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浮游生物是世界食物链的基础，但海洋变暖和酸化正在影响它们的数量和多样性。一些可以作为鱼类食物和碳储存的物种数量正在大幅减少，而另一些物种的分布范围和繁殖时间正在发生变化。
▵ ©NOAA，浮游动物的近距离视图。
在全球海洋中，一支微小却影响深远的“隐形军队”对地球产生着巨大影响。浮游生物位于海洋食物链的最底层，养育着以此为食的鱼类，这些鱼类为数十亿人提供食物。浮游生物负责供应全球一半的氧气和地球每年一半的碳吸收提供了能量（碳汇）。尽管微小，它们的存在对生态系统有着双重作用，它们可以促进或阻碍生态系统，例如，吸收温室气体，也可能释放毒素。浮游生物的栖息地、数量、繁殖期以及主导物种的变化，都在这种微妙的平衡中扮演着重要角色。而不断变化的气候正在促使这一切发生“海洋巨变”。
南加州大学的海洋微生物学家戴维·哈钦斯 (David Hutchins) 曾预测过浮游生物的未来 ，他说：“我们正走向一个我们可能难以辨认的海洋，甚至是一个陌生的世界，因为它正在发生根本性的变化”。
气候变化正严重影响着我们的海洋，使其温度上升、酸化加剧，极大地改变了洋流。浮游生物的前景喜忧参半，部分研究报告称浮游生物数量总体正在下降；而另一些研究则显示某些主要海盆区域出现了上升趋势。海洋生物协会的海洋生物地球化学家克莱尔·奥斯特尔（Clare Ostle，连续浮游生物记录调查项目太平洋分支的负责人）说，“随着地球变暖，许多区域的生物种类正在增加”。但她补充到，某些物种正在失去优势，尤其是那些被认为对食物网和碳汇至关重要的大型“多汁”浮游生物。而且，从长远来看，由于气候变化导致浮游生物因缺乏营养而数量骤减。
科学家们对知识的差距感到震惊。一位专家说：“一直以来，我都对我们对浮游生物知之甚少感到惊讶”。
科学家们现在正在努力弄清楚浮游生物的净影响。他们掌握了一些新技术，包括今年 2 月发射的 NASA 新卫星 PACE（即浮游生物、气溶胶、云、海洋生态系统）。还有一些传统方法，如耗费数十年、用过滤器在海洋中拖网收集海洋中的微小生物并手工计数的项目。然而，科学家们表示，仍然对知识空白的广泛程度感到震惊。
本月，海洋管理联盟（Ocean Stewardship Coalition）在纽约联合国大会上发布了一份“浮游生物宣言” ，强调浮游生物的重要性以及我们对它们的了解程度。该组织写道：“浮游生物对地球的重要性在很大程度上仍被忽视”，同时呼吁在国际条约中对增加有关浮游生物的现状进行更多的研究、教育和讨论。
“浮游生物”一词源于希腊语，意为“流浪者”，它是指生活在淡水或海水中、随洋流漂流的众多微小生物。这些生物包括植物、动物、藻类、真菌、细菌、病毒，以及一些介于分类边缘的生物，不同于陆地上的生物。光合浮游植物以阳光和二氧化碳为食，包括玻璃质硅藻、带有鞭毛的甲藻和在与海洋酸化作斗争以形成钙质外壳的球形颗石藻。其他如浮游动物则包括带壳有孔虫、鱼类幼虫、小型蠕虫，甚至水母等微小动物。有些浮游生物的寿命从几天到几年不等。
▵ ©NASA，2021 年 7 月，挪威斯文斯科亚岛周围浮游生物大量繁殖的卫星图像。
伯尔尼大学生态数据分析师法比奥·贝内德蒂（Fabio Benedetti）表示，温度对浮游生物影响巨大。他的模型与其他研究一致，预测随着水温升高，浮游生物将以每十年约 33.8 公里（21 英里）的速度向极地移动。“有些变化将是巨大的，比如在北极，整个群落都将被新物种取代”，他说。贝内德蒂表示，浮游植物（光合浮游生物）似乎比浮游动物更能应对逐渐的升温，因此它们的栖息地范围和多样性在大多数地区似乎都会增加。但这并不一定是好消息：贝内德蒂指出，与直觉相反，最富生产力的海域反而多样性较低，而且多样性增加并未必意味着浮游生物总数量会增加。
