“缓慢的精子……这确实是个问题，”乔纳森·黑文汉德 (Jonathan Havenhand) 说，他的英国口音加重了信息的严重性。“这意味着受精卵减少，幼体减少，种群数量也会减少。” 我们当时正乘坐出租车，沿着西班牙波光粼粼的北部海岸行驶，去参加一个关于气候变化和大气中过量二氧化碳对世界海洋影响的国际研讨会。作为研究人员，我们担心海洋化学变化对海洋物种细胞、组织和器官的潜在影响。在瑞典哥德堡大学的实验室实验中，黑文汉德已经证明，这种变化可能会严重阻碍最基本的生存策略：性。
海洋酸化——过多的二氧化碳与海水反应生成碳酸的结果——已被称为“另一个二氧化碳问题”。随着海水变得更酸性，珊瑚和蛤蜊、贻贝等动物在构建骨骼和外壳时会遇到困难。但更糟糕的是，酸性还会干扰所有海洋动物（无论是否有壳）的基本身体功能。通过破坏生长和繁殖等基本过程，海洋酸化威胁着动物的健康，甚至物种的生存。限制酸化以避免其不可挽回地损害世界海洋和人类赖以生存的食物链，时间已经不多了。
海洋的快速变化
海洋与二氧化碳的相互作用缓解了该气体的一些气候影响。大气中的二氧化碳浓度几乎为百万分之390 (ppm)，但如果海洋没有每天吸收3000万吨该气体，这个数字还会更高。世界海洋已经吸收了人类活动释放的所有二氧化碳的大约三分之一。这种“汇”减少了全球变暖，但代价是海洋酸化。南佛罗里达大学的罗伯特·H·伯恩 (Robert H. Byrne) 表明，仅在过去15年中，从夏威夷到阿拉斯加的太平洋上层100米处，酸度就增加了6%。在全球范围内，自工业革命开始以来，海洋表面层的平均pH值已下降0.12个单位，降至约8.1。
支持科学新闻事业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻事业 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事能够继续存在。
这种变化听起来可能不大，但由于pH值标度是对数的，因此它相当于酸度增加了30%。pH值测量溶液中的氢离子 (H+)。7.0的值是中性的；值越低，酸性越强，值越高，碱性越强。虽然8.1是弱碱性的，但下降趋势构成了酸化。海洋生物数百万年来从未经历过如此快速的变化。古生物学研究表明，过去类似的变化与海洋生物的广泛丧失有关。大约2.5亿年前的大规模火山爆发和甲烷释放可能使大气中的二氧化碳增加了一倍，导致了有史以来最大规模的物种灭绝。超过90%的海洋物种消失了。一个完全不同的海洋持续了四百万到五百万年，其中相对较少的物种存活下来。
如果我们继续以目前的速度排放温室气体，科学家估计到2050年大气中的二氧化碳将达到500 ppm，到2100年将达到800 ppm。与工业革命前相比，海洋上层的pH值可能会降至7.8或7.7，酸度增加高达150%。
大多数人将海洋想象成一个巨大的水池。但海洋更像一个千层蛋糕，每一层都由盐度和温度的独特组合构成。最温暖和最新鲜（盐度最低）的水层从表面向下漂浮50到200米，有时更深。充足的氧气和阳光支持着食物链蓬勃发展的基础：单细胞浮游植物，它们像植物一样，利用阳光制造糖。浮游植物滋养浮游动物——小型动物，范围从微小的虾状甲壳类动物到巨型鱼类的幼虫。浮游动物被小鱼吃掉，小鱼又喂养更大的动物，以此类推。
