潮池揭示了海洋生物对海水化学成分令人惊讶的影响。图片来源：Ethan Daniels/Shutterstock 气��二氧化碳上升的众多后果之一是海洋酸化——二氧化碳与海水中的溶解离子发生化学反应，导致海水 pH 值下降。科学家发现，水体酸化对许多物种来说是危险的，特别是像珊瑚这样的造礁生物，因此未来预测的 pH 值下降将对海洋栖息地造成毁灭性打击。因此，许多科学家积极寻找减缓沿海生态系统影响的方法也就不足为奇了，因为这些地区的损失在生态和经济上可能尤其严重。但答案可能就在眼前：新的研究发表在《科学报告》上，发现海洋生物已经能够缓冲 pH 值的下降。“我们的研究表明，海洋生物仅通过呼吸或光合作用，就对控制沿海地区的酸度或 pH 值水平起着重要作用，”加州州立大学北岭分校生物学系助理教授、这项新研究的首席作者 Nyssa Silbiger 说。“海洋植物和藻类会增加它们附近海水的 pH 值，使其更具碱性，而动物则使其更具酸性。”“这是一个令人兴奋的结果，因为它表明海洋生物不仅对 pH 值的变化做出反应，而且它们实际上在控制 pH 值方面发挥着重要作用，”Silbiger 说。全员登上生物巴士 大多数关于海洋酸化的研究都测试了生物在暴露于模型预测的 pH 值变化幅度下的状况。但这些预测是针对全球海水的平均变化。“这完全基于开放海洋、稳定条件，”Silbiger 解释说。“但沿海生态系统非常不同。”在她之前关于珊瑚礁的研究中，她观察到海水 pH 值在小于一个足球场的距离内会变化一个数量级。因此，为了研究这些系统如何受到 pH 值波动的影响，Silbiger（当时是加州大学欧文分校的博士后）和加州大学欧文分校的博士生 Piper Wallingford 一起，乘坐一辆 2002 年的 Eurovan Winnebago 生物巴士——这辆巴士由 GoWesty 捐赠，并被团队改装用于研究，踏上了太平洋海岸的旅程。这辆巴士被命名为 Becky。两人在这辆车里生活了两个月，从加利福尼亚州的圣地亚哥到华盛顿州的奥林匹克海岸进行公路旅行，沿途停下来进行他们的项目实地考察。“我们在这辆货车里住了两个月，从一个潮池到另一个潮池进行公路旅行，”Silbiger 说。“这很棒，因为我们可以直接开到海滩进行 24 小时的实验，实验间隙，我们就在车后面吃着货车里的法式吐司。”
Wallingford（左）、Silbiger（右）和 Becky 生物巴士。图片来源：GoWesty 海岸实验室 Silbiger 没有进行严格控制的实验室实验来观察群落对酸度的反应，而是利用了潮池隔离但又不完全隔离的特性。“你基本上有一个独立的生态系统，你可以对其进行操作，”她解释说。在低潮时，每个潮池基本上与其余海洋隔离开来，这意味着任何变化都是可量化的，“是由于当下的生物或潮池内部发生的物理现象。”Silbiger 收集了太平洋沿岸四个地点的 57 个潮池的详细数据。对于每个潮池，她测量了潮池的大小、深度以及它离水边有多近等物理细节。她还仔细地记录了潮池中的生物群落，从藻类到鱼类，将它们归类为生产者——能够利用阳光和二氧化碳创造生命基本构建块的生物，在此过程中增加 pH 值——以及消费者——它们只在呼吸时降低 pH 值。然后，每小时采集一次水样，以追踪潮池的化学特征，包括 pH 值。
Silbiger 说，全天候的实地考察非常艰苦。图片来源：Nyssa Silbiger Silbiger 惊讶地发现，潮池中的生物是其酸度最重要的决定因素。虽然物理变量控制了 pH 值的普遍升降模式，但潮池变化的幅度却取决于生物。“生物本身驱动着这种变异性，”她解释说。潮池中的藻类和其他生产者越多，白天光合作用达到最大时的 pH 值高点和晚上没有光合作用时的 pH 值低点之间的差异就越大。但这并不是唯一的惊喜。当 Silbiger 检查每个地点潮池之间的变异性时，她发现那些酸度变化极大的潮池，在晚上有一些最腐蚀性的、最低的 pH 值，实际上拥有更多的造礁、钙化生物，如贻贝。她推断，这些动物实际上是在利用它们的潮池生产者产生的巨大 pH 波动，以便在白天生长，并在晚上抵抗侵蚀。“这个循环被称为‘生物物理反馈循环’，生物和环境相互影响，”她解释说。“那些正在生长贝壳或钙化骨骼的动物，如果它们位于有大量海洋植物或藻类的区域，生长速度会更快。”天然缓冲剂 这项工作开启了培养某些物种以减少影响的诱人可能性。“藻类可能是在非常局部范围内缓冲海洋酸化的手段，”Silbiger 说。“有些研究正在进行，人们正在将海带等东西放在牡蛎孵化场和其他类似农场的近海，看看他们是否可以通过添加这些光合作用者来改变近海的化学环境。”同样，我们可以在珊瑚礁的近岸区域培养海草床，以缓冲腐蚀性水体，而无需将珊瑚暴露于它们的藻类敌人。但总的来说，这项研究表明了沿海保护工作的重要性。“我们的研究表明，保护拥有大量海洋植物和藻类的区域可以在局部缓冲或减缓海洋酸化的一些负面影响，”Silbiger 说。“这意味着，如果人类通过气候变化或沿海开发改变了我们海岸线沿海生物的构成，这将改变局部 pH 值条件，并可能加剧全球海洋酸化的影响。”“因此，持续的海岸保护是必要的，此外还需要全球减少二氧化碳排放，这是保护我们沿海资源最重要的方式，”她说道。
引用：Silbiger & Sorte, 2018. 生物物理反馈调节跨时空梯度的沿海生态系统的碳酸盐化学。Scientific Reports 8, 796. doi:10.1038/s41598-017-18736-6
