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前文回顾:大灭绝时代(四)海底的时光机

自从霍尔-斯宾塞于2008年发表了关于洞口系统的第一篇论文之后,人们对于酸化及其影响的热情立刻被引爆了。国际性的研究项目如“海洋酸化的生物学冲击”(BIOACID)和“欧洲海洋酸化项目”(EPOCA)都有了资助,成百上千的实验研究得以开展。这些实验的地点,有的在船上,有的在实验室里,还有被称为中型实验生态系统的封闭空间,那是一小片可以人为控制其条件的真正海洋。

一次又一次地,这些实验证实了二氧化碳浓度提高所带来的危害。虽然有许多物种显然可以过得不错,甚至在酸化的海洋中生长得很旺盛,但也有很多的物种做不到这一点。有些生物被证明是很脆弱的,比如小丑鱼和太平洋牡蛎,它们往往是水族馆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),但却可能对于海洋生态系统更为重要。例如单细胞浮游植物赫氏球石藻(Emiliania huxleyi)就是其中之一。这种球石藻把自己包裹在微型的方解石盘中。在显微镜下观察,它看起来就像是某种疯狂的艺术作品: 一个表面贴满纽扣的足球。在一年中的某些特定时期,赫氏球石藻会大量出现,把广阔海域变成乳白色。它构成了很多海洋食物链的基底。海蝴蝶(Limacina helicina)是一种翼足目的海螺,长得像是带翅膀的蜗牛。它生活在北冰洋里,是很多更大型动物的重要食物,包括鲱鱼、鲑鱼和鲸。上述两种生物似乎对酸化高度敏感: 在一项中型实验生态系统的研究中,赫氏球石藻在二氧化碳水平提高后全部消失了。

乌尔夫·希博塞尔是来自德国基尔海洋地质科学亥姆霍茨中心一名主攻生物学方向的海洋学家,主持有若干项重大的海洋酸化研究,地点位于挪威、芬兰以及斯瓦尔巴特群岛近海。希博塞尔发现,在酸化的海水中活得最好的那些物种主要是不足2微米的浮游生物。它们太小了,以至于自己形成了一套微型的食物网。当这些超微型浮游生物的数量增加时,它们用掉了更多养分,大型生物就此遭殃。

“如果你问我未来会发生什么,我认为我们手上最确凿的证据表明,将会出现生物多样性的下降。”希博塞尔告诉我说,“一些具有高度忍耐力的生物将变得数量庞大,但也会丧失整体的多样性。这是过去每一次物种大灭绝中所发生过的事情。”

海洋酸化有时与全球变暖并称“邪恶双子”。这种讽刺的说法可谓名副其实,甚至可能有些太客气了。没有一种单一的机制可以解释历史上的所有物种大灭绝,然而海洋化学成分的改变似乎是一个很好的指示器。海洋酸化至少在五次大灭绝中的两次(二叠纪末期和三叠纪末期)起了一定作用,而且很可能在另一次(白垩纪末期)中也是主要因素。人称“多尔斯阶更替”(Toarcian Turnover)的灭绝事件发生于1.83亿年前的侏罗纪。在这次事件中,有确凿证据表明出现了海洋酸化。古新世末期也有类似的证据,那是约5500万年前,当时一些海洋生物遭遇了严重的危机。

“噢,海洋酸化,”扎拉斯维奇曾在多布崖告诉我,“这一来要留下多么可怕的一层哪。”

为什么海洋酸化如此危险?这个问题之所以难于回答,只是因为答案实在太多了。酸化可能对一种生物不同的基础生理过程造成影响,比如代谢、催化酶的活性以及蛋白质的功能,具体取决于这种生物调节其自身内在化学环境的能力强弱。由于酸化会改变微生物种群的构成,也就改变了关键营养物质的可获取性,比如铁和氮。基于类似的原因,酸化改变了穿过水体的光线强弱;基于另一些不同的原因,酸化还能改变声音传播的方式。(笼统来讲,酸化会让海洋变得更嘈杂。)酸化似乎很可能促进有毒藻类的生长。它还会对光合作用造成巨大影响——很多植物物种有可能受益于提高的二氧化碳水平——也会改变水中溶解金属形成化合物的情况,在某些条件下产生有毒的物质。