风有助于混合地表层和深层，将氧气向下输送，并将营养物质向上输送。但地表和海底之间的营养物质通量也通过动物的运动（无论是活着的还是死去的）发生。一类广泛的小型甲壳类动物，称为桡足类动物，每天晚上在黑暗的掩护下，从中间层甚至深层迁移到地表，以享用白天阳光创造的盛宴。许多鱼类和鱿鱼跟随它们的运动，而深海居民则等待着丰盛的食物以沉降残骸的形式倾泻而下。当生物体上升和下降时，它们会穿过pH值不同的水域。但随着酸化改变这种pH值分布，它可能会损害这些生物体。
由内而外的角度
在个体海洋动物的层面上，酸化会迫使生物体花费更多能量来恢复和维持其内部pH平衡，从而将能量从生长和繁殖等重要过程中转移出去。
即使海水中二氧化碳浓度略有增加，也会导致二氧化碳迅速扩散到水生动物的体内。一旦进入体内，二氧化碳就会与内部液体反应，产生氢离子，使体液或组织变得更酸性。物种采用各种机制来平衡其内部pH值。这些行动包括产生负离子（如碳酸氢根）来吸收或缓冲多余的氢离子；将离子泵入和泵出细胞和细胞间隙；以及降低新陈代谢以吸收更少的离子并“等待”高氢离子浓度时期过去。但这些机制都不是为了应对pH值的持续下降而设计的。当生物体努力恢复酸碱平衡时，它会牺牲能量。合成蛋白质和维持强大的免疫系统等基本生命功能也可能受到损害。
大多数物种至少拥有一些缓冲分子。鱼类和其他活跃的物种会储存它们，以减少剧烈游泳爆发引起的暂时性pH值下降。就像跑步者一样，肌肉在冲刺期间会转向厌氧（非氧基）代谢，这会更快地消耗ATP（主要的燃料分子），导致额外的氢离子积累。但很少有物种可以储存足够的缓冲物质来持续较长时间。如果小的pH值变化在数万年内逐渐发生，物种可能会进化出适应性，例如，通过保留偶然的基因突变，从而导致缓冲分子的产量增加。但物种通常无法适应在短短数百年或更短时间内发生的变化。在实验室中几天到几周内产生的类似变化是致命的。
在过去二氧化碳浓度上升的时代，缓冲系统较差的物种表现不佳。pH值下降可能尤其会损害深海物种，它们稳定的环境使其无法适应变化。（因此，通过将大量二氧化碳泵入深海来应对气候变化的拟议策略令人担忧；它们可能会破坏各种生物的栖息地。）
生长和繁殖不良
海洋酸化的内部影响因生命的不同发育阶段而异。一项规模虽小但不断增长的研究表明，存在各种潜在的问题。
事实上，生命的最初火花——受精——可能会受到影响。在实验室中，科学家通过将额外的二氧化碳气泡泵入海水箱来模拟酸化。正如黑文汉德在我们的出租车之旅中解释的那样，当实验人员将海水pH值降低0.4（在2100年预测的范围内）时，澳大利亚海胆Heliocidaris erythrogramma的精子移动速度降低了16%，游动速度降低了12%。受精成功率下降了25%。在野外，25%的减少可能会导致成年种群数量随着时间的推移而显着减少。虽然单个海胆释放数百万个精子和卵子，但精子不会存活很长时间；它们必须在几分钟内找到卵子并使其受精。在广阔而动荡的海洋中，行动迟缓的精子可能永远无法到达目的地。
酸化还会阻碍几种物种的早期幼虫阶段。塞缪尔·杜邦 (Samuel Dupont) 与哥德堡的黑文汉德在同一栋楼里，他将温带阳隧足（常见海星的近亲）的幼虫暴露在pH值降低0.2至0.4单位的环境中。许多幼虫表现出异常发育，不到0.1%的幼虫存活超过八天。在另一项研究中，海螺Littorina obtusata的胚胎在暴露于较低pH值的水中时，孵化数量较少，而且那些孵化出来的胚胎比正常胚胎移动频率更低、速度更慢。
一次性降低0.2至0.4 pH值的变化比野生物种正在经历的变化更为剧烈，有些物种可能能够适应逐渐的变化。但对于另一些物种来说，即使是轻微的酸化影响也会来得又快又猛。科学家怀疑海洋酸化解释了最近俄勒冈州沿海牡蛎幼虫的死亡事件，例如，这导致一些牡蛎养殖户争先恐后地寻找足够的幼苗以维持经营。
