5.9
知識分子
The Intellectual
隨著溫室氣體排放繼續使得海洋變暖，海洋生物多樣性可能會在未來幾個世紀內喪失，達到恐龍滅絕以來從未有過的水平 | 圖源：pixabay.com
導 讀
逐漸暖化且缺氧的海水考驗著海洋物種的生存能力，並驅使其向兩極移動，引發海洋物種、特別是極地物種的滅絕危機。
今年4月發表于《科學》雜志的研究中，研究者模擬了二疊紀末期物種滅絕風險與氣候變化之間的關系，並得到化石記錄數據的驗證；研究將該模型遷移到當下環境，量化分析了不同二氧化碳排放情景下，未來全球和局地海洋生物的滅絕風險。
結果表明：如果人類不能迅速且有效地控制溫室氣體排放，海洋生物多樣性的喪失速度還將加快，威脅程度甚至逼近曆史上幾次大滅絕事件。
撰文 | 丁雨田
責編 | 馮灏
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每一次物種大滅絕，背後都像是有一個程序員在給地球調參，對著地球生態系統左調右控，這裏地個震、那邊發個火，不定期再掉兩塊石頭，在漫長的地質尺度下雕刻著這個星球的溫度與脾氣。前五次物種大滅絕中，各物種相繼湧現又漸次退場，三葉蟲、奇蝦、恐龍，以及現正當年的哺乳動物，你方唱罷我登場。
圖1 遠古海洋巨獸—滄龍 | 圖源：網絡
然而，化石能源帶來的排放改變了一些至爲關鍵的參數，地球的快速升溫威脅著包括海洋生物在內的大量物種及其生態系統。4月29日，《科學》雜志刊登了美國普林斯頓大學和華盛頓大學 Justin Penn 和 Curtis Deutsch 的研究成果 [1]。該團隊采用考慮了不同海洋物種的生理耐受限度、利用化石記錄數據進行了驗證、能夠預測二疊紀末期（距今2.52億年前）的物種滅絕風險與物種緯度分布的生理生態模型，量化計算了不同二氧化碳排放情景下的全球和局地海洋滅絕風險。量化評估發現，如果化石能源的使用繼續快速增長，大約三分之一的海洋動物可能在300年內滅絕，物種減少的規模與地球過去的五次大滅絕相當。
這項新的研究建立在兩位作者早期工作 [2] 的基礎上。他們創建了一個地球模擬系統模型，詳細描述了二疊紀末期地球曆史上最嚴重的海洋大滅絕。這次滅絕奪走了海洋中90%以上的物種，該模型發現，隨著溫度的上升和海洋動物新陳代謝的加快，逐漸變暖的海水無法容納足夠的氧氣維系動物生存。而化石記錄作爲曆史數據支撐，也直接而有力佐證了這一模型的穩定性和准確性 [3]。
圖2 左圖： 過去5.42億年來海洋動物屬的化石記錄中的滅絕強度。橫軸爲過去發生的次數，左側縱軸爲滅絕比例，右側縱軸爲正態分布統計比例。五條橫線分別表示各次大滅絕事件的滅絕比例；右圖：模型預測的全球滅絕風險。縱軸爲滅絕比例，橫軸爲地球平均氣溫上升差值 | 圖源[1]
圖3 模型預測的全球消亡風險。縱軸爲消亡比例，橫軸爲地球平均氣溫上升差值 | 圖源[1]
滅絕（Extinction）指一個物種從地球上完全消失；消亡（Extirpation）指一個特定的物種在一個特定的地理區域難覓蹤迹，可能因爲已經遷移到另一個區域。[4]
該研究表明，在二氧化碳低排放情景下，到本世紀末，若全球暖增幅度控制在約1.9攝氏度以內，物種損失將保持和當前相近的狀態（圖2和3，藍色線）。換句話說，若巴黎協定的2攝氏度溫控目標得以實現，物種滅絕的風險將減少70%以上，5000萬年進化史積累的海洋物種多樣性資源將得到有效保存。
而在二氧化碳高排放情景下，到2100年，增暖幅度達到約4.9攝氏度，並在未來三個世紀內進一步攀升至10-18攝氏度，物種損失數量顯著提高（圖2和3，紅色線）。氣候變化將以意想不到的方式對海洋生態系統重新洗牌，海洋升溫和缺氧兩者造成的物種損失在一個世紀內就能與目前人類活動（例如過度捕撈和汙染）的直接影響強度相匹敵，並最終造成與此前五次大滅絕規模相當的物種大滅絕。
圖4 海洋物種消亡風險與緯度的關系 | 圖源[1]
研究還證實，相較低緯度地區，極地物種面臨著更高的滅絕風險。按照人類目前的溫室氣體排放，夏季海冰最早可能在2035年完全消失；而極地的氣候放大效應，使得極地海洋升溫更加顯著，北極的變暖速率可能是世界上其他地區的四倍 [5]。根據2020年世界氣象組織的報告，西伯利亞熱浪席卷遠東地區，俄羅斯有關北極圈以北地區溫度創下新高，韋爾霍揚斯克鎮甚至達到空前的38攝氏度 [6]。
低緯度地區物種滅絕率較低，但物種豐富度相較極地下降得更爲顯著。低緯度地區原本的生物量更高、生物多樣性也更豐富，此外，物種可以向高緯度地區遷徙，有滅絕可能性的物種比例因而不如極地明顯和劇烈。但因其本身基數大，且遷徙後本地消亡，淨數量上仍然有較大影響。
圖5 骨瘦如柴的北極熊在搖搖欲墜的浮冰上 | 圖源：Kerstin Langenberger Photography@facebook
愈發溫暖的海洋迫使物種向更寒冷的高緯度海域遷移，而原本適應極地寒冷氣候的海洋物種，沒有更冷的地方可以遷徙，極地的部分生態位還會被從低緯度地區躲避變暖的遷徙物種占據。深層海水的溫度更低，但壓強也會隨深度遞增，食物豐度也愈發降低，因此，海洋更深處也難以找尋到合適的棲息地支撐龐大的種群。羅格斯大學的一項研究 [7] 認爲，全球變暖導致的海洋增溫會導致未來可捕獲的高産魚種明顯減少，例如200年後，北大西洋沿岸依賴鳕魚的漁民捕獲難度會顯著增加。
令情況雪上加霜的是，物種代謝率會隨水溫升高而增加，因此需要更多的氧氣來完成呼吸等身體功能。然而，海洋中的氧含量只有大氣中的六十分之一，溫暖的海水溶解氧含量更低，海水循環也更加緩慢，隨著全球溫升，這個濃度甚至可能進一步下降，增加海洋生物的生存困境。
