Climate change drastically shapes coral communities

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As ocean temperatures rise so does the prevalence of coral bleaching. Under favourable conditions, corals typically exist in a mutually beneficial relationship with various species of zooxanthellae algae. Zooxanthellae algae inhabit the epithelial cells of their coral host and obtain energy via photosynthesis, which is the shared with the host coral. When exposed to prolonged periods of elevated temperatures (often just 1-2°C above normal) this coral-algae relationship breaks down, resulting in the expulsion of algal cells from their host coral. This expulsion of the often brightly coloured zooxanthellae leaves behind clear coral tissue through which the white calcium skeleton is readily visible, hence the term coral bleaching. During 1998, reef scientists described the first instance of a global bleaching event, whereby bleaching was reported simultaneously across many of the world’s reefs. There have been a further two global bleaching events since with, at the time of writing, the most extensive and destructive event, occurring in 2015/16, affecting over 70% of coral reefs worldwide. However, despite the clear negative impacts of thermal stress and bleaching events, we are currently unable to effectively manage vulnerable coral communities. Within any given reef different coral species can possess varying thermal tolerances, and so will exhibit contrasting bleaching responses. Equally, the actual event of bleaching can be reversible with corals possessing differing affinities for reabsorbing zooxanthellae algae if conditions allow. Subsequently, the varying resistance and recovery potential of different coral specie makes anticipating and managing the consequences of future climate change extremely complex.

One solution to understanding the plight of coral reefs facing an uncertain future involves the use of coral communities found outside the envelope of conditions typically associated with coral reefs. Coral reefs are widely regarded as rainforests of the sea, and it is easy for one to conjure up images of warm crystal clear waters, and an intricate arrangement of coral formations displaying every colour imaginable, when discussing these systems. Yet, there is more to the diversity of coral communities than just tropical reefs. For instance, extensive coral populations can be found nestled among the roots of mangrove forests, inhabiting highly acidic waters near CO₂ seeps, and situated in rock pools prone to regular emersion. Coral populations are not even restricted to a solely tropical existence. Despite exposure to elevated seasonality and a broader range in factors such as temperature, and light availability, there are numerous examples of coral populations persisting in subtropical and high-latitude locations. It is thought that these coral populations naturally occurring within ‘extreme’ environments may hold the key to our understanding of the future impacts of climate shifts within tropical reefs.

Much like the ‘nature versus nurture’ concept, which is central to the understanding of human development, it is thought that the exposure of subtropical corals to more variable environments may enhance the appearance of characteristics enabling these corals to more effectively tolerate greater environmental stress. Thus, it is thought subtropical coral communities can offer an insight into how different corals tolerate and respond to increased climate stress. Unfortunately, though, subtropical and high-latitude coral communities themselves are not immune to the impacts of thermal stress, with an increasing number of bleaching events being recorded at higher latitudes. During the 2015/16 global bleaching event extensive bleaching was observed along the east coast of Australia from the Great Barrier Reef, down as far south as Sydney, and Lord Howe Island, which is home to the most southernly distributed coral community. Currently, efforts to evaluate the impacts of this bleaching across subtropical environments centre around estimates of percentage cover. However, whilst coral cover is a traditional and universally applied measure of reef health, it does mask underlying patterns in the survival and growth of individuals making it difficult to anticipate the future of these subtropical environments, let alone use them to better understand the response of their tropical counterparts to changing climates.

Fig 1. Extensive bleaching in the Solitary Islands Marine Park, Australia. SPA: Blanqueamiento extensivo en el Parque Marino de las Islas Solitarias. Credit: Brigitte Sommer.

Instead, demography, which remains overlooked by many reef scientists, provides a more effective assessment of the processes through which populations change. Individuals within a population experience patterns of survival, development, and reproduction that outline their contribution towards the stability or growth of their population. In coral populations, the manifestation of changes in the patterns of survival, development, and recruitment of individual colonies during thermal stress, and bleaching, subsequently defines their ability to resist and recover from such events. We applied a demographic framework to gauge the initial ramifications of the 2015/16 thermal stress event within a subtropical coral community in the Solitary Islands Marine Park, Australia, before evaluating how similar events in the future will influence the ongoing condition (viability) of this, and similar, communities. By following tagged individual corals between 2016 and 2018, we first estimated how the size-specific patterns of survival and growth, across different coral types, were affected by thermal stress; and when combined with observed levels of recruitment, how this shaped the condition of local populations. We then assessed how subsequent changes in survival, growth and recruitment patterns heightened or restricted the recovery of these populations.

