浩瀚、复杂且部分(fēn)未开发的海洋构成了世界上最大的生物(wù)群落，并拥有(yǒu)塑造未来世界的力量。众多(duō)系统共同构成了一个健康海洋，然而人类活动也以许多(duō)方式破坏了海洋。

 

海洋最突出的威胁之一是变暖，它影响洋流和海洋层、营养物(wù)质(zhì)循环以及海洋生物(wù)及其生态系统。其他(tā)危险包括酸化、过度捕捞、污染、生物(wù)多(duō)样性下降、珊瑚白化和冰盖融化。

 

但好消息是，亚利桑那州立大學(xué)（ASU）有(yǒu)一支海洋研究队伍，他(tā)们正在寻求与海洋建立更健康、更可(kě)持续关系的解决方案，以维持一个繁荣的地球和社區(qū)。

 

 

△ BIOS的研究船“大西洋探索者”号冒险进入百慕大周围的海洋。杰夫 纽顿（Jeff Newton）拍摄

 

沙漠与海洋相遇的地方

 

ASU坐(zuò)落在亚利桑那州，这里仙人掌遍地，响尾蛇出没，夏天极為(wèi)闷热。生活在索诺兰沙漠的人是如何被海洋影响的？

 

“我们非常依赖太平洋正在发生的气候循环，”海洋學(xué)家、新(xīn)的海洋未来學(xué)院创始院長(cháng)苏珊娜·诺伊尔（Susanne Neuer）教授说，“风暴带来了从太平洋上空蒸发的水汽，下次你被雨水淋湿时，可(kě)以想想这些水是如何从太平洋来到这里的。夏天的季风，则来自于墨西哥(gē)湾和加利福尼亚湾。沙漠中(zhōng)的生命和水资源尤其依赖海洋。”

 

更重要的是，整个地球在某种程度上依赖于海洋。这就是為(wèi)什么亚利桑那州立大學(xué)的海洋未来學(xué)院对亚利桑那州立大學(xué)朱莉·安(ān)·瑞格利全球未来实验室（Julie Ann Wrigley Global Futures Laboratory）的整體(tǐ)使命至关重要，它旨在确保星球宜居，让人们拥有(yǒu)幸福未来。

 

本着这种精(jīng)神，ASU在全球范围内建立了联系，以扩大其海洋研究。ASU的全球发现与保护科(kē)學(xué)中(zhōng)心，位于太平洋上的夏威夷；百慕大海洋科(kē)學(xué)研究所，位于大西洋上，是亚利桑那州立大學(xué)的新(xīn)合作(zuò)伙伴。

 

与沿海社區(qū)合作(zuò)

 

能(néng)够可(kě)持续性捕鱼吗？

 

商(shāng)业捕鱼是世界各地沿海社區(qū)的重要收入来源，但它可(kě)能(néng)会伤害那些与目标鱼一起被意外捕获的濒危物(wù)种。

 

海洋生物(wù)學(xué)家、社会未来创新(xīn)學(xué)院的助理(lǐ)研究教授杰西·森科(kē)（Jesse Senko）的研究表明，新(xīn)的捕鱼技(jì )术可(kě)以使墨西哥(gē)和加利福尼亚南部太平洋沿岸的脆弱海洋野生动物(wù)和渔民(mín)的生产(chǎn)力受益。在刺网(一种大型渔网)上安(ān)装(zhuāng)太阳能(néng)灯，大大减少了鲨鱼、鳐鱼、海龟和不需要的鱼等动物(wù)的副捕获量。与此同时，目标鱼的捕获率也在上升。

 

森科(kē)说：“这可(kě)能(néng)是因為(wèi)渔民(mín)需要清除的被纠缠在照明网中(zhōng)的动物(wù)越来越少，其中(zhōng)包括乌龟、鲨鱼、鳐鱼、鱿鱼和小(xiǎo)型鱼类的数量，这些动物(wù)的清除可(kě)能(néng)耗时、困难甚至危险。”

 

