互动科普

酸化威胁海洋生态

■随着海洋从大气中吸收愈来愈多的二氧化碳，全球海水的pH值正在逐渐降低（酸化）。

■实验观测表明：为了应对自身内环境pH值的改变，桡足类、腹足类、海胆以及海蛇尾等物种的生长与繁殖受到威胁。由于海洋酸化过程相对生物进化而言“过快”，许多物种难以建立基因水平上的适应。

■当海洋生物因此而衰减、消失时，整个海洋食物链必将受损。减缓海洋酸化的行动迫在眉睫。

“精子游泳速度过慢……现在成了一个问题，”乔纳森黑文汉德（Jonathan Havenhand）说，他的英式发音加重了这个问题的严重性。“这意味着受精卵更少、幼体更少以及种群规模更小。” 当时我们正沿着漂亮的西班牙北方海岸的山路行驶，去参加一个关于“气候变化与大气中过量二氧化碳对海洋的影响”的国际研讨会。人们低估了海洋化学变化对海洋生物细胞、组织和器官的影响，作为科研人员，我们对此表示担忧。通过在瑞士哥德堡大学（University of Gothenburg）所做的一系列实验研究，黑文汉德证明，目前的海洋化学变化正严重影响到海洋生物最基本的生存行为——繁殖。

过量二氧化碳与海水结合形成碳酸所致的“海洋酸化”，被称为“二氧化碳带来的另一个难题”。随着海水酸度增加，珊瑚虫、蛤类、贝类等动物的骨骼与贝壳的形成面临困难；但更危险的是，无论有无外壳，所有海洋生物的基础生命功能均会受到不同程度的影响。藉由干扰生长与繁殖等基础生命活动，海洋酸化正在威胁海洋生物的健康甚至物种的存活。在人类赖以生存的海洋食物链受到不可挽回的损失之前，我们进行补救的时间极为有限。

急剧的海洋变化

海洋由不同层次的海水组成，自工业革命以来，全球海洋都在快速变酸，很可能危害所有水层的海洋生物。

海洋与二氧化碳的反应减轻了后者对气候的一些影响。目前，大气中二氧化碳浓度接近390 ppm（百万分比浓度），如果不是海洋每天吸收3 000万吨二氧化碳，该值可能会更高。迄今为止，海洋吸收了人类活动所排放二氧化碳总量的1/3左右。这个“下水道”减缓了全球变暖，代价是海洋酸化。美国南佛罗里达大学的罗伯特·H·伯恩（Robert H. Byrne）指出，过去15年间，在夏威夷至阿拉斯加一线太平洋海域的上层100米水体中，酸度增加了6%；自工业革命以来，全球海洋表面pH值平均降低了0.12——目前pH值大约为8.1。

数值的变化看似不多，不过由于pH值按对数计，这一变化意味着海洋酸度增加了大约30%。pH值是基于氢离子（H+）的浓度来测定的。pH值为7.0表示水体呈中性，该值越低，酸性越强；越高，则碱性越强。尽管pH值为8.1的海水仍然属于弱碱性，但下降的趋势构成了酸化。数百万年以来，海洋生物从未经历过如此快速的酸碱度骤变。古生物学研究发现，历史上类似的酸碱度改变往往与大规模的海洋物种灭绝相关。大约2.5亿年前，大规模火山爆发和甲烷气体释放致使大气中的二氧化碳浓度可能达到现在的2倍，导致超过90％的海洋物种消失——这是史上规模最大的物种灭绝。之后的400万年～500万年间，海洋变得截然不同，生存在其中的物种数很少。

科学家预测，如果人类继续以现有速率排放二氧化碳，大气中二氧化碳浓度将在2050年达到500 ppm，2100年达到800 ppm。表层海水的pH值可能降至7.8或7.7——相当于海水酸度较工业革命以前增加了150％。

多数人将海洋想像成一个巨型池塘。其实海洋更像是一个多层蛋糕——每一个水层都具有独特的温度盐度组合。最温暖、盐度最低的海水由表层向下延伸50米～200米，有时甚至更深。该层丰富的氧气和阳光供养了食物链底层的最基本组分——大量的单细胞浮游植物。它们像陆地上的植物一样，将太阳光的能量转化为碳水化合物。这些浮游植物又为浮游动物（从微型的类似虾的甲壳类到巨型鱼类幼体的一大类营浮游生活的动物）提供食物。浮游动物被鱼类摄食，而后者又被更大的动物所摄食，以此类推。

