小丑鱼成年后一生都依偎在珊瑚礁上单个海葵的保护伞下。然而，在出生和成年之间，小丑鱼必须完成一段危险的旅程。幼虫——一种微小的、部分成形的成年鱼类雏形——孵化后游出珊瑚礁，进入开阔的太平洋完成发育，大概是为了远离捕食者。经过11到14天的成熟期，幼鱼准备游回珊瑚礁，选择一个海葵作为家。但是当它游近时，它必须穿过一道“血盆大口之墙”——各种各样的生物，如濑鱼和狮子鱼，它们潜伏在珊瑚礁附近，准备吞噬小鱼。大多数小鱼通过识别捕食者的气味并避开它们的魔爪来成功地通过这场生死攸关的考验。
嗅觉实际上是化学作用：探测、理解和响应水中的分子。即使海洋化学的微小变化也可能破坏这种微妙的生存机制。科学家们开始思考，当海水变得更酸性时会发生什么，这是一种全球性的趋势，因为海洋从大气中吸收了越来越多的二氧化碳。2010年，我的同事和我将300条刚孵化的小丑鱼幼虫放入实验室的海水缸中，并对它们进行了11天的监测。当我们注入友好鱼类的气味时，它们没有反应。但是当我们注入捕食者（石斑鱼）的气味时，它们游开了。
然后，我们用来自同一父母的300条新孵化幼鱼重复了实验，但这次水变得更酸——调整到我们可以预期到2100年世界某些海域达到的水平（如果目前的趋势继续下去）。幼鱼发育正常，但没有一条幼鱼躲避捕食者的气味。事实上，它们更喜欢朝危险的气味而不是普通海水游去。当我们同时引入捕食者和非捕食者的气味时，鱼类似乎无法下定决心，在一种气味和另一种气味之间花费的时间相等。它们能够感知化学信号，但无法识别信号的含义。行为的逆转令人惊讶和担忧。我们认为酸化可能会稍微影响化学信号，但绝不会严重到促使鱼类游向迫在眉睫的死亡。
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各地的生物在其一生中有三个基本任务：寻找食物、繁殖并避免在此过程中成为食物。在珊瑚礁等捕食者和猎物密集地挤在一个有限的、复杂的栖息地的地方，自然选择强烈地偏爱那些能够躲避捕食者的物种。对这种能力的任何破坏都可能对整个生态系统造成灾难性后果。
如果日益酸性的海水干扰了小丑鱼的嗅觉，它也可能干扰其他感官和行为。虽然我们只研究了一种小丑鱼，但嗅觉对于大量的海洋生物至关重要。至少，混乱和迷失方向可能会给已经受到水温升高、过度捕捞和食物供应变化挑战的鱼类带来又一个压力源。此外，如果许多海洋居民开始表现异常，整个食物网、迁徙模式和生态系统可能会崩溃。虽然这项科学研究仍然是新的，但结果似乎正在趋于一致：海洋酸化正在扰乱鱼类的大脑。
酸性挑战
自工业革命以来，大气中二氧化碳的浓度已从百万分之280 (ppm) 增加到今天的百万分之400 以上。如果没有海洋，这个数字会更高，海洋吸收了排放到我们空气中的二氧化碳的 30% 到 40%。海水中更多的二氧化碳会导致化学反应，从而增加酸度——以较低的 pH 值衡量。与 1800 年代后期相比，今天地表水的酸度大约高出 30%，如果目前的碳排放趋势持续到本世纪末，它们可能会比那时酸性高出近 150%。
水柱中额外的二氧化碳会分解方解石和文石——这两种矿物质是某些海洋生物的贝壳和外部骨骼的基本组成部分。其他研究人员在二氧化碳含量高的水箱中饲养的贝类、海胆和浮游生物发育出不完整或畸形的贝壳和外骨骼。然而，科学家们认为，鱼类和其他非带壳生物可能会逃脱海洋酸化的影响，部分原因是 1980 年代的早期研究表明，某些动物具有惊人的能力，可以通过增加或减少体内碳酸氢盐和氯的量来调节其内部化学物质。然而，这些研究仅关注生理学——动物是否能在酸化的水中生存。维持正常的生理功能，如寻找食物和避开危险，是不同的挑战。我们的研究小组是最早着手解决下一个逻辑问题的小组之一：酸化会改变行为吗？
混淆气味和声音