可(kě)持续捕鱼不仅為(wèi)保护海洋野生动物(wù)，而且為(wèi)改善依赖该行业的渔民(mín)及其社區(qū)的生计提供了机会。

 

诺伊尔说：“在海洋中(zhōng)部的岛屿夏威夷和百慕大群岛上的两个地点，扩大了我们的研究领域，囊括了世界两大洋，使我们不再被内陆包围。”

 

 

△ 杰西·森科(kē)在墨西哥(gē)下加利福尼亚州与渔民(mín)合作(zuò) / 图源ASU

 

食物(wù)和水里有(yǒu)塑料吗？

 

微塑料、重金属和其他(tā)污染物(wù)最终可(kě)能(néng)会进入你的海鲜拼盘。

 

数學(xué)与自然科(kē)學(xué)學(xué)院副教授贝斯·波利多(duō)罗（Beth Polidoro）正在研究海洋污染如何影响水生生物(wù)和食用(yòng)海鲜的人的健康。有(yǒu)了这些信息，可(kě)以帮助指导环境保护政策。

 

波利多(duō)罗说：“在美國(guó)和欧洲，我们真的很(hěn)幸运。我们有(yǒu)大量的数据、科(kē)學(xué)家、设备和能(néng)力来研究污染和其影响。我们也有(yǒu)良好的规章制度，监测和减轻这些污染物(wù)对环境的影响。离开这些國(guó)家，你根本看不到同样的事情。几乎没有(yǒu)监管，也几乎没有(yǒu)监控，其他(tā)國(guó)家的政府几乎没有(yǒu)能(néng)力做这些事情。”

 

波利多(duō)罗正帮忙填补菲律宾等地的这一空白，菲律宾拥有(yǒu)世界上最高的海洋生物(wù)多(duō)样性，但也是全球最大的塑料污染國(guó)之一。通过她的工(gōng)作(zuò)，各國(guó)可(kě)以优先考虑沿海地區(qū)人类和生态系统健康面临的最大风险，并努力减少风险和影响。

 

 

△ 贝斯·波利多(duō)罗研究海洋污染如何影响水生生物(wù)和食用(yòng)海鲜的人的健康 / 图源ASU

 

夏威夷原住民(mín)

是如何保护陆地和海洋的？

 

夏威夷群岛起源于火山(shān)，地理(lǐ)位置非常陡峭。山(shān)雨可(kě)以迅速流下，给沿海海洋环境带来径流。但山(shān)脉的森林覆盖可(kě)以帮助吸收雨水，甚至為(wèi)流入海洋的水增加多(duō)种营养。

 

海洋期货學(xué)院助理(lǐ)教授凯蒂·卡梅拉梅拉（Katie Kamelamela）说：“我们称之為(wèi)毛卡-马凯（mauka-makai）关系。毛卡的意思是山(shān)脉，马凯的意思是海洋，这种联系在夏威夷非常重要。”

 

卡梅拉美拉通过采访文(wén)化从业者，研究夏威夷人如何收集和使用(yòng)森林和海洋的植物(wù)。她完成了对夏威夷州森林采集许可(kě)证的首次分(fēn)析，简化了整个岛屿之间的的县级通讯工(gōng)作(zuò)。

 

从历史上看，夏威夷原住民(mín)巧妙地利用(yòng)毛卡-马凯关系来设计封闭的食物(wù)系统。例如，种植芋头根作(zuò)物(wù)的湿地斑块会收集雨水并向水中(zhōng)添加营养。这些水滋养着下游的海藻，而这些海藻為(wèi)夏威夷的放养池塘中(zhōng)的鱼增肥。

 

通过与原住民(mín)社區(qū)的合作(zuò)和她自己在夏威夷的生活经历，卡梅拉梅拉看到了夏威夷人是如何适应岛屿的极端天气以及保护自然资源的健康的。

 

“适应和感恩是自然保护主义者需要學(xué)习的，”她说，“土地的健康就是人民(mín)的健康。”

 

 