风有助于海洋表层与深水层的混合，将氧气向下层输送，营养物向上层输送。不仅如此，营养物质的流通也可以通过动物（无论活的还是死的）的移动完成。一类数量庞大的微型甲壳动物——桡足类（copepods）可以在夜色庇护下从海洋中层或更深的水层迁徙到表层，摄食白天由太阳光创造的浮游植物大餐。许多鱼类、鱿鱼等跟着它们迁移，而深层居民者则等待食物以碎屑形式从上层下沉。随着有机体的上浮和下潜，它们要穿越具有不同pH值的水层。但是，随着海洋酸化改变这种pH值的配置状况，很可能对那些有机体产生危害。

体内生理调节

在单个物种尺度上，酸化会迫使海洋生物将更多的能量用于维持体内pH平衡，分配给生长与繁殖的能量因而大大减少。

对于利用水中氧气呼吸的动物，即使浓度增幅极小，海水中的二氧化碳也能够快速扩散至它们体内。一旦进入体内，二氧化碳即与体液发生反应，产生氢离子，使体内酸度随之增强。各个物种采取多种多样的策略来应对体内酸环境的改变。这些策略包括：产生碳酸氢根离子中和多余的氢离子，利用生物泵将氢离子泵出细胞外或泵至细胞间隙，减缓代谢速率直到氢离子浓度过高的时期过去，等等。不过，上述各种策略均难以应对持续的体内酸度增加。利用自身生理反应调节体内酸碱度平衡势必引起能量消耗，蛋白质合成与强健免疫系统的维持等基础生命活动都可能受其影响。

多数物种体内具有某些缓冲酸碱度的分子。鱼类可以储存缓冲分子以应对快速游泳所造成的暂时性pH值降低。这类似于短跑运动员在冲刺时由于肌肉转为厌氧代谢、更快地消耗ATP（体内主要的能量分子）而引起的过量氢离子积存。然而，面临长时间的酸碱度不平衡，绝少生物能够积累足量的缓冲分子。假设pH值在千、万年尺度上缓缓变化，生物有望进化适应——保留能够产生更多缓冲分子的突变基因等。不过，生物很难对百年和更短时间尺度上的pH值“骤变”产生适应，而实验室里在天和星期的时间尺度上发生的pH值改变甚至是致命的。

从历史资料来看，海水中二氧化碳浓度上升，体内缓冲系统较差的生物往往难以招架。pH值的降低或许对深海物种损害尤大，因为那里的稳定环境使这些物种对“变化”的适应能力较弱。（因此，将大量二氧化碳泵入海底以应对气候变化的提议令人担忧——这样有可能会损毁许多深海甲壳类的栖息地。）

变差的生长与繁殖

生物的不同发育阶段对于海洋酸化的反应有所不同。越来越多的研究直指一系列潜在的麻烦。

事实上，生命的最初阶段——受精卵就可能受到酸化影响。研究人员通过向海水中泵入二氧化碳，在实验室内模拟了海洋酸化。正如黑文汉德在路途中向我解释的那样，当pH值降低了0.4个单位之后（即预测中2010的pH值状况），澳大利亚的紫海胆（Heliocidaris erythrogramma）精子游程减少16％，游泳速度减缓12％，受精成功率降低25％。在野外，随着时间的推移，25％的降低将导致成体种群数量骤减。尽管单只海胆可以释放亿万只精子，不过这些精子的存活时间较短，它们必须在有活性的几分钟之内寻找到合适的卵子。在广阔、涌动的海洋里，“慢吞吞”的精子很可能永远无法到达“彼岸”。

酸化还会阻碍许多物种幼体的发育。在瑞士哥德堡黑文汉德的实验室里，塞缪尔·杜邦（Samuel Dupont）将一种温带海蛇尾（海星的近亲）的幼体置于pH值降低0.2－0.4个单位的海水环境中，其中多数表现出发育畸形，仅有不到0.1％的个体存活8天以上。在另一项研究中，腹足类的北黄玉黍螺（Littorina obtusata）在低pH值海水中胚胎孵化率降低，而且孵化出的幼体游泳速度变缓。