从长远来看，由于氮和铁等关键营养物质的供应减少，研究人员担心浮游生物数量将整体下降。浮游生物通常依赖从海底到海面混合的营养物质。但极地冰盖的融化和洋流的改变的正在增加上层淡水和更深的咸水之间的密度差，使这些水层混合的可能性越来越小。这种所谓的“分层强化”的现象预计将使越来越多海域缺乏营养。哈金斯说，虽然一些沿海地区由于农业田地的氮素流失而氮过量，但广阔的远洋海域却可能会变得“更像沙漠”。
科学家们曾研究向海洋中倾倒大量铁元素以促进浮游生物吸收二氧化碳？
科学家们曾研究向海洋倾倒大量铁元素，以促进浮游生物吸收二氧化碳的想法。然而，阻碍这一趋势的一个因素是来自化石燃料燃烧和野火造成的污染，它们可以将营养物质带到远洋海域。例如，2019-2020 年南太平洋某地区的野火向海水中注入了大量铁元素，使得新西兰和南美洲之间的的浮游植物（光合浮游生物）浓度翻了一番，形成了一个比澳大利亚还大的藻华*，并持续了数月。研究这一现象的塔斯马尼亚大学霍巴特校区的雅各布·韦斯（Jakob Weis）表示，最令人惊讶的是这些藻华持续的时间之长。据认为，这些生物吸收的碳量大致与野火所排放的碳量相当，这在气候变化的背景下是一个积极的因素。“考虑到野火对公众、野生动物、陆地生态系统和气候造成的毁灭性影响，我们有意避免将藻华描述为‘好消息’ ”，韦斯说。但至少对浮游生物来说，它们是“快乐的”。
这种营养物质的输入可能造成重大影响，哈金斯表示，尤其是在南半球，那里的海域极度缺乏铁，但长期影响尚不明确。哈金斯说：“我们并不确切不知道这是否会平衡一些未能从深层混合上来的营养物质，或者它是否会因其化学成分不同的（食物）筛选出不同的群落、不同的物种”。奥斯特尔补充道，这类藻华并不会在应对全球变暖的宏观大局中起到显著作用。“我们燃烧了数千年积累的石油和天然气矿藏，光靠浮游植物的大量繁殖无法解决这个问题”。
▵ ©NASA，技术人员为 NASA 的新 PACE 卫星准备了一台用于测量海洋颜色的仪器 。
自 20 世纪 90 年代以来，一些小规模实验探讨了有意向海洋投放大量铁元素以促进浮游生物吸收二氧化碳的想法。但早期测试表明，这种地质工程方案在将碳长期埋入海床方面可能效果不佳，同时成本高昂、实施困难，更不用说可能对海洋生物造成巨大的未知影响。自 2008 年以来，国际社会对大规模商业化施肥活动实施了禁令，但相关研究仍在继续。上个月，伍兹霍尔海洋研究所的肯·布塞勒（Ken Buesseler） 和同事制定了一份研究议程，以评估该策略可能潜在的风险和收益。“从这些实验中学到很多东西，”贝内德蒂说，“但我们不应该将其视为长期解决方案”。
面对如此多的不确定性，研究人员获取有关浮游生物状况的实地数据至关重要。持续时间最长的“浮游生物记录仪 (CPR) 调查项目”是开展此类调查最长的项目，该项目自 1930 年代以来一直在将采集设备安装在跨洋航行的船舶上。该技术很简单：将浮游生物从表层海水中捞出（像撞在汽车挡风玻璃上的昆虫一样），并挤压到过滤器上。随着船只的移动，过滤器会卷起，从而形成船轨对面被“采集”的浮游生物轨迹“卷轴”。这些过滤器被送到实验室展开，并通过显微镜观察浮游生物。该项目总部海洋生物协会的大约十几名工作人员已经接受了识别 600 多种不同类型微小生物的培训，并正试图通过人工智能算法来进一步增强这项任务。
在北欧周围的大西洋，浮游生物数量每十年下降约 10%。
CPR 的绝大部分数据来自北大西洋，这是一个“交通便利”的区域，恰好在全球碳吸收中发挥着重要作用。CPR 太平洋分部的负责人奥斯特尔（Ostle）表示，数据显示，在靠近极地的区域浮游生物的生物量有所增加，而在靠近热带的区域则减少，这与预期相符。
有趣的是，奥斯特尔说，“看到这种情况真是令人意外”。这些增加的浮游植物大多是硅藻，一种体积较大、圆形的浮游植物，是鱼类喜爱的“食物球”，并且沉降较快，使它们成为良好的碳储存“炸弹”。 这是一个重要的转变：“硅藻确实是碳固定的引擎”，哈金斯补充道，他估计硅藻占浮游植物总碳吸收量的一半左右。
奥斯特尔怀疑北大西洋硅藻意外繁荣的原因在于阳光。增强的海洋分层阻止营养物质上升混合，同时也使硅藻能够滞留在光照充足的表层海水中；使它们在生长区停留的时间更长。然而，奥斯特尔认为，分层增加带来的食物劣势最终可能会超过光照优势，但具体时间和方式仍不确定。