Fig 2. Sampling of coral communities to examine the effects of thermal increases in natural populations and community assembly.

Ultimately, despite contrasting abiotic exposures the response of the subtropical coral community in the Solitary Islands, to thermal stress, is comparable to that of other tropical systems. The response corresponds with the loss of Acropora spp. and Pocillopora aliciae populations, which will drive a localised decline in structural complexity and endemism, as expected in tropical coral reefs. With many organisms associated with coral environments dependant on the intricacy of coral structures for habitable space, the loss of coral complexity is then likely to have further knock-on effects on the wider functioning this subtropical assemblage. Interestingly, we also highlight a mismatch between observed recruitment levels and the current condition of the existing coral communities in the Solitary Islands. Specifically, in isolation the number of recruits we observed would be unable to maintain the current extent of their associated populations, suggesting that the persistence of these populations is reliant on sporadic inflated pulses of larval supply from external sources. Regrettably this reliance on external larval supply indicates that many subtropical coral communities will be unable to persevere without their associated upcurrent tropical reef(s). Whilst these results do paint a rather bleak outlook for many subtropical coral communities, and are perhaps not unexpected, it is imperative that we fully understand the underlying patterns regulating the condition of coral populations if we are to have any chance of safeguarding endangered reef systems.

The results of this research have recently been published in Journal of Animal Ecology, and can be found here.

James Cant, Roberto Salguero-Gómez, Sun Wook Kim, Carrie Sims, Brigitte Sommer, Maxime Brooks, Hamish Malcolm, John Pandolfi & Maria Beger. 2020. The projected degradation of subtropical coral assemblages by recurrent thermal stress. Journal of Animal Ecology DOI 10.1111/1365-2656.13340

Written by James Cant

Spanish: (Translated by Rob S-G)

A medida que aumenta la temperatura del océano, también lo hace la prevalencia del blanqueamiento de los corales. En condiciones favorables, los corales existen en una relación mutuamente beneficiosa con varias especies de algas zooxantelas. Las algas zooxantelas habitan en las células epiteliales de su coral anfitrión y obtienen energía a través de la fotosíntesis, la cual es compartida con el su anfitrión. Cuando se expone a períodos prolongados de temperaturas elevadas (a menudo tan sólo 1-2 ° C por encima de lo normal), esta relación coral-alga se rompe, lo caul resulta en la expulsión de células de algas de su coral anfitrión. Dicha expulsión de las zooxantelas, a menudo de colores brillantes, deja un tejido coralino transparente a través del cual el esqueleto de calcio blanco es fácilmente visible, de ahí el término blanqueamiento del coral. Durante 1998, los científicos de arrecifes describieron el primer caso de un evento de blanqueamiento global, en el que se informó sobre el blanqueamiento simultáneamente en muchos de los arrecifes del mundo. Ha habido otros dos eventos de blanqueamiento global desde que, en el momento de escribir este artículo, el evento más extenso y destructivo, ocurrido en 2015/16, afecta a más del 70% de los arrecifes de coral en todo el mundo. Sin embargo, a pesar de los claros impactos negativos del estrés térmico y los eventos de blanqueamiento, actualmente no podemos gestionar eficazmente las comunidades de coral vulnerables. Dentro de cualquier arrecife, diferentes especies de coral pueden poseer distintas tolerancias térmicas, por lo que exhibirán respuestas de blanqueo contrastantes. Del mismo modo, el evento real de blanqueamiento puede ser reversible con corales que poseen diferentes afinidades para reabsorber las algas zooxantelas si las condiciones lo permiten. Posteriormente, el potencial variable de resistencia y recuperación de diferentes especies de coral hace que anticipar y manejar las consecuencias del cambio climático futuro sea extremadamente complejo.