实验室中pH值一下子降低0.2－0.4个单位，这比野外的实际情况剧烈得多，有些物种或许可以适应渐变的酸化过程；然而对另一些物种而言，即便是轻微的酸化也可能产生快速而剧烈的效应，科学家推测海洋酸化或许可以解释美国俄勒冈沿岸牡蛎幼体的高死亡率，很多牡蛎养殖者找不到足够的牡蛎幼体，以至于他们的营生难以为继。

成体同样受到威胁，特别是涉及到生物的生长。海胆和海螺行动缓慢，不过生长缓慢才是一个大问题。2005年，日本京都大学的研究人员将高于目前浓度200 ppm的二氧化碳气体泵入实验海水六个月，以模拟酸化环境——200 ppm的浓度增量相当于预测中未来40－50年之后的状况；实验表明，马粪海胆（Hemicentrotus pulcherrimus）、梅氏长海胆（Echinometra mathaei）与草莓海螺（Strombus luhuanu）的生长速率都减缓了。生长减缓使得生物相对偏小，更易被捕食，成体的繁殖量也会减少。

酸化还会使一些浮游植物难以吸收铁，这是一种生长不可缺乏的微量元素。美国普林斯顿大学的研究人员发现，pH值降低0.3个单位，浮游植物吸收的铁将减少10－20％。这个结果意义重大，因为浮游植物不仅是海洋食物链的重要环节，还产出供各种生物呼吸的巨量氧气。

在另一项实验中，科研人员发现，在较低的pH值下，底栖海蛇尾类的蛇尾虫（Amphiura filiformis）腕部生长速率加快，不过肌肉却欠发达——发达的肌肉对于摄食、撅穴及躲避捕食者等都非常重要。另外，一个月之内pH值降低0.3－0.5个单位可抑制紫贻贝（blue mussel）的免疫系统。肌肉强度、生长、繁殖与免疫能力降低可能引起长时期的种群衰退，这对于受害种群以及以它们为食、甚至以它们为栖息地的生物（包括人类）都不是好消息。海星的摄食有助于维持珊瑚礁生态系统以及海草林（kelp forest）生态系统的健康，而海蛇尾对底质的搅动、混合对于许多底栖生物的存活至关重要。

对于某些生物而言，海洋酸化直接意味着生命终结。在pH降低0.2个单位后，美国加利福尼亚州沿岸桡足类的小宽角水蚤（Paraeuchaeta elongata）在一周之内半数死亡。桡足类生物的生态作用至关重要：我们喜爱的美味鱼类——从金枪鱼、鲑鱼到鲈鱼，都需要充足的食物，而被这些鱼类捕食的动物则需要一定数量的桡足类来维持种群规模。

有几种鱼类，比如学名为花狼鳚（Anarhichas minor）的斑点狼鱼（spotted wolffish）在试验中对酸化表现出较强的宽容度，这是由于它们的组织内储存了大量缓冲分子及氧气，这样呼吸就很方便，因为酸化产生的多余氢离子往往会阻碍血液从海水中吸收氧气。不过，当食物短缺时，即便是适应能力最强的鱼类也得面临艰难岁月。其它物种还没有它们那么强的适应性，例如鱿鱼采用了一种高效的生存方式，并不储存氧气，而是有多少氧气就用多少。血液中的氧气减少会限制它们捕食、躲避捕食者以及寻找配偶的能力。对于另一种重要的商业鱼类短鳍鱿鱼（Illex illecebrosus），只要pH值降低0.15个单位，即可对它们造成灭顶之灾。

综上，野外调查与室内实验带给我们的信息是，尽管海洋生物已经面临人类活动带来的众多压力，比如更高的水温、污染与过度捕捞，但酸化使得它们的处境雪上加霜。

对酸化的适应？

世代交替时间较短的种类可能会适应海洋酸化，但其他物种可能因种群衰退而灭绝。

实验室里的模拟试验只持续数周到数月，而气候变化的尺度则长达几十年或几个世纪。有些种类可能会适应，特别是繁殖周期较短的种类。因为生物每繁殖一次，就有可能产生某些突变基因利于下一代适应不利环境。根据预测，海洋pH值降低0.3～0.5个单位所需的时间为90年。但对世代周期较长、而且已经承受目前酸度上升30％压力的物种来讲，90年还是太短，根本来不及适应。物种灭绝往往由物种种群在几个世纪内的逐渐衰退导致，对单个物种来说，每一代种群数量减少1％就可能导致整个种群在一个世纪内灭绝。