▵ ©Steve Gschmeissner / Science Photo Library via Alamy，使用电子显微镜拍摄的硅藻彩色图像。
不同地区的情况也各不相同。在北欧附近的东北大西洋，浮游生物丰度正以每十年约 10% 的速度下降。一些研究人员甚至认为，20 世纪 90 年代北海鳕鱼资源崩溃，通常归咎于过度捕捞，但实际上可能与浮游生物的减少有关。然而，在北冰洋，浮游生物数量呈现出繁盛态势，其生产力在 1998 年至 2018 年间增加了 50% 以上，这不仅是由于融冰带来了更多的开阔海域，还可能是由风暴和洋流变化向北冰洋引入了更多营养物质。
奥斯特尔表示，在北太平洋和副热带地区的数据较少，但这些区域的数据也开始显示出从大型硅藻向甲藻转变的重要趋势。这些体型较小的生物营养价值较低，鱼类必须费力地更多进食。“这对渔业可能产生重大影响，我们还不确定结果会怎样”，奥斯特尔说。
甲藻也是浮游生物中具有生物发光功能的一类，有时还会产生导致贝类中毒的生物毒素。“在南加州发现了大量的生物发光藻华”，哈钦斯（Hutchins）说。“如果你晚上去海滩散步，看到海浪泛光，那真的很漂亮（查看往期文章），但它们同时也携带毒素。我认为它们（甲藻）也会成为未来温暖海洋中的‘赢家’之一”。
要看到气候变化对浮游生物的长期影响需要几十年的时间，而且浮游生物每年的影响都有很大的变化。
奥斯特尔刚刚担任全球联盟 CPR 调查主席，致力于更全面地了解全球浮游生物的状况。但她表示这很难，“我们目前没有资金来维持这个项目，所以都是志愿进行的”。尽管世界各地有十几个区域性 CPR 调查，但仍有大面积海域缺乏常规的浮游生物监测。
研究人员可以尝试使用卫星来填补这一空白。但要看到气候变化对浮游生物的长期影响需要几十年的时间，因为浮游生物在不同季节和年份之间变化很大。卫星通常测量表层的颜色，来间接观察（富含叶绿素指标）的浮游植物状况。
去年，研究人员报告称，NASA 的 Aqua 卫星数据显示，过去 20 年间，全球超过一半的海洋变绿了。哈钦斯说：“对于很多科学家而言，这是一个非常不直观的发现，其意义尚不明确。”南安普顿国家海洋学中心的 B.B. Cael（该研究负责人）表示：“‘变绿’并不一定意味着浮游生物数量或生产力的增加”，他解释道，“我们试图提醒大家不要这样解释，但我认为这个信息没有得到传达。相反，颜色的变化可能反映了某种浮游生物群落的替换（从一种浮游生物转变为另一种浮游生物），而不是数量的增加”。
早些时候 NASA 发射的新卫星 PACE 可能会有所帮助。它可以“看到”一百多种颜色，而不是以前的卫星只能探测到少数几种颜色。NASA 戈达德 PACE 科学主管塞西尔·鲁索 (Cecile Rousseaux) 表示，这将使研究人员识别一些特定的浮游生物物种或群体。“它不仅告诉我们浮游植物的总数，还告诉我们里面有哪些浮游生物，是什么类型的浮游生物。这是一个全新的信息水平”。
与此同时，研究仍在继续，尚有许多谜团等待解开。奥斯特尔指出，科学家不仅要确定浮游生物的种类分布，还要精确了解它们出现的具体时间，因为浮游生物繁殖期的变化也会对渔业产生显著的连锁反应。她还补充说，随着水温升高，攻击浮游生物的病毒似乎也在增加，这将带来尚未明了的影响。
全球气候变暖，海洋浮游生物群落的重大重组
Benedetti, F., Vogt, M., Elizondo, U.H. et al. Major restructuring of marine plankton assemblages under global warming. Nat Commun 12, 5226 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-25385-x
https://doi.org/10.1029/2021GL097538
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