我们的小丑鱼实验强烈表明，酸化确实正在改变动物的行为。此后进行的其他测试也同样令人不安。由于许多珊瑚礁捕食者通常在白天觅食，因此返回珊瑚礁寻找海葵的幼年小丑鱼倾向于在晚上接近，那时捕食者行动迟缓或正在睡觉，最好是在低月光下。但是，对于一条比一角硬币还小的鱼来说，在黑暗、相对单调的开阔海洋中导航并非易事，因此它们使用珊瑚礁及其居民发出的声音来引导方向。在我们进行气味实验一年后，我们研究了酸化水是否也会干扰听力。
我们通过将幼年小丑鱼放在装满海水的箱子中进行测试。当我们从箱子的一侧泵入白天珊瑚礁的噪音（它们自然会避开这种噪音）时，鱼类几乎四分之三的时间都待在远离声源的另一侧墙壁附近。但是，当我们用在酸性高出 60% 的水中度过短暂生命的幼鱼进行测试时——我们预计到 2030 年浅海将达到的水平——它们并没有那么警惕。实际上，超过一半的幼鱼被白天的声音吸引了。
我们又重复了两次实验，分别使用酸性高出 100% 和 150% 的水——这两种水平可能分别在 2050 年和 2100 年出现。在这两种情况下，小丑鱼大约 60% 的时间都待在播放白天珊瑚礁噪音的扬声器附近。我们还进行了单独的测试，以确保它们都没有听力障碍（它们没有）。在高酸度条件下，小丑鱼无法识别听觉信号的含义。
感官错乱的海洋居民可能无法很好地躲避捕食者。但相反的效果也可能发生：它们可能无法有效地找到食物。
鲨鱼以其敏锐的嗅觉而臭名昭著，它们依靠嗅觉来导航、寻找配偶和追踪猎物。鉴于我们在小丑鱼身上发现的感官混乱，我们想知道鲨鱼对酸化水会作何反应。我们从马萨诸塞州伍兹霍尔附近的海岸收集了 24 条成年平滑狗鲛——一种在卡罗莱纳州和新英格兰南部之间的温带水域迁徙的小型鲨鱼。我们将它们分成三组，每组都放在圆形游泳池中。第 1 组的鲨鱼只是在取自伍兹霍尔附近海洋的水中游动。我们将第 2 组的鲨鱼放在模拟 2050 年海洋酸度的水中，将第 3 组的鲨鱼放在模拟 2100 年的水中。与此同时，我们通过将鱿鱼浸泡在海水中并将水用粗棉布过滤，制成了浓缩的“鱿鱼冲洗液”。（鲨鱼喜欢鱿鱼。）
五天后，我们让每条鲨鱼在一个长 10 米、宽 2 米的水槽中游泳。酸度与它们所在的池塘的酸度相匹配。水槽有两个喷嘴，每个喷嘴都从前向后喷出温和的水柱。一个水柱沿着水槽的左侧流动，另一个水柱沿着右侧流动。在鲨鱼开始游泳后，我们通过其中一个喷嘴注入了一些鱿鱼水。后来，我们调换了水柱，以防鲨鱼天生喜欢沿着一侧游泳。
安装在顶部的摄像头和跟踪软件记录了接下来发生的事情。第 1 组（普通海水）的鲨鱼超过 60% 的时间都在散发着午餐鱿鱼气味的水柱中游泳。第 2 组的鲨鱼也做了同样的事情。但第 3 组的鲨鱼积极避开猎物的气味，在鱿鱼处理过的水中停留的时间不到 15%。我们还看到了其他差异。第 1 组的鲨鱼反复撞击并咬住放在发出鱿鱼水喷嘴前方的砖块。它们撞击砖块的次数是第 2 组鲨鱼的两倍多，是第 3 组鲨鱼的三倍多。
看到一种捕食者对食物的气味失去兴趣，甚至避开食物的气味，真是令人惊讶。在其他实验中测试的珊瑚礁鱼类似乎也表现出类似的奇怪行为。鉴于鲨鱼作为顶级捕食者对生态系统的重要性，以及它们已知对环境变化的脆弱性，海洋酸化可能对这些动物及其栖息的生态系统构成重大威胁。
大胆是坏事
要说在实验室中观察到的行为也会在野外观察到，总是很棘手的。因此，我们去大堡礁北部岛屿附近的一个沙质泻湖，检查了另一个特征：大胆。在那里，我们测试了野生捕获的幼年雀鲷在暴露于酸性水中四天后，对捕食者气味的反应。在一个水槽中，大约一半在预期到 2050 年的酸度水中饲养的雀鲷被捕食者的气味所吸引，一半没有被吸引，但 100% 在预期到 2100 年的水中饲养的雀鲷都被捕食者的气味所吸引。
我们给雀鲷纹了身，以便识别它们，然后将它们放生在我们泻湖中制作的一个小型珊瑚礁上。在酸性最高的水中饲养的鱼类表现出冒险行为：它们没有靠近具有保护作用的珊瑚，而是比在未处理的海水中饲养的鱼类更频繁地游到更远的地方。在一位研究潜水员将它们吓回珊瑚后，在较高二氧化碳水平下饲养的鱼类比其他鱼类更快地再次出现。果不其然，暴露于 2100 年海水的胆大鱼类被捕食者吃掉的可能性高出九倍。暴露于 2050 年海水的鱼类虽然没有那么大胆，但仍然会四处游荡，死亡的可能性高出五倍。