在众多可能造成的冲击之中,最严重的一个或许要牵涉到被称为钙化者(calcifier)的一群生物。(钙化者这个术语包括了任何能够用碳酸钙矿物来构建外壳或外骨骼的生物,除动物之外,也包括用碳酸钙矿物来建造内部架构的水生植物。)海洋中的钙化者是形形色色的不同生物。像海星和海胆一样的棘皮动物是钙化者,像蛤和牡蛎等软体动物也是钙化者。同样是钙化者的还包括甲壳纲的藤壶。许多种类的珊瑚是钙化者,这是它们建筑那些最终成为珊瑚礁的塔状构造的方式。许多种类的海草是钙化者,它们摸起来是坚硬的,而且易碎。珊瑚藻也是钙化者,这种微小的生物生长在一起时,看起来就像是一抹粉色的油漆。腕足类动物是钙化者,球石藻、有孔虫以及许多种类的翼足目动物也都是钙化者。这份名单还可以一直写下去。据估计,钙化作用的演化在生命历史上独立出现的次数不下20次,而且很可能还要高于这个数字。

从人类的角度来看,钙化有点像是建筑工作,又有点像是炼金术。为了建造它们的壳或外骨骼或方解石板,钙化者必须把钙离子(Ca2+)和碳酸根离子(CO2-3)结合到一起,形成碳酸钙(CaCO3)。但是,以在正常海水中获得的离子浓度,钙和碳酸无法彼此结合。因此实际上,钙化者必须在钙化地点改变水体化学环境,从而促成它们自己的化学反应。

海洋酸化增加了钙化的成本,因为可以用于生产碳酸钙的碳酸根离子浓度下降了。二氧化碳溶于水之后,一部分仍以二氧化碳的形式存在,pH值不改变,另一部分则与水分子结合形成碳酸(H2CO3)。如果还是用建筑工作来打比方的话,这情况就像是你想要盖一栋房子,可是有人不停地从你这里偷砖。海水酸化得越严重,钙化者就要消耗越多的能量来完成必需的生理过程。在某个pH值上,海水彻底变成腐蚀性的,固态的碳酸钙开始溶解。这就是为什么离阿拉贡堡洞口太近的帽贝,最终会在壳上出现穿孔。

实验室里的实验研究表明,钙化者尤其将遭受海洋pH值下降的严重冲击,而阿拉贡堡的消失物种名单证实了这一点。在pH值为7.8的区域,消失物种有四分之三是钙化者。其中包括几乎无处不在的穿孔藤壶,生命力极强的地中海贻贝以及马旋鳃虫。其他消失的钙化者还有狐蛤(Lima lima),一种常见的双壳纲动物;斑纹钟螺(Jujubinus striatus),一种巧克力色的海螺;以及叫作沙虫螺(Serpulorbis arenarius)的软体动物。与此同时,有钙化功能的海草全部消失了。

据在这一地区工作的地质学家说,阿拉贡堡的这些洞口涌出二氧化碳气体的历史长达数百年,甚至还要更久。任何软体动物、藤壶或者龙骨虫如果能够在几个世纪的时间里变得适应低pH值的环境,那么它们肯定已经这样做了。“它们有一代又一代的时间去适应这里的环境,但却始终没有做到。”霍尔-斯宾塞如是评论道。

此外,如果pH值降得更低,对于钙化者来说就更糟糕。在靠近那些洞口的地方,冒出来的二氧化碳气泡已经连成了一条气体带。霍尔-斯宾塞发现那里没有任何钙化者。事实上,在那个停车位大小的区域里存活下来的生物只有几种顽强的本地藻类,一些入侵藻类,一种虾,一种海绵,还有两种海蛞蝓。

“在气泡冒出来的地方,你不会看到任何钙化生物,完全没有。”他告诉我,“想象一下,在一个被污染的港口里,你往往只能找到寥寥几种像野草一样顽强的生物,成功地应对了剧烈变化的环境。但是在这儿,只要提高二氧化碳浓度,你就能看到这种景象了。”

迄今为止,人类排入大气的二氧化碳中差不多有三分之一都被海洋吸收了。这相当于1500亿吨,相当震撼。与人类世的其他许多方面一致,惊人之处不仅在于其规模,更在于其速度。为了方便理解,我们不妨用酒精来做个不怎么恰当的比喻: 同样是喝掉半打啤酒,在一个月内喝完和在一小时内喝完,对于你血液化学组成的影响是有很大区别的。加入等量二氧化碳,在一百万年内加入或是在一百年内加入,对于海洋化学组成的影响也是有很大区别的。对于你的肝脏而言,摄入酒精的速率是关键;对于海洋而言,速率同样是关键所在。

如果我们向空气中排放二氧化碳的速度更慢一些,像岩石风化这样的地质学过程就会来扮演对抗酸化的角色。而实际上,事情发生得太快,那些缓慢起效的力量来不及发挥作用。正如蕾切尔·卡森之前对一个非常不同但又同样重大的问题所做的评论:“时间是必不可少的关键要素,但现代社会所缺少的恰恰是时间。”

