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大滅絕時代（五）海洋酸化，生命無法承受之變

前文回顧：大滅絕時代（四）海底的時光機

自從霍爾-斯賓塞于2008年發(fā)表了關(guān)于洞口系統(tǒng)的第一篇論文之后，人們對于酸化及其影響的熱情立刻被引爆了。國際性的研究項目如“海洋酸化的生物學(xué)沖擊”（BIOACID）和“歐洲海洋酸化項目”（EPOCA）都有了資助，成百上千的實驗研究得以開展。這些實驗的地點，有的在船上，有的在實驗室里，還有被稱為中型實驗生態(tài)系統(tǒng)的封閉空間，那是一小片可以人為控制其條件的真正海洋。

一次又一次地，這些實驗證實了二氧化碳濃度提高所帶來的危害。雖然有許多物種顯然可以過得不錯，甚至在酸化的海洋中生長得很旺盛，但也有很多的物種做不到這一點。有些生物被證明是很脆弱的，比如小丑魚和太平洋牡蠣，它們往往是水族館里或餐桌上的熟面孔；其他一些可能不那么吸引人（或者不那么好吃），但卻可能對于海洋生態(tài)系統(tǒng)更為重要。例如單細胞浮游植物赫氏球石藻（Emiliania huxleyi）就是其中之一。這種球石藻把自己包裹在微型的方解石盤中。在顯微鏡下觀察，它看起來就像是某種瘋狂的藝術(shù)作品： 一個表面貼滿紐扣的足球。在一年中的某些特定時期，赫氏球石藻會大量出現(xiàn)，把廣闊海域變成乳白色。它構(gòu)成了很多海洋食物鏈的基底。海蝴蝶（Limacina helicina）是一種翼足目的海螺，長得像是帶翅膀的蝸牛。它生活在北冰洋里，是很多更大型動物的重要食物，包括鯡魚、鮭魚和鯨。上述兩種生物似乎對酸化高度敏感： 在一項中型實驗生態(tài)系統(tǒng)的研究中，赫氏球石藻在二氧化碳水平提高后全部消失了。

烏爾夫·希博塞爾是來自德國基爾海洋地質(zhì)科學(xué)亥姆霍茨中心一名主攻生物學(xué)方向的海洋學(xué)家，主持有若干項重大的海洋酸化研究，地點位于挪威、芬蘭以及斯瓦爾巴特群島近海。希博塞爾發(fā)現(xiàn)，在酸化的海水中活得最好的那些物種主要是不足2微米的浮游生物。它們太小了，以至于自己形成了一套微型的食物網(wǎng)。當(dāng)這些超微型浮游生物的數(shù)量增加時，它們用掉了更多養(yǎng)分，大型生物就此遭殃。

“如果你問我未來會發(fā)生什么，我認為我們手上最確鑿的證據(jù)表明，將會出現(xiàn)生物多樣性的下降?！毕２┤麪柛嬖V我說，“一些具有高度忍耐力的生物將變得數(shù)量龐大，但也會喪失整體的多樣性。這是過去每一次物種大滅絕中所發(fā)生過的事情?！?/p>

海洋酸化有時與全球變暖并稱“邪惡雙子”。這種諷刺的說法可謂名副其實，甚至可能有些太客氣了。沒有一種單一的機制可以解釋歷史上的所有物種大滅絕，然而海洋化學(xué)成分的改變似乎是一個很好的指示器。海洋酸化至少在五次大滅絕中的兩次（二疊紀末期和三疊紀末期）起了一定作用，而且很可能在另一次（白堊紀末期）中也是主要因素。人稱“多爾斯階更替”（Toarcian Turnover）的滅絕事件發(fā)生于1.83億年前的侏羅紀。在這次事件中，有確鑿證據(jù)表明出現(xiàn)了海洋酸化。古新世末期也有類似的證據(jù)，那是約5500萬年前，當(dāng)時一些海洋生物遭遇了嚴重的危機。

“噢，海洋酸化，”扎拉斯維奇曾在多布崖告訴我，“這一來要留下多么可怕的一層哪。”