研究人员喜欢使用珊瑚礁鱼类进行实验，因为它们的行为具有一致性且易于观察。但是，迄今为止，对其他海洋生物进行的 80 多项实验也显示出令人不安的行为。蒙特雷湾水族馆研究所的科学家在高酸度条件下饲养了寄居蟹。寄居蟹没有表现出像雀鲷那样明显的大胆程度增加，但当它们受到模拟捕食者（玩具章鱼）的攻击时，它们从壳中重新出现的时间比正常情况长得多。
智利的调查人员研究了智利鲍鱼，这是一种附着在海浪冲击海岸线岩石上的软体动物。通常，当汹涌的海浪将鲍鱼从栖息处冲走时，它们会迅速重新附着，以免四处漂流，从而很容易被捕食者捕获。当二氧化碳水平升高约 50% 时，一些鲍鱼比平时更短的时间就能恢复原状。一些在酸性更高的水中饲养的鲍鱼在试图避开附近潜伏的螃蟹捕食者时走错了方向，有些鲍鱼实际上是转向螃蟹的爪子而不是远离它们。
显然，海洋酸化正在干预海洋生物的大脑。但是如何干预的呢？一些研究人员想知道，线索本身——气味和声音——是否因 pH 值的变化而改变。但实验表明，鱼类可以很容易地识别高二氧化碳水中的化学线索。其他科学家假设，行为改变可能是鱼类试图调节体内不断变化的酸度的一种应激反应，但这需要进一步调查。
基于不同的预感，澳大利亚詹姆斯库克大学的菲利普·L·蒙迪和我决定与奥斯陆大学的戈兰·E·尼尔森合作。尼尔森怀疑酸化会干扰一种名为 GABAA 的神经递质受体，这种受体调节许多动物（包括人类）大脑和神经系统中的信号。GABAA 的其他任务包括通过在神经细胞膜上传导氯和碳酸氢盐来抑制信号。当鱼类暴露于二氧化碳浓度升高的环境中时，它们会从体内排出氯，以积累更多的碳酸氢盐——试图最大限度地减少体内 pH 值的变化。然而，这种化学变化会导致 GABAA 受体变得兴奋，从而损害信号。当暴露于高二氧化碳环境中的鱼类随后被放入含有加巴嗪（一种减少兴奋的化学物质）的水中时，正常行为仅在 30 分钟后即可恢复。然而，GABAA 敏感性可能因物种而异，因此尚不清楚这是否是行为改变的主要原因。
鱼类可以适应吗？
当我在谈论海洋酸化时，我收到的主要问题是，海洋生物适应的可能性有多大？大自然具有惊人的自我修复能力。预测生物体可能如何适应是困难的，预测复杂的生态系统能够适应得有多好几乎是不可能的。
实验确实表明了一些共同的趋势。例如，成年鲨鱼和幼年小丑鱼的嗅觉都发生了改变。然而，最近的科学研究也发现了一些鱼类物种和生命阶段，它们似乎对我们观察到的行为异常更具适应力。
但是，我们必须问，实验中的酸化速率是否是一个复杂的因素。大多数研究都在几天或几个月的时间内繁殖或驯化了处于二氧化碳浓度升高条件下的鱼类——这是一个非常短的时间范围。动物没有获得现实的机会来适应或进化。我们将不得不在野外调查鱼类，因为海洋正在逐渐变得更加酸性。
为了获得深入了解，科学家们求助于火山气体渗漏口附近的珊瑚礁，那里的二氧化碳通过珊瑚礁底部的一些地点涌出，自然地酸化了那里的水，使其达到预计到 2100 年的水平。当我们参观巴布亚新几内亚的火山礁时，我们发现渗漏点的幼年雀鲷被捕食者的气味所吸引，无法区分捕食者和非捕食者的气味，并且表现出更大胆的行为——这与我们在实验室鱼类中表现出的怪异行为相同。在非渗漏珊瑚礁，同一雀鲷物种确实能探测到并避开捕食者，而且也不那么大胆。
我们也不知道这些行为是否会遗传给后代。研究人员才刚刚开始调查。在一项研究中，在高二氧化碳条件下饲养的珊瑚礁鱼类的后代在适应更高水平的二氧化碳方面没有表现出任何优势。
海洋酸化是众多压力源之一。过度捕捞、水温升高、污染加剧、鲨鱼等顶级捕食者的消失以及栖息地破坏都在损害海洋。虽然鲨鱼割鳍等当地问题可以通过当局制止，但温度升高和酸化等更广泛的损害可能是压垮许多物种的最后一根稻草。当我们检查压力源如何以物理方式影响海洋居民时，我们也应该调查它们如何影响认知能力，认知能力对于生存同样重要。