△卡梅拉梅拉会去市场和文(wén)化博览会，比如夏威夷希洛一年一度的梅里君主节，看看人们如何使用(yòng)当地植物(wù)来制作(zuò)诸如哈库雷头饰之类的商(shāng)品。照片由凯蒂·卡梅拉梅拉提供

 

各种各样的生物(wù)

 

海底生活着什么？

 

海底是海洋中(zhōng)最神秘的區(qū)域之一，尽管压力巨大，食物(wù)匮乏，一片漆黑，但生命依然存在。

 

地球与太空探索學(xué)院助理(lǐ)教授伊丽莎白·特伦巴斯·赖克特（Elizabeth Trembath Reichert）的研究表明，尽管生活在一个几乎没有(yǒu)食物(wù)来源的地方，但生活在海底以下的微生物(wù)却出奇地活跃。这些微生物(wù)很(hěn)巧妙地利用(yòng)碳来生長(cháng)。

 

特伦巴斯·赖克特说：“我们的理(lǐ)论是，这些微生物(wù)资源丰富，直接利用(yòng)二氧化碳作(zuò)為(wèi)构建块，而不必首先将其转化為(wèi)食物(wù)来源，可(kě)能(néng)会对深海碳循环产(chǎn)生重大影响。”

 

了解这些深海微生物(wù)利用(yòng)二氧化碳在巢穴中(zhōng)生存的许多(duō)巧妙方式，将使科(kē)學(xué)家更好地了解海洋如何从大气中(zhōng)收集二氧化碳，扩大对宜居环境的定义。

 

风险最大的珊瑚在哪里？

 

据估计，珊瑚礁滋养了25%的海洋物(wù)种，保护海岸線(xiàn)免受破坏性风暴的影响，并通过食品业和旅游业支持沿海社區(qū)的经济。我们知道它们正受到更温暖、酸性更强的水域的威胁，但珊瑚礁到底在哪里，哪些地區(qū)受灾最严重？

 

艾伦珊瑚图集是由全球发现与保护科(kē)學(xué)中(zhōng)心的格雷格·阿斯纳（Greg Asner）领导的一项工(gōng)作(zuò)，旨在绘制和监测世界各地珊瑚礁的健康状况。阿斯纳的团队在2021年完成了第一张全球浅水珊瑚礁地图，如今仍在继续扩大该地图的范围。

 

如果没有(yǒu)地理(lǐ)科(kē)學(xué)与城市规划學(xué)院副教授罗宾·马丁（Robin Martin）创建的关键方法，艾伦珊瑚图集是不可(kě)能(néng)的。她的研究项目光谱组學(xué)使用(yòng)光谱成像来检测环境中(zhōng)存在的化學(xué)物(wù)质(zhì)。马丁发现，不同的珊瑚物(wù)种会释放出不同的化學(xué)信号，这些信号会随着它们的健康状况的变化而变化。利用(yòng)从飞机和卫星上收集的光谱成像数据，马丁可(kě)以判断特定地區(qū)存在哪些类型的珊瑚，以及它们的健康状况如何。

 

她说：“能(néng)够使用(yòng)遥感的优势之一是，你可(kě)以在你无法到达的地方进行测量，还可(kě)以观察到更大的區(qū)域。”

 

 

△一张俯瞰珊瑚礁的照片帮助多(duō)米尼加共和國(guó)保护了因旅游业发展而日益增長(cháng)的海岸線(xiàn)。图片由格雷格阿斯纳（Greg Asner）拍摄

 

我们如何恢复珊瑚礁？

 

珊瑚与藻类共生：珊瑚為(wèi)藻类提供了一个安(ān)全的家园，藻类為(wèi)珊瑚提供了光合能(néng)量（以及斑斓的色彩）。珊瑚白化发生时，珊瑚在较高的温度和藻类的压力作(zuò)用(yòng)下被驱逐。

 

分(fēn)子科(kē)學(xué)學(xué)院助理(lǐ)教授莉莎·罗杰（Liza Roger）说：“我们不知道它是寄主珊瑚，还是藻类伴侣，或者两者兼而有(yǒu)之。我们试图观察它们是如何处理(lǐ)这种压力的，并在分(fēn)子水平上理(lǐ)解它。”