在哥伦比亚大学拉蒙特多尔蒂地球观测所,巴贝尔·霍尼施领导的一组科学家近期发表了一篇综述,总结了在地质历史的久远过去曾经发生过二氧化碳改变的证据。文中写道,即使在历史上发生过若干次严重的海洋酸化,但是“没有任何一次过去的事件完全符合”当前正在发生的情况,这是由于“目前正在进行的二氧化碳排放有着前所未有的高速”。实际上,本来就没有多少方法可以向空气中迅速注入数亿吨的碳。对于二叠纪末期大灭绝,人们能找到的最佳解释就是今天西伯利亚地区的大规模火山爆发。但即使是这样一个形成了今天所谓西伯利亚暗色岩的壮阔事件,其所排放的碳按年来计算,可能仍不及我们的汽车、工厂以及发电厂的碳排放量。

通过燃烧煤和石油等矿藏,人类把数千万年来——大多数情况下是数亿年来——所隔绝起来的碳重新释放到空气中。在这个过程中,我们不仅是在开地质历史的倒车,并且是以一种极不正常的速度。

在学术期刊《海洋学》的一期特刊中,宾夕法尼亚州立大学的地质学家李·孔普和布里斯托尔大学的气候模型学家安迪·里奇韦尔共同撰文评述酸化问题:“当前地球所经历的就像是一场巨型实验,这在地质学上是异乎寻常的,也很可能是地球历史上前所未有的。造成这一切的关键就是二氧化碳的排放速率。”如果人类在这条路上持续走下去的话,“那么在我们这颗星球的历史上,人类世留下的地质学印记所体现出来的事件,即便不是最为灾难性的事件之一,也一定是最为显著的事件之一”。

本文为松鼠叶盛最新译作《大灭绝时代》的节选连载篇目之五,点击标签“大灭绝时代”可阅读所有相关内容。

《大灭绝时代》,作者为美国知名记者伊丽莎白·科尔伯特,荣获了2015年第99届普利策非虚构类写作奖。作者在序言中写道:

第六次大灭绝的故事,至少根据我所选择的内容来说,分为十三章。每一章的主线是在某一方面具有代表性的一个物种:美洲乳齿象,大海雀,还有一种在白垩纪末期与恐龙一起消失的菊石。本书前面几章所涉及的物种已经灭绝了,因此这一部分主要是在介绍远古的大灭绝及其曲折的发现过程,自法国博物学家乔治•居维叶以始。本书的第二部分讲的是发生在当下的事情,在日益支离破碎的亚马孙雨林中,在迅速变暖的安第斯山坡面,在大堡礁的外围海域里。我选择前往这些特定地点的原因对于一个记者来说都很普通,无非是那里有个科考站,或者是有人邀请我参与一次科考活动。当今正在发生巨变的范围是如此之大,以至于我可以随便去往某处,只要在正确的指引之下,都能发现灭绝的现象。本书中还有一章所讲述的灭绝差不多算是发生在我家后院里——很可能也同时发生在你家后院里。

如果说灭绝是一个令人恐惧的话题,那么大灭绝就更是如此。但这同时又是一个令人感兴趣的迷人话题。在接下来的文字之中,我要尝试着去表述其两面性——既有我们所了解到的事实带来的兴奋,也有与之俱生的恐惧。我希望,本书的读者在掩卷之时,能够对于我们活在其中的非凡一刻心存感激。

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题图由海洛创意HelloRF)提供

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4 Responses to “大灭绝时代(五)海洋酸化,生命无法承受之变”

  1. guo xin说道:

    好像文中对于碳酸钙的溶解方式的叙述,错了。正确的叙述是,过量的二氧化碳增加了碳酸氢根的浓度;碳酸钙难溶于水,但是碳酸氢钙微溶于水。碳酸氢根抢走了钙离子,将碳酸钙变成碳酸氢钙慢慢溶解开去了。

  2. bengy说道:

    我认为,恐龙时代大型动物和大型橛类植物放在现今是不可能存在的,因为重力原因他们早断了。为什么当时却可以?结论是:地球自转越来越慢,以前的地球转的快,离心力大,所以表面动物和植物可以长的很高很大,而不被自身重力压扁。现在转的慢了,自然就变低变小了。陆地板块漂移,也是因为地球转速变慢发生了漂移,还有很多事情都可以用这个来解释,你觉得呢?

    • Illusiwind说道:

      我觉得你活在一个梦里。
      恐龙生活的时代一天大概22.8小时 http://physics.stackexchange.com/a/112339
      按这个角速度与今天的比例来算,那时赤道的向心加速度大约是重力加速度的千分之四左右。这个数字要提高100倍才能有重要的影响,也就是说角速度要提高十倍左右,自转一天大概两个多小时……月球刚出现的时候地球自转应该都没那么快,别说高等动植物形成的时候了……

  3. 24324说道:

    323423143214