饿和患病，如果水温降温不够快，它们可能会死亡。
随着全球海洋温度达到创纪录的水平，科学家证实全球珊瑚白化事件正在发生。自2023年初以来，赤道以北和以南的印度洋、太平洋和大西洋的珊瑚都在死亡。
当前，加勒比海地区发生的珊瑚白化事件比1998年第一次全球性珊瑚白化事件以来记录的任何一次都持续时间更长、更为严重。我研究大规模气候和海洋动力学，并分析珊瑚礁之间的生物联系(有时延伸很远)如何帮助珊瑚礁从热应激中恢复。
当前的大规模珊瑚白化事件是自1998年以来第四次此类事件。
珊瑚礁关系
鉴于海洋温度上升速度之快，科学家正在努力制定应对策略。这些策略包括让珊瑚更耐高温;用健康的珊瑚修复受损区域;将珊瑚苗圃迁移到较凉爽的地区;培育更能抵抗这些压力的“超级珊瑚”;以及增强自然化学信号和声音提示，以吸引幼虫珊瑚和鱼类到受损的珊瑚礁。
珊瑚礁中的许多鱼类在维持这些群落的健康方面发挥着重要作用。例如，海藻与珊瑚争夺空间和光照，并且经常在白化事件发生后接管珊瑚礁。
如果珊瑚周围有以不同种类海藻为食的鱼类，如鹦嘴鱼、刺尾鱼和兔鱼，珊瑚会更健康，恢复得更快。为了反映它们的作用，这些物种通常被统称为食草动物。
海参是一种革质的底栖生物，与海星和海胆关系较远，也是珊瑚礁的重要伙伴。它们以海洋沉积物中的细菌和其他有机物质为食，清理珊瑚礁周围的区域。
我的佐治亚理工学院同事马克·海伊最近发表了一项研究，该研究表明，从珊瑚礁群落中移除海参会导致有机废物增加，珊瑚死亡率增加15倍。保护被过度捕捞作为食物来源的海参，有助于保持珊瑚礁的健康。
海洋连通性的作用
珊瑚礁并不是孤立的前哨。当鱼和珊瑚产卵时，它们会释放出数百万个幼虫，这些幼虫会随洋流漂流，并通过混合和运输过程在珊瑚礁之间进行交换。这些交换构成了珊瑚礁的连通性。
有些珊瑚礁为许多其他珊瑚礁提供幼虫。其他珊瑚礁则更加孤立，因此科学家可能需要人工引入幼虫，以帮助珊瑚礁从白化和其他威胁中恢复。
研究表明，连接良好的珊瑚礁能更快地从白化等压力中恢复。通过远方洋流获得充足的珊瑚和鱼幼体供应，有助于恢复白化区域并维持多样化的珊瑚礁群落。保持这种连通性是珊瑚礁保护的关键。
但测量连通性既费时又费钱。研究人员从可能相连的珊瑚礁中收集珊瑚样本，分析珊瑚的DNA以重建其遗传历史。这可以描绘出不同种群之间的相互关联程度。
我们还使用计算机模型来模拟洋流，将虚拟幼虫从释放点运送到它们定居的地点。但洋流并不像高速公路那样固定不动：它们的强度和方向会随着季节和年份的变化而变化。研究珊瑚礁的连通性需要进行多年的模型模拟，精细地覆盖小区域，这需要大量计算。
来自机器学习的见解
现在，机器学习提供了一种分析珊瑚礁联系的新方法。人工智能的这一分支领域使计算机能够在没有明确指示的情况下学习任务或关联。相反，它们使用算法来解决各种任务。
我的研究小组开发了一种工具，它能从卫星数据中获取洋流信息，生成生态区域网络，即生态系统大致相似的区域，并计算过去30到40年的连通性。然后，我们利用PageRank中心性(谷歌开发的用于衡量网页受欢迎程度的算法)来识别连通性更好的珊瑚礁。
一旦我们定义了生态区域网络，就有可能确定已知珊瑚礁的“受欢迎程度”(即连通性)。我们可以通过查看“受欢迎”的珊瑚礁群落是否包含更多样化和更健康的珊瑚种群来验证我们的算法是否有效。
我们发现，在东南亚珊瑚三角区(地球上最大的生物多样性热点)中，厄尔尼诺和拉尼娜气候模式之间的周期性变化促进了生物多样性，并且很可能在过去500万至700万年中一直如此。厄尔尼诺事件期间的连通性与拉尼娜事件期间的连通性截然不同，因为洋流不同。这种动态有助于珊瑚礁，确保它们在不同年份从许多不同的地方接收幼虫。
了解哪些珊瑚和环境特征有助于提高珊瑚礁的恢复力，并将这些信息与连通性网络结合起来，为帮助珊瑚存活更长时间开辟了新途径。这些方法共同指明了如何以及在何处优先考虑监测和恢复工作。
从长远来看，阻止珊瑚死亡和保护支持众多海洋生物的珊瑚礁栖息地的唯一方法是限制水污染和遏制气候变化。但采取更多使珊瑚礁更健康的局部行动可以为它们争取一些时间，或许还能使它们更能抵御海洋变暖。