成年动物也遭受痛苦，尤其是在生长方面。海胆和海螺移动缓慢，但生长缓慢也是有问题的。2005年，日本京都大学的研究人员确定，将二氧化碳浓度比今天的数值高出200 ppm的水泵入海水中六个月，会降低海胆物种Hemicentrotus pulcherrimus和Echinometra mathaei以及草莓海螺Strombus luhuanu的生长速度。200 ppm的增加相当于未来四到五十年预测的增加量。生长减缓使个体在更长的时间内保持较小，使其更容易受到捕食者的攻击，并可能降低其生殖产出。
酸化还使一些浮游植物物种更难吸收铁，铁是一种对生长至关重要的微量营养素。普林斯顿大学的研究人员指出，pH值下降0.3可能会使浮游植物的铁吸收量减少10%至20%。除了是食物链中的重要环节外，浮游植物还产生我们呼吸的大量氧气。
在其他实验中，栖息于沉积物的阳隧足Amphiura filiformis在较低的pH值下以更快的速度长出腕足，但却失去了大量的肌肉量。强大的肌肉是觅食、建造洞穴和逃避捕食者所必需的。在一个月内，pH值下降0.3至0.5会抑制普通蓝贻贝的免疫系统反应。力量、生长、免疫功能或繁殖能力的下降可能会导致长期种群数量下降——这对受害者以及许多其他依赖它们获取食物甚至栖息地的物种（包括人类）来说都是坏消息。例如，海胆的放牧有助于保持珊瑚礁和海带森林的健康，而阳隧足运动对沉积物的混合对于使沉积物适宜许多其他物种居住至关重要。
对于某些生物来说，海洋酸化可能仅仅意味着末日。当将加利福尼亚海岸常见的桡足类动物物种（Paraeuchaeta elongata）的样本暴露于pH值比正常值低0.2的水中时，一半的生物体在一周内死亡。我们喜欢食用的鱼类，从金枪鱼到鲑鱼或条纹鲈鱼，都依赖于大量的特定桡足类动物来支持支持它们的猎物。
几种鱼类，如斑点狼鱼 (Anarhichas minor)，在实验室中表现出非凡的耐受性，因为它们保持着相对大量的缓冲物质，并在其组织中储存额外的氧气，这很方便，因为氢离子会干扰血液从水中吸收氧气的能力。然而，即使是适应性很强的鱼类，如果它们的食物供应减少，也可能会挣扎。其他物种则没有做好充分的准备。例如，高度活跃的鱿鱼没有氧气储备——它们一直都在使用它们所拥有的一切。血液中氧气减少会限制它们捕猎、躲避捕食者和寻找配偶的能力。对于具有商业重要性的鱿鱼Illex illecebrosus来说，pH值仅下降0.15就可能造成重大损害。
实验室研究以及地质记录的信息是，海洋酸化迫使动物更加努力地挣扎，而今天它们已经因为其他人为造成的压力因素而这样做，例如水温升高、污染和过度捕捞。
酸适应？
实验室实验持续数周至数月。气候变化发生在数十年和数百年之间。有些物种可能会适应，特别是如果它们具有较短的生殖周期。动物每次繁殖时，后代都可能出现基因突变，这可能有助于下一代适应新环境。然而，90年——pH值预计将下降0.3至0.5单位的预测时间范围——对于繁殖速度相对较慢且可能已经因pH值下降30%而承受压力的物种来说，进行基因适应的时间非常短。物种灭绝通常是由数百甚至更长时间的缓慢下降造成的；每代人个体数量仅下降1%就可能在不到一个世纪的时间内导致灭绝。
令人震惊的是，迄今为止观察到的pH值下降以及当前排放趋势下的预测轨迹比过去数千年的任何变化都快100倍。如果不加以控制，二氧化碳水平将创造一个非常不同的海洋，现代物种从未经历过的海洋。