作者之一的Deutsch形容這一現象爲海面下的通貨膨脹：“想象一下，通貨膨脹、物價上漲的同時，你的薪水卻下降了；海洋能提供的氧氣更少了，盡管它們比以往更被需要。” [8]
事實上，海水溫度與含氧量之間的關系是廣泛而深遠的。表層海水（即水深50米以上的海水）直接接觸空氣，由于風浪的攪拌作用、垂直對流作用和生物的光合作用，含氧量達到最大值。自表層之下，由于有機體和生物殘骸氧化分解消耗氧氣，光線不足，光合作用減弱，含氧量隨深度持續降低，通常在300-1000米處達到極小值 [9]（此深度隨海區而有所不同，比如大陸架海區就受陸地影響較大）。
由于表面溫暖的富氧水體更輕，難以與深層較冷、含氧量較低的水體上下混合，從而導致海洋水體分層，同時形成含氧量極低的水體區域。在過去的15年左右，海水溫度持續升高，原本含氧量就不高的深海區進一步脫氧，海洋中的低氧區迅速擴大，一些海洋生物的生活區域也被迫隨之改變。例如，原本在海面以下200米深處覓食的深海潛遊者，金槍魚和劍魚，如今也經常被發現浮出海面 [10]。
麥吉爾大學人類和地球系統動力學的教授 Eric Galbraith 認爲：“該研究基于一個成熟的模型，其結論建立了一些簡單但是可靠的相關關系。人類當下的所做作爲將決定我們是否會再次陷入大滅絕” [8]。羅格斯大學生物學家 Malin Pinsky 在接受媒體采訪時也提及，“如果我們漫不經心，人類會走向一個相當可怕的未來，而這項研究則是警鍾” [11]。
這並非警鍾第一次敲響。
1980年代，熱浪席卷太平洋地區，一種叫做加拉帕戈斯少女（Galapagos damsel）的小型銀色魚類從中美洲和南美洲的水域中滅絕 [12]。2017年2月下旬，烏拉圭巴西沿海的一次極端高溫，導致貝類和魚類的大規模死亡，當地漁獲大量減少，而熱浪引起的藻類爆發迫使當局緊急關閉了海灘 [13]。2021年7月，日本海北部和北海道東南部海面溫度比往年正常溫度高出2至4攝氏度，作爲日本最大的漁場，北海道漁民稱，秋刀魚漁獲量比10年前少九成，飛鱿魚減少了八成，三文魚減少了六成 [14]。
有研究者追蹤了119種東北大西洋和72種地中海鲨魚和鳐魚的滅絕風險。從1980年到2015年，在東北大西洋，受威脅物種的比例從29%上升到41%，在地中海，這一比例則從47%上升到65%，研究者將氣候變化列爲生物多樣性惡化的重要因素之一 [15]。而聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的最新評估包含了一個題爲 “大堡礁危機” 的部分 [16]，報告稱，正在死亡的造礁珊瑚是物種被推到溫度極限之外的突出例子，珊瑚白化日益頻繁和嚴重。
圖6 世界自然保護聯盟（IUCN）對當前全球海洋生物滅絕風險及其驅動因素的估計。橫軸爲風險類型，縱軸爲受影響物種數目。氣候變化只是威脅海洋生物因素的一部分，目前影響約45%瀕臨滅絕的海洋物種，但它整體上仍然低于過度捕撈、海上運輸、沿岸都市發展和汙染，位列風險因素的第五位 | 圖源[1]
氣候變化對海洋的影響從來都不是單一的，它更像是一種複合影響，海水變暖、海洋酸化、海平面上升、冰層融化、洋流變化、海水缺氧、食物鏈崩潰，等等 [17]；再加上人類活動，如過度捕撈、海上運輸、沿岸都市的發展和汙染，可能與氣候變化一起，造成連帶效應。
人類活動對海洋生物的威脅是多方面的，與之相對應，減緩海洋生物滅絕壓力的工具箱裏工具也不少：減少化石能源的燃燒，減緩溫室氣體排放；推動國際談判，探索超大型公海海洋保護區的建設；強化非法、未報告及未受規範的漁業管理，對資源管理能力弱的國家予以支持；避免出現計劃外的過度捕撈現象，減少有害漁業補貼；避免使用難降解與易丟棄的網具，減少因網具纏繞、兼捕造成無謂的物種犧牲。
兩位作者起初爲他們的研究起了一個簡單的標題，氣候變暖帶來的海洋生物滅絕風險。在投稿之前，他們最終決定添加一個詞，一個非常重要的詞—— “避免”。Deutsch接受媒體采訪時說，他們希望能夠強調，這項研究的重點不是帶來生態危機將至的恐慌和焦慮，恰恰相反，雖然描述的結果嚴峻，但最壞的結果仍然可以通過積極的行動得以避免 [3]。
致謝：感謝白明、陳蓥婕、姜中景、任國志對本文的建議。
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作者簡介
丁雨田，東京大學新領域創成科學研究科，博士在讀。
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參考文獻：
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1. L., P. J., & Curtis, D. (2022). Avoiding ocean mass extinction from climate warming. Science, 376(6592), 524–526. https://doi.org/10.1126/science.abe9039
2. Penn, Justin L., et al. “Temperature-dependent hypoxia explains biogeography and severity of end-Permian marine mass extinction.” Science 362.6419 (2018): eaat1327.