 

罗杰正在海洋未来學(xué)院领导一个新(xīn)的实验室，该实验室将培育和研究珊瑚，以找到克服这种压力的方法。

 

克利夫·卡波诺（Cliff Kapono）是夏威夷的一位分(fēn)析化學(xué)家和专业冲浪者，他(tā)研究的是一块似乎不可(kě)能(néng)复原的珊瑚礁區(qū)域。数千年来，夏威夷大岛上的霍诺里伊（Honoli’i）海滩自然地经历了暴雨径流。这会将棕色沉积物(wù)冲入水中(zhōng)，阻挡阳光照射到珊瑚礁上，甚至使珊瑚窒息。

 

他(tā)说：“我在镇外冲浪时注意到，尽管全年都有(yǒu)恒定的棕色海水，但那里有(yǒu)一个灿烂的暗礁。暗礁和珊瑚物(wù)种只在夏威夷有(yǒu)发现。”

 

卡波诺也是夏威夷原住民(mín)，他(tā)将冲浪的文(wén)化遗产(chǎn)和当地人的智慧有(yǒu)机结合起来，研究这些珊瑚礁如何在恶劣的环境中(zhōng)生存，这也许有(yǒu)一天会对其他(tā)地方的珊瑚礁有(yǒu)所帮助。

 

鲨鱼宝宝出生在哪里？

 

鲨鱼是健康海洋的重要组成部分(fēn)。作(zuò)為(wèi)捕食者，它们统治着其他(tā)野生动物(wù)，促进生物(wù)多(duō)样性和珊瑚礁繁盛。鲨鱼寿命長(cháng)，但成長(cháng)缓慢，易受威胁，因此保护鲨鱼繁育是工(gōng)作(zuò)的重点。

 

詹姆斯·苏利科(kē)夫斯基（James Sulikowski）花(huā)时间研究这些被误解的海洋“反派”。在苏利科(kē)夫斯基鲨鱼和鱼类保护实验室，他(tā)和學(xué)生们作(zuò)為(wèi)研究员收集鲨鱼、鳐鱼和魟鱼的运动模式、生長(cháng)速度、捕捞压力和其他(tā)数据，助力鱼类种群保护。

 

在最近的一项研究中(zhōng)，苏利科(kē)夫斯基将一种安(ān)全的鲨鱼宫内传输器植入怀孕的扇形锤头鲨和虎鲨體(tǐ)内。当鲨鱼出生时，每个发射器都会释放并发出一个信号，让他(tā)的团队知道位置。

 

“為(wèi)了保护鲨鱼幼崽，我们必须保护它们的妈妈，”数學(xué)与自然科(kē)學(xué)學(xué)院的教授苏利科(kē)夫斯基说，“能(néng)够准确地看到鲨鱼在哪里分(fēn)娩——这是我们过去一直在努力做的——这宛如鲨鱼科(kē)學(xué)保护的圣杯。”

 

陷入困境的海洋

 

浮游生物(wù)有(yǒu)什么特别之处？

 

在阳光明媚的海洋上层有(yǒu)一群微小(xiǎo)生物(wù)——被称為(wèi)浮游植物(wù)的微藻。通过光合作(zuò)用(yòng)，海洋浮游植物(wù)利用(yòng)阳光吸收溶解在水中(zhōng)的二氧化碳，并在體(tǐ)内将其转化為(wèi)碳。

 

基础和应用(yòng)微生物(wù)组學(xué)生物(wù)设计中(zhōng)心的研究员苏珊娜·诺伊尔（Susanne Neuer）教授还研究了浮游植物(wù)在碳循环中(zhōng)的关键作(zuò)用(yòng)，以及它们是如何受大气中(zhōng)二氧化碳的增加和其他(tā)因素的影响。

 

“当大多(duō)数人想到海洋时，他(tā)们会想到大型生物(wù)，比如鲸鱼、海豚或海龟。”诺伊尔说。海洋是由微生物(wù)控制的，微生物(wù)的重要性令人难以置信。