适应性更不可能，因为酸化的影响以及生物面临的其他挣扎会相互作用。例如，二氧化碳水平升高会缩小个体可以生存的温度范围。我们已经看到珊瑚和一些藻类存在这种限制，如果暴露于较高的二氧化碳中，它们会在比正常温度更低的温度下承受热胁迫。
未来的选择
从北极冰融化到海平面上升，科学家们一直低估了气候变化的速度。越来越多的专家建议限制大气中的二氧化碳，以防止全球变暖达到危险水平。但目标的设定也应考虑到海洋酸化。不受控制的酸化可能会完全重组海洋生态系统，并在食物链中产生连锁反应。有些物种可能会在新组合的浮游生物中茁壮成长，而另一些物种则会遭受痛苦，但无法确定我们最依赖（或最喜欢）的物种是否会成为赢家。这些变化也可能损害旅游业，并抹杀潜在的制药和生物医学资源。
海洋酸化还会改变地球整个碳循环的规则。尽管海洋目前吸收了大量的人类排放物，但随着海水中二氧化碳浓度的增加，吸收率会减慢，二氧化碳会在海面“积聚”。因此，大气中的二氧化碳浓度将上升得更快，加速全球天气变化。
这些后果值得制定排放目标，将未来一个世纪的pH值下降限制在不超过0.1。越来越多人认为，将大气中的二氧化碳水平降低到350 ppm似乎是合理的目標。正如一些人建议的那样，到2100年稳定在450 ppm，或许可以将额外的pH值下降控制在0.1以内。但即使是这个数字也可能使珊瑚礁注定灭亡，并使某些动物无法构建外壳，尤其是在环绕南极洲的南大洋中。由于其寒冷的温度和独特的环流模式，南大洋将比其他海洋更快地开始溶解外壳和骨骼结构。防止进一步酸化远比一旦发生变化后再逆转变化容易得多；自然缓冲系统将需要数百年甚至数千年的时间才能将pH值恢复到工业革命前的水平。
可以做些什么？首先，奥巴马政府应颁布《国家海洋政策》——美国有史以来的第一个《国家海洋政策》——因为它可能有效地协调行动以应对这些多重威胁。美国环境保护署应推进将二氧化碳作为《净水法案》下的污染物，赋予各州执行二氧化碳排放限制的权力。建立海洋保护区将使物种能够从过度开发中恢复；更多的数量将为它们的种群和基因库提供更大的恢复力，以应对气候变化。调整渔业捕捞限额，使其符合科学建议而不是政治意愿将有所帮助。而签署美国已经搁置了几十年的《联合国海洋法公约》将使美国成为海洋管理领域的领导者。
还需要更多的科学研究。为支持欧洲海洋酸化项目研究计划和实施《联邦海洋酸化研究与监测法案》的资金将加深对酸化影响的理解。但还需要一个显着扩大的监测网络来检测酸化。由西雅图太平洋海洋环境实验室的理查德·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·J·法布里 (Victoria J. Fabry) 领导的国际团队，已经创建了一个将酸化监测纳入现有海洋跟踪计划（如OceanSITES）的蓝图，应尽快遵循这些建议。此外，扩大努力将实地数据与实验室实验相结合，例如加利福尼亚洋流生态系统跨学科生物地球化学锚泊项目，将确保科学家的实验模拟真实条件。
最终，解决海洋酸化的方案在于新的能源经济。鉴于最近致命的煤矿和海上钻井爆炸以及灾难性的墨西哥湾漏油事件，美国比以往任何时候都有更多理由为地球制定更安全的能源战略。只有大幅减少化石燃料的使用才能防止更多的二氧化碳排放污染海洋。明确计划从有限的、危险的能源转向可再生、清洁的能源，为各国提供了更安全的未来之路。它也为地球，特别是海洋，提供了一个拥有健康未来的机会。