為什么海洋酸化如此危險？這個問題之所以難于回答，只是因為答案實在太多了。酸化可能對一種生物不同的基礎(chǔ)生理過程造成影響，比如代謝、催化酶的活性以及蛋白質(zhì)的功能，具體取決于這種生物調(diào)節(jié)其自身內(nèi)在化學(xué)環(huán)境的能力強弱。由于酸化會改變微生物種群的構(gòu)成，也就改變了關(guān)鍵營養(yǎng)物質(zhì)的可獲取性，比如鐵和氮?；陬愃频脑?，酸化改變了穿過水體的光線強弱；基于另一些不同的原因，酸化還能改變聲音傳播的方式。（籠統(tǒng)來講，酸化會讓海洋變得更嘈雜。）酸化似乎很可能促進有毒藻類的生長。它還會對光合作用造成巨大影響——很多植物物種有可能受益于提高的二氧化碳水平——也會改變水中溶解金屬形成化合物的情況，在某些條件下產(chǎn)生有毒的物質(zhì)。

在眾多可能造成的沖擊之中，最嚴重的一個或許要牽涉到被稱為鈣化者（calcifier）的一群生物。（鈣化者這個術(shù)語包括了任何能夠用碳酸鈣礦物來構(gòu)建外殼或外骨骼的生物，除動物之外，也包括用碳酸鈣礦物來建造內(nèi)部架構(gòu)的水生植物。）海洋中的鈣化者是形形色色的不同生物。像海星和海膽一樣的棘皮動物是鈣化者，像蛤和牡蠣等軟體動物也是鈣化者。同樣是鈣化者的還包括甲殼綱的藤壺。許多種類的珊瑚是鈣化者，這是它們建筑那些最終成為珊瑚礁的塔狀構(gòu)造的方式。許多種類的海草是鈣化者，它們摸起來是堅硬的，而且易碎。珊瑚藻也是鈣化者，這種微小的生物生長在一起時，看起來就像是一抹粉色的油漆。腕足類動物是鈣化者，球石藻、有孔蟲以及許多種類的翼足目動物也都是鈣化者。這份名單還可以一直寫下去。據(jù)估計，鈣化作用的演化在生命歷史上獨立出現(xiàn)的次數(shù)不下20次，而且很可能還要高于這個數(shù)字。

從人類的角度來看，鈣化有點像是建筑工作，又有點像是煉金術(shù)。為了建造它們的殼或外骨骼或方解石板，鈣化者必須把鈣離子（Ca2+）和碳酸根離子（CO2-3）結(jié)合到一起，形成碳酸鈣（CaCO3）。但是，以在正常海水中獲得的離子濃度，鈣和碳酸無法彼此結(jié)合。因此實際上，鈣化者必須在鈣化地點改變水體化學(xué)環(huán)境，從而促成它們自己的化學(xué)反應(yīng)。

海洋酸化增加了鈣化的成本，因為可以用于生產(chǎn)碳酸鈣的碳酸根離子濃度下降了。二氧化碳溶于水之后，一部分仍以二氧化碳的形式存在，pH值不改變，另一部分則與水分子結(jié)合形成碳酸（H2CO3）。如果還是用建筑工作來打比方的話，這情況就像是你想要蓋一棟房子，可是有人不停地從你這里偷磚。海水酸化得越嚴重，鈣化者就要消耗越多的能量來完成必需的生理過程。在某個pH值上，海水徹底變成腐蝕性的，固態(tài)的碳酸鈣開始溶解。這就是為什么離阿拉貢堡洞口太近的帽貝，最終會在殼上出現(xiàn)穿孔。

實驗室里的實驗研究表明，鈣化者尤其將遭受海洋pH值下降的嚴重沖擊，而阿拉貢堡的消失物種名單證實了這一點。在pH值為7.8的區(qū)域，消失物種有四分之三是鈣化者。其中包括幾乎無處不在的穿孔藤壺，生命力極強的地中海貽貝以及馬旋鰓蟲。其他消失的鈣化者還有狐蛤（Lima lima），一種常見的雙殼綱動物；斑紋鐘螺（Jujubinus striatus），一種巧克力色的海螺；以及叫作沙蟲螺（Serpulorbis arenarius）的軟體動物。與此同時，有鈣化功能的海草全部消失了。

據(jù)在這一地區(qū)工作的地質(zhì)學(xué)家說，阿拉貢堡的這些洞口涌出二氧化碳氣體的歷史長達數(shù)百年，甚至還要更久。任何軟體動物、藤壺或者龍骨蟲如果能夠在幾個世紀的時間里變得適應(yīng)低pH值的環(huán)境，那么它們肯定已經(jīng)這樣做了。“它們有一代又一代的時間去適應(yīng)這里的環(huán)境，但卻始終沒有做到?！被魻?斯賓塞如是評論道。