 

随着温度升高，最小(xiǎo)的浮游植物(wù)也可(kě)能(néng)被证明是最顽强的，这使得了解它们在碳循环中(zhōng)的作(zuò)用(yòng)变得更加重要。

 

 

△探索微生物(wù)的世界，苏珊娜·诺伊尔（Susanne Neuer）（右）和博士生比安(ān)卡·纳希尔·克鲁兹（Bianca Nahir Cruz）在他(tā)们的海洋实验室里观察不同类型的浮游植物(wù)培养。

 

我们能(néng)保护海冰吗？

 

海冰对地球有(yǒu)着重要作(zuò)用(yòng)。当海水结冰时，盐留在下面的水中(zhōng)。这种密度更高的水下沉并在世界海洋周围流动，将氧气带到世界各地的深水中(zhōng)。海冰也反射阳光，使地球两极保持寒冷并影响天气系统。在冰层较薄的地方，阳光透过冰层使藻类生長(cháng)，吸引浮游生物(wù)、鱼类、海豹和北极熊——这是一个充满活力的生态系统，因纽特人将其称之為(wèi)冰下花(huā)园。

 

但冰层也在受到威胁。在冬季，沿北部海岸形成海冰，然后经过几年时间，它穿越北极，随着时间的推移变得越来越厚。随着温暖的空气和海水从上到下的加热，厚冰层的形成变得更加困难。海洋未来學(xué)院教授斯蒂芬妮·菲尔曼（Stephanie Pfirman）在追踪最古老、最厚的冰的位置，因為(wèi)在变暖的世界里，这些冰需要很(hěn)長(cháng)时间才能(néng)融化。

 

菲尔曼说：“在加拿(ná)大和格陵兰岛以北有(yǒu)一个特殊的地方叫做最后一个冰區(qū)，面积相当于马达加斯加。我们认為(wèi)，在夏季，比起北极其他(tā)任何地方，这里的冰都能(néng)多(duō)保持几十年的时间不融化。”

 

菲尔曼利用(yòng)卫星数据研究海冰运动，為(wèi)管理(lǐ)最后一个冰區(qū)的政策提供信息——例如，应保护哪些區(qū)域以及应避免哪些活动，如石油开发或航运。

 

她还与原住民(mín)社區(qū)合作(zuò)开展外联工(gōng)作(zuò)，并将材料翻译成因努皮亚克语等语言，从而改善北极科(kē)學(xué)交流。她开发了一个名(míng)為(wèi)“生态链：北极未来”的游戏，这是“向生物(wù)學(xué)家提问”學(xué)科(kē)计划的一部分(fēn)，训练玩家在面对变暖、海洋酸化和过度捕捞的情况下，战略性地管理(lǐ)海冰生态系统的能(néng)力。

 

 

△海冰有(yǒu)助于海洋深层水的氧化，反射阳光使地球降温，并提供独特的海洋环境。但是，它也正在受到威胁。照片由沙特斯托克（Shutterstock）提供

 

什么是海洋酸化？

 

虽然你可(kě)能(néng)听说过海洋变暖、海平面上升或冰盖融化，但你知道海水也在变得越来越酸吗？当二氧化碳分(fēn)子被吸收到海洋中(zhōng)时，它们改变了碳酸盐和碳酸氢盐的平衡，降低了海洋的pH值，使其变酸。

 

这种酸性对海洋生物(wù)有(yǒu)很(hěn)大的影响。例如，珊瑚骨架和海蝴蝶的贝壳等硬结构已经变得更加脆弱。

 

“在过去的40年里，pH值变化為(wèi)0.1。听起来不太像，但它是对数尺度的。事实是，在过去40年中(zhōng)，亚热带北大西洋的酸度增加了约40%，”海洋未来學(xué)院教授、百慕大海洋科(kē)學(xué)研究所研究主任尼古拉斯·贝茨（Nicholas Bates）说。

 