值得警惕的是，目前观测到的pH值降低速率和根据现在二氧化碳排放量预测的未来变化速率是上个千年的100倍。若任其发展，二氧化碳高浓度将创造一个完全不同的、任何现代生物都未经历过的海洋。

酸化与其它胁迫的协同作用，使得生物适应的可能性更小。例如，二氧化碳浓度增加可以导致物种可生存的温度范围变窄。我们已经观察到，珊瑚与某些藻类置于高二氧化碳浓度的海水中时，在较低温度下表现出温度胁迫。

未来之路

为了保护海洋生态系统，我们在制定减排目标时也应该考虑海洋酸化。

一直以来，科学家都在低估气候变化的速率——从北冰洋的冰川融化到海平面的上升速率。越来越多的科学家呼吁限制大气中的二氧化碳浓度，以防止全球以危险的速度变暖。然而减排目标也应该考虑到海洋酸化。通过食物链中的级联效应，目前不断增强的海洋酸化将彻底改变海洋生态系统。某些物种会因为浮游植物物种出现新的组合而兴盛，其它物种则很难存活，但现在还很难确定我们最依赖的、最喜爱的海洋生物能否逃过劫难。这些变化还可能对旅游业造成损失，并损害潜在的海洋生物和药物资源。

海洋酸化还将改变地球整体的碳循环。尽管海洋可以吸收大量人类排放的二氧化碳，但这种能力将随着海水二氧化碳浓度的升高而减弱。未来，二氧化碳有可能从海面“返还”大气。最终，大气二氧化碳浓度升高将加快，加速全球气候变化。

要避免上述后果成为现实，二氧化碳减排目标就必须将海洋pH值未来100年内的降低幅度控制在0.1个单位之内。把大气二氧化碳浓度降至350 ppm，似乎是个合适的目标。某些专家建议2100年之前将大气二氧化碳浓度维持在450 ppm，这可能导致pH再降0.1个单位。这样的变化即可毁掉珊瑚礁，并导致一些生物无法造壳，尤其在南极洲周围的南大洋海区——那里的低温及独特的环流系统使得生物外壳与骨骼比其他海区溶解得更快。防止海洋进一步酸化总比情况恶化之后再来扭转局面容易得多。单靠自然缓冲系统将酸碱度平衡至工业革命以前，可能需要成百上千年的时间。

我们该做些什么？政府应该制定 “国家海洋政策”，以便于协调各方力量对抗目前的多重海洋生态威胁；环境部门应将二氧化碳列为污染物，法律名义限制二氧化碳排放；建立海洋保护区可以使物种的种群规模从过渡捕捞中恢复；较多的数量将使物种及其基因库在应对气候变化时有更好的适应力。调整渔获量使之符合科学建议而非政府目标也将大有裨益。

我们还需要更多科学研究。对海洋酸化欧洲项目（European Project on Ocean Acidification）相关研究予以资助，并实施联邦海洋酸化研究与监测方案（Federal Ocean Acidification Research and Monitoring Act），必将增进我们对于海洋酸化效应的理解。更大规模的海洋酸化监测网络也是必须的。由西雅图太平洋海洋环境实验室（Pacific Marine Environmental Laboratory）的理查德·菲利（Richard Feely）和加利福尼亚州立大学圣马科斯分校的维多利亚·法布里（Victoria J.Fabry）领导的国际研究团队，已经规划出了一份蓝图，以便将海洋酸化研究融合到现有的诸如海洋坐标（OceanSITES）之类的海洋追踪项目中，而且应该根据研究结果，尽快给出合理的建议。除此之外，越来越多将野外调查与室内实验相结合的项目，如加利福尼亚海流生态系统多学科交叉生物地球化学观测计划（California Current Ecosystem Interdisciplinary Biogeochemical Moorings project）等，将确保科学家的实验能够模拟真实的海洋环境。

    海洋酸化的最终解决方案，取决于建立新型的能源经济。近期的矿难、外海钻井平台爆炸及墨西哥湾漏油事件等，都要求各国政府寻求更为安全的能源。只有大量削减化石能源消耗，才能阻止二氧化碳排放进一步酸化海洋。从不可再生也不安全的能源转变为可再生的安全清洁能源，将为各国提供一条更稳妥的发展路线，也将为地球，特别是海洋，勾勒出一个健康的未来。