此外，如果pH值降得更低，對于鈣化者來說就更糟糕。在靠近那些洞口的地方，冒出來的二氧化碳氣泡已經(jīng)連成了一條氣體帶?；魻?斯賓塞發(fā)現(xiàn)那里沒有任何鈣化者。事實上，在那個停車位大小的區(qū)域里存活下來的生物只有幾種頑強的本地藻類，一些入侵藻類，一種蝦，一種海綿，還有兩種海蛞蝓。

“在氣泡冒出來的地方，你不會看到任何鈣化生物，完全沒有?！彼嬖V我，“想象一下，在一個被污染的港口里，你往往只能找到寥寥幾種像野草一樣頑強的生物，成功地應(yīng)對了劇烈變化的環(huán)境。但是在這兒，只要提高二氧化碳濃度，你就能看到這種景象了?！?/p>

迄今為止，人類排入大氣的二氧化碳中差不多有三分之一都被海洋吸收了。這相當(dāng)于1500億噸，相當(dāng)震撼。與人類世的其他許多方面一致，驚人之處不僅在于其規(guī)模，更在于其速度。為了方便理解，我們不妨用酒精來做個不怎么恰當(dāng)?shù)谋扔鳎?同樣是喝掉半打啤酒，在一個月內(nèi)喝完和在一小時內(nèi)喝完，對于你血液化學(xué)組成的影響是有很大區(qū)別的。加入等量二氧化碳，在一百萬年內(nèi)加入或是在一百年內(nèi)加入，對于海洋化學(xué)組成的影響也是有很大區(qū)別的。對于你的肝臟而言，攝入酒精的速率是關(guān)鍵；對于海洋而言，速率同樣是關(guān)鍵所在。

如果我們向空氣中排放二氧化碳的速度更慢一些，像巖石風(fēng)化這樣的地質(zhì)學(xué)過程就會來扮演對抗酸化的角色。而實際上，事情發(fā)生得太快，那些緩慢起效的力量來不及發(fā)揮作用。正如蕾切爾·卡森之前對一個非常不同但又同樣重大的問題所做的評論：“時間是必不可少的關(guān)鍵要素，但現(xiàn)代社會所缺少的恰恰是時間。”

在哥倫比亞大學(xué)拉蒙特多爾蒂地球觀測所，巴貝爾·霍尼施領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家近期發(fā)表了一篇綜述，總結(jié)了在地質(zhì)歷史的久遠過去曾經(jīng)發(fā)生過二氧化碳改變的證據(jù)。文中寫道，即使在歷史上發(fā)生過若干次嚴重的海洋酸化，但是“沒有任何一次過去的事件完全符合”當(dāng)前正在發(fā)生的情況，這是由于“目前正在進行的二氧化碳排放有著前所未有的高速”。實際上，本來就沒有多少方法可以向空氣中迅速注入數(shù)億噸的碳。對于二疊紀末期大滅絕，人們能找到的最佳解釋就是今天西伯利亞地區(qū)的大規(guī)模火山爆發(fā)。但即使是這樣一個形成了今天所謂西伯利亞暗色巖的壯闊事件，其所排放的碳按年來計算，可能仍不及我們的汽車、工廠以及發(fā)電廠的碳排放量。

通過燃燒煤和石油等礦藏，人類把數(shù)千萬年來——大多數(shù)情況下是數(shù)億年來——所隔絕起來的碳重新釋放到空氣中。在這個過程中，我們不僅是在開地質(zhì)歷史的倒車，并且是以一種極不正常的速度。

在學(xué)術(shù)期刊《海洋學(xué)》的一期特刊中，賓夕法尼亞州立大學(xué)的地質(zhì)學(xué)家李·孔普和布里斯托爾大學(xué)的氣候模型學(xué)家安迪·里奇韋爾共同撰文評述酸化問題：“當(dāng)前地球所經(jīng)歷的就像是一場巨型實驗，這在地質(zhì)學(xué)上是異乎尋常的，也很可能是地球歷史上前所未有的。造成這一切的關(guān)鍵就是二氧化碳的排放速率?！比绻祟愒谶@條路上持續(xù)走下去的話，“那么在我們這顆星球的歷史上，人類世留下的地質(zhì)學(xué)印記所體現(xiàn)出來的事件，即便不是最為災(zāi)難性的事件之一，也一定是最為顯著的事件之一”。