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【科普】海洋酸化及其生态学问题 精选

已有 8776 次阅读 2012-4-21 09:46 |个人分类:科普荟萃|系统分类:科普集锦| 生态学, 海洋酸化

打算写这篇博文,是阅读上周《自然》子刊《地球科学》(Nature Geoscience)发表的一篇论文《一个重要浮游植物种类对海洋酸化产生了适应性进化》萌发的。海洋酸化是比较容易被大家理解的概念,但是其生态学效应并非广为接受和理解,所以这里想就这篇论文进行科普。
 
4月8日,《自然》子刊《地球科学》发表了一篇论文《一个重要浮游植物种类对海洋酸化产生了适应性进化》(Adaptive evolution of a key phytoplankton species to ocean acidification),其主要内容,加上我自己的理解,概括如下:
 
我们目前有关海洋生物对海洋酸化敏感性的理解,主要是建立在短期实验基础上的,这样的实验中海洋生物是持续暴露在高浓度CO2条件下的。到目前为止,有关海水酸化对海洋生物影响的研究都聚焦在单个生命周期内的生理反应上,这在很大程度上忽视了进化的可能。但是,世代时间较短的浮游植物,可能会通过适应性进化来响应环境的这种改变。球石藻(Coccolithophore)(Emiliania huxleyi)是一类全球分布的海洋微型浮游植物,是海洋生态系统的重要组成部分,也是大洋产生大规模白色水华的原因。由于球石藻细胞外被有CaCO3构成的球石粒,其生物形成和物理沉降构成了全球碳循环中非常重要的一环。
 

该研究中,将球石藻暴露于较高浓度的CO2中,经过约500次无性世代后对其在海水酸化条件下的状态进行评估,发现球石藻的钙化能力部分得到了恢复。
钙化能力是海洋生物分泌碳酸钙的能力,其形成还会受到海水pH值的影响,一般在弱碱性环境中才能形成。在所有的培养中,尽管它们在高浓度CO2条件下的生长率都比较低,但是与未进行适应培养的分组相比,适应组的钙化能力增加了近50%。这说明在全球变化背景下,当代的进化就能维持海洋食物网底部微生物过程的生态功能。我们知道,浮游生物是海洋生态系统的基础,因此该研究说明海洋生态系统有一定的适应酸化能力。但是,海洋球石藻是一种基数很大、世代之间繁衍很快的生物,这两点有利于增强其进化力量,而其他海洋生物可能没有这么强的适应能力,因此对海洋酸化的警惕并不能就此消除。

解释一些基本概念
海洋酸化(Ocean Acidification)指的是海洋从大气中稳定吸收由人类活动所排放的CO2从而导致海水pH值持续下降的现象。根据德国全球变化问题咨询理事会(German Advisory Council on Global Change)的研究,现在海洋所储存的CO2总量约为大气的50倍,陆地生态系统和土壤的20倍。海洋不仅是一个重要的CO2库,同时也是最重要的长期CO2汇。
 
因为大气与海水间的分压差,一部分人源CO2会溶解于表层海水中。经过一段时间后(从几十年到几百年,再到数千年),CO2被洋流带入海洋深处。海洋现在每年约吸收20亿吨碳,这个数目大约相当于IPCC报告中所估计的人类活动所造成的碳排放量的30%。根据IPCC计算,海洋在1800年至1995年间共吸收了约1180亿吨碳。这相当于48%的化石燃料燃烧累积所排放的CO2量,或者27~34%的人类活动引起的总CO2排放(这里包括土地利用改变如砍伐森林等所造成的碳排放)。目前,已经能在深达1000 m的海水中探查到人源CO2。因为海水的垂直混合作用相当缓慢而耗时较长,所以这些人源CO2还没有沉到海底。然而,在北大西洋区域情况有所不同,因为海水垂直混合更容易发生,因此已经能在深达3000 m的海水检测到人源CO2。CO2在海洋中的表现与在大气中的有所不同。在大气中其化学性质是中性的,而在海洋中其化学性质却是活性的。溶解的CO2使得海水的pH值下降,导致海水酸化。从18世纪工业革命开始至今,海洋的pH值下降了约0.11个单位。工业革命前的海洋pH值为8.18,呈微碱性,其后表面海水的酸性一直在增加。不过该变化的程度在不同地区而有所不同,这将对所有生物效应的幅度产生影响。
 
受到海洋酸化负面影响最大的是位于热带和亚热带的珊瑚。海洋酸化可能毁掉珊瑚礁生境。浮游植物和浮游动物是鱼和其它海洋动物的主要食物来源,它们同样会受到负面影响。关于全球变暖对此区域影响的研究仍处于起步阶段,需要更多的研究来理解全球变暖所导致的长期和短期的影响。
 
科学家们已经确定海洋上升的酸度正在对珊瑚礁内的海藻和珊瑚虫造成伤害。美国地质调查局(USGS)的Ilsa B. Kuffner参与的一项实验证明,当海水吸收CO2时会使得海水碳酸盐离子的饱和度降低,从而导致钙化作用的下降。珊瑚虫通过钙化作用来形成它们的骨骼。海洋酸化对于那些紧紧附在礁石上生长的藻类也有负面影响。这种藻类是另外一种重要的珊瑚礁建造者,扮演了一个粘合剂的角色,将珊瑚礁连接起来,有助于维持珊瑚礁生态。Kuffner的实验结果显示,在高温和高酸度环境下,藻类会变软,变得不健康,而且抵抗力也会随之下降。
 
更多案例
从现在起到2030年,南半球的海洋将对蜗牛壳产生腐蚀作用,这些软体动物是太平洋中三文鱼的重要食物来源,如果它们的数量减少或是在一些海域消失,那么对于捕捞三文鱼的行业将造成影响。(http://paper.sciencenet.cn/htmlnews/2008/10/212137.html
 
在完成近3个月的北冰洋考察后,运载着35位欧洲科研人员的“希望”号科考船2010年7月22日抵达德国北部基尔港。研究人员通过此次考察发现,北冰洋酸化状况令人担忧。科研人员表示,2000万年来海洋一直处于碳酸钙饱和状态,但现在正面临转变。他们试图研究海洋食物链的某一环节是否会断裂,因为海水酸化导致珊瑚、贝类以及浮游生物的钙质骨骼受到威胁,而这些生物是海洋食物链的基础。
(
http://paper.sciencenet.cn/htmlnews/2010/7/235008.shtm)
 
在墨西哥坎昆举行的2010年联合国气候变化会议(COP16,第16次缔约方会议)上发布的一份报告说,海洋可能正在以6500万年以来最快的速度酸化,这对于依赖于从鱼类获取蛋白质的30亿人的影响尚不清楚。酸化能减少更小的鱼类的生长并影响其发育例如,它能削弱幼年小丑鱼的方向感和嗅觉,让它们更容易受到捕食者的攻击。(http://paper.sciencenet.cn/htmlnews/2010/12/241562.shtm
酸化可能导致小丑鱼失去它们的方向感和嗅觉(图片来源:FlickrNemo's great uncle)

中国的科学家在2011年6月份和8月份的两次调查过程中发现,8月份在渤海西北部、北部近岸水深20—35米的带状区域内出现底层溶氧显著下降并且酸化的现象。(http://paper.sciencenet.cn/htmlnews/2012/4/262833.shtm
 
【文中部分没有注明出处的数据和论述来自我们最近刚翻译完成的一本译著《变化中的生态系统》(高等教育出版社)】


 
21世纪人类活动造成的海洋酸化对钙质生物的影响


http://blog.sciencenet.cn/blog-502444-561938.html

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