Una solución para comprender la difícil situación de los arrecifes de coral que enfrentan un futuro incierto implica el uso de comunidades de coral que se encuentran fuera de las condiciones típicamente asociadas con los arrecifes de coral. Los arrecifes de coral son ampliamente considerados como selvas tropicales del mar, y es fácil para uno evocar imágenes de cálidas aguas cristalinas y una intrincada disposición de formaciones de coral que muestran todos los colores imaginables, cuando se habla de estos sistemas. Sin embargo, hay más en la diversidad de las comunidades de coral que solo los arrecifes tropicales. Por ejemplo, se pueden encontrar extensas poblaciones de coral enclavadas entre las raíces de los bosques de manglares, que habitan en aguas muy ácidas cerca de las filtraciones de CO2 y están situadas en charcos de roca propensos a la emersión regular. Las poblaciones de coral ni siquiera se limitan a una existencia exclusivamente tropical. A pesar de la exposición a una estacionalidad elevada y una gama más amplia de factores como la temperatura y la disponibilidad de luz, existen numerosos ejemplos de poblaciones de coral que persisten en ubicaciones subtropicales y de alta latitud. Se cree que estas poblaciones de coral que ocurren naturalmente en ambientes "extremos" pueden ser la clave para nuestra comprensión de los impactos futuros de los cambios climáticos dentro de los arrecifes tropicales.

En cambio, la demografía, que sigue siendo pasada por alto por muchos científicos de arrecifes, proporciona una evaluación más eficaz de los procesos a través de los cuales cambian las poblaciones. Los individuos dentro de una población experimentan patrones de supervivencia, desarrollo y reproducción que describen su contribución a la estabilidad o crecimiento de su población. En las poblaciones de coral, la manifestación de cambios en los patrones de supervivencia, desarrollo y reclutamiento de colonias individuales durante el estrés térmico y el blanqueamiento define posteriormente su capacidad para resistir y recuperarse de tales eventos. Aplicamos un marco demográfico para medir las ramificaciones iniciales del evento de estrés térmico 2015/16 dentro de una comunidad de coral subtropical en el Parque Marino de las Islas Solitarias, Australia, antes de evaluar cómo eventos similares en el futuro influirán en la condición en curso (viabilidad) de este y comunidades similares. Al seguir los corales individuales etiquetados entre 2016 y 2018, primero estimamos cómo los patrones de supervivencia y crecimiento específicos del tamaño, en diferentes tipos de coral, se vieron afectados por el estrés térmico; y cuando se combina con los niveles observados de reclutamiento, cómo esto moldeó la condición de las poblaciones locales. Luego evaluamos cómo los cambios posteriores en los patrones de supervivencia, crecimiento y reclutamiento aumentaron o restringieron la recuperación de estas poblaciones.

En última instancia, a pesar de las exposiciones abióticas contrastantes, la respuesta de la comunidad de coral subtropical en las Islas Solitarias al estrés térmico es comparable a la de otros sistemas tropicales. La respuesta se corresponde con la pérdida de Acropora spp. y Pocillopora aliciae, que conducirán a una disminución localizada de la complejidad estructural y el endemismo, como se esperaba en los arrecifes de coral tropicales. Dado que muchos organismos asociados con entornos de coral dependen de la complejidad de las estructuras de coral para el espacio habitable, es probable que la pérdida de complejidad del coral tenga más efectos en cadena en el funcionamiento más amplio de este conjunto subtropical. Curiosamente, también destacamos un desajuste entre los niveles de reclutamiento observados y la condición actual de las comunidades de coral existentes en las Islas Solitarias. Específicamente, de forma aislada, el número de reclutas que observamos sería incapaz de mantener la extensión actual de sus poblaciones asociadas, lo que sugiere que la persistencia de estas poblaciones depende de pulsos inflados esporádicos de suministro de larvas de fuentes externas. Lamentablemente, esta dependencia del suministro de larvas externas indica que muchas comunidades de coral subtropicales no podrán perseverar sin sus arrecifes tropicales de corriente ascendente asociados. Si bien estos resultados muestran una perspectiva bastante sombría para muchas comunidades de coral subtropicales, y quizás no sean inesperados, es imperativo que comprendamos completamente los patrones subyacentes que regulan la condición de las poblaciones de coral si queremos tener alguna posibilidad de salvaguardar los sistemas de arrecifes en peligro de extinción.

Los resultados de esta investigación han sido publicados recientemente en Journal of Animal Ecology, y pueden ser encontrados aquí.