3. Catrin Einhorn, Warning on Mass Extinction of Sea Life: “An Oh My God Moment”, New York Times, 2022.04.28. https://www.nytimes.com/2022/04/28/climate/global-warming-ocean-extinctions.html
4. Dr.Samanthi, Difference Between Extinction and Extirpation，Difference and Between,2020-07-21. https://www.differencebetween.com/difference-between-extinction-and-extirpation/
5. Leila Mead, A Warming Arctic is a Warning for the World, 2022.04. IISD, Earth Negotiations Bulletin, https://www.iisd.org/system/files/2022-04/still-one-earth-arctic.pdf
6. 世界氣象組織：北極圈溫度或創下曆史新高達38攝氏度，聯合國新聞，2020.06.23。https://news.un.org/zh/story/2020/06/1060502
7. Tekwa, Edward W., James R. Watson, and Malin L. Pinsky. “Body size and food–web interactions mediate species range shifts under warming.” Proceedings of the Royal Society B 289, no. 1972 (2022): 20212755.
8. Evan Bush, Ocean life projected to die off in mass extinction if emissions remain high. NBC News, 2022.04.29. https://www.nbcnews.com/science/environment/ocean-life-mass-extinction-emissions-high-rcna26295
9. 地質礦産部地質辭典辦公室編輯，地質大辭典（四）礦床地質、應用地質分冊：地質出版社，2005
10. 聯合國環境規劃署，溫室氣體正在耗盡海洋中的氧氣，2019.04.10。https://www.unep.org/zh-hans/xinwenyuziyuan/gushi/wenshiqitizhengzaihaojinhaishuizhongdeyangqi
11. Sarah Kaplan, Ocean animals face a mass extinction from climate change , study finds. The Washington Post. 2022.04.29. https://www.washingtonpost.com/climate-environment/2022/04/28/mass-marine-extinction-event-science/
12. Eric Simons, Looking extinction in the eye, Bay Nature. https://baynature.org/biodiversity/galapagos-damselfish/
13. Chris Mooney and John Muyskens, Dagerous new hot zones are spreading around the world. The Washington Post. 2019.09.11
14. 符祝慧，氣候暖化嚴重沖擊日本捕魚量，政府鼓勵漁民轉向人工養殖。新加坡聯合早報，2021.11.27. https://www.zaobao.com.sg/news/world/story20211127-1217434
15. Walls, R.H.L., Dulvy, N.K. Tracking the rising extinction risk of sharks and rays in the Northeast Atlantic Ocean and Mediterranean Sea. Sci Rep 11, 15397 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-94632-4
16. https://report.ipcc.ch/ar6wg2/pdf/IPCC_AR6_WGII_FinalDraft_Chapter11.pdf
17. David Adam, Explainer: how does climate change affect the ocean? China Dialogue Ocean, 2020.09.25. https://chinadialogueocean.net/en/climate/15101-how-does-climate-change-affect-the-ocean/
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