海洋已吸收全球人为排放二氧化碳的多达30%，并将溶解的碳储存数百年。过去一个世纪里，海洋对二氧化碳的吸收不断增加，全球海洋的酸度也随之上升。自工业化前时代以来，海洋pH值已从平均8.2降至如今的8.1。气候变化预测显示，到2100年，这一数值还将进一步下降至约7.8——明显低于当今开阔海洋生物群落中观察到的任何水平。
现在，来自麻省理工学院、阿拉巴马大学及其他机构的研究团队发现，这种海洋酸化加剧将极大影响全球浮游植物种群——浮游植物是海洋表层的微生物，构成海洋食物链的基础。
在今天发表于《自然·气候变化》期刊的一项研究中，研究人员报告称，到2100年，海洋酸化加剧将引发浮游植物的一系列反应：一些物种将灭绝，而另一些物种将繁盛，从而改变全球浮游生物物种的平衡。
研究人员还比较了浮游植物不仅对海洋酸化、也对其他预测的气候变化驱动因素（如气温升高和营养盐供应减少）的反应。例如，团队使用数值模型观察整体浮游植物将如何显著迁移，随着地球变暖，大多数种群将向两极迁移。然而，基于全球模拟，他们发现最显著的影响源于海洋酸化。
麻省理工学院全球变化科学中心的首席研究科学家Stephanie Dutkiewicz表示，虽然科学家此前怀疑海洋酸化可能影响海洋生物种群，但该团队的结果表明，浮游植物——以及因此可能以它们为食的物种——将经历远比先前估计更大的剧变。
“我一直是气候变化的坚定支持者，我也尽量不做危言耸听的人，因为那对任何人都没有好处，”论文第一作者Dutkiewicz说。“但这些结果实际上让我相当震惊。可能发生的变化如此之多，不同浮游植物的反应各不相同，这意味着在21世纪期间，群落可能发生一些相当剧烈的变化。群落的整体重组，既对上层食物网有影响，也对碳循环等过程有影响。”
本文的共同作者包括麻省理工学院地球、大气与行星科学系副教授Mick Follows。
赢家与输家
为了了解不同浮游植物物种如何应对更酸性的环境，团队进行了一项荟萃分析，汇编了49篇论文的数据，这些论文研究了单一物种在较低pH值下的生长情况。此类实验通常将生物放入烧瓶中，并记录其在不同酸度溶液中的生物量。
这些论文共审视了154项浮游植物实验。研究人员将物种划分为六个大致的功能类群，包括硅藻、原绿球藻和颗石藻等，然后绘制了酸性条件下的生长速率图。他们发现，即使在同一功能类群内，各物种对酸度增加的反应也各不相同，其中一些“赢家”比正常情况下生长得更快，而另一些“输家”则灭绝了。
实验数据在很大程度上反映了受控实验室环境中单个物种的反应。随后，研究人员将实验数据纳入全球海洋环流模型，以观察多个相互竞争的物种如何应对不断上升的酸度水平。
研究人员将麻省理工学院的全球环流模型与一个生态系统模型相结合，前者模拟洋流、温度和盐度等物理现象，后者模拟96个浮游植物物种的行为。与实验数据一样，研究人员将这96个物种划分为六个功能类群，然后根据实验中观察到的反应范围，为每个类群分配一系列对海洋酸化的反应。
自然竞争失衡
研究人员用96个物种的不同反应组合对全球模拟运行了数次后，观察到，随着海洋酸化促使一些物种生长加快、另一些减慢，它也改变了物种之间的自然竞争。
“通常，在进化的长期过程中，事物会趋于稳定，多个物种能够共存，”Dutkiewicz说，“但如果其中一个获得了优势，即使另一个也获得了优势，但幅度没那么大，它就可能被淘汰。所以你可能会看到整个物种因为反应略有不同而消失。”
Dutkiewicz表示，浮游生物层面竞争的变化可能对食物链上层产生重大影响。
“一般来说，北极熊捕食的是那些以硅藻为食的生物，而例如，它不太可能捕食以原绿球藻为食的生物，”Dutkiewicz说，“整个食物链都将不同。”
到2100年，由于水温升高，海洋的局部组成也可能大为不同：模型预测，许多浮游植物物种将向两极迁移。这意味着例如在新英格兰，海洋群落在下一个世纪可能看起来大不相同。
“如果你去波士顿港舀起一杯水，在显微镜下观察，你会看到日后非常不同的物种，”Dutkiewicz说，“到2100年，你可能会在波士顿附近看到那些如今生活在更靠近北卡罗来纳州一带的物种。”
Dutkiewicz表示，该模型对海洋酸化可能如何改变海洋世界给出了一幅大致的概貌。她说，要获得更准确的图景，需要开展更多涉及多个物种的实验，以在自然环境中促进竞争。
“最关键的是，随着海洋酸性增强，我们需要弄清竞争有多重要，”她说。
这项研究部分由美国国家科学基金会以及戈登和贝蒂·摩尔基金会资助。
本文与 MIT News合作发表。世界经济论坛对观点的发表不代表其认可。
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作者：Jennifer Chu，为 MIT News 撰稿。
图片：珊瑚礁位于拉斯穆罕默德保护区内，距离西奈半岛最南端的沙姆沙伊赫以南约30公里（19英里）。REUTERS/Asmaa Waguih