贝茨利用(yòng)長(cháng)达数十年的时间序列研究随时间变化的海洋化學(xué)。百慕大海洋科(kē)學(xué)研究所（BIOS）位处地球上最古老的时间序列项目“水文(wén)站”所在地，该项目自1954年以来，每两周测量一次海洋的物(wù)理(lǐ)性质(zhì)。百慕大时间序列站 (BATS)是另一个海洋pH值研究，自1988年以来一直收集相关信息。

 

这项工(gōng)作(zuò)的数据超出了实验室范围，為(wèi)國(guó)际政策提供了信息。贝茨的海洋酸化记录已经被列入曾经的IPCC报告。百慕大海洋科(kē)學(xué)研究所还与非营利机构马尾藻海委员会合作(zuò)，為(wèi)马尾藻海内的國(guó)际水域制定保护政策。

 

 

△百慕大海洋科(kē)學(xué)研究所的海洋技(jì )术人员乘坐(zuò)“大西洋探险家”号研究船，从海洋中(zhōng)提取设备，采集各种样本和测量数据。杰夫·纽顿摄

 

海洋的希望

 

培养强有(yǒu)力的变革者，积极塑造海洋未来，是海洋未来學(xué)院的关注重点。

 

诺伊尔说：“很(hěn)多(duō)项目都是从教育开始的，这就是為(wèi)什么我们非常注重发展學(xué)术项目。”

 

學(xué)院正在开发海洋科(kē)學(xué)學(xué)士和博士课程，计划于2024年秋季开设。學(xué)校的目标是把各种背景的學(xué)生纳入其课程。由于夏威夷原住民(mín)和太平洋岛民(mín)在海洋科(kē)學(xué)方面的代表性不足，卡梅拉梅拉（Kamelamela）和卡波诺（Kapono）——他(tā)们本身就是夏威夷原住民(mín)——正在设法增加學(xué)生背景的多(duō)样性，支持研究生项目，并在學(xué)生社區(qū)开展有(yǒu)意义的工(gōng)作(zuò)。

 

卡梅拉梅拉说：“我们认為(wèi)这将是一个很(hěn)好的机会，让岛上的本土人才能(néng)够接触到亚利桑那州立大學(xué)在夏威夷和网上提供的资源。”

 

诺伊尔指出，ASU最近被指定為(wèi)拉美裔服務(wù)机构，这也為(wèi)该校增加下一代海洋科(kē)學(xué)家的多(duō)样性提供了机会。

 

為(wèi)了帮助培养这一领域的科(kē)學(xué)家和寻找解决海洋问题的办(bàn)法，该校拥有(yǒu)一套高科(kē)技(jì )工(gōng)具(jù)，如全球机载观测飞机实验室、碳测绘卫星、BIOS大西洋探险家研究船和BIOS MAGIC自主水下滑翔机。该设备使研究人员能(néng)够分(fēn)别从空气层、空间层、公(gōng)海层和深海层研究海洋生态系统。

 

诺伊尔说：“这使我们能(néng)够在大环境下，提出和回答(dá)更多(duō)关于海洋的问题。”

 

 

△使用(yòng)高科(kē)技(jì )设备，比如上面的大西洋探险家研究船，可(kě)以让ASU的科(kē)學(xué)家们提出并回答(dá)更多(duō)关于海洋的问题。杰夫·纽顿摄

 

还有(yǒu)更多(duō)的理(lǐ)由可(kě)以保持乐观。上个月，100多(duō)个國(guó)家就联合國(guó)公(gōng)海条约达成一致，该条约保护占世界近一半的國(guó)际水域的海洋生物(wù)和生物(wù)多(duō)样性。

 

海洋未来學(xué)院的研究教授杰克·基廷格（Jack Kittinger）说：“现在我们已经完成了这项工(gōng)作(zuò)，作(zuò)為(wèi)一个社區(qū)，我们有(yǒu)责任把这项工(gōng)作(zuò)付诸实施，并迅速、公(gōng)平和有(yǒu)效地完成。这是我们目前面临的真正挑战，但同时也是一个真正的机会。正因為(wèi)如此，全球海洋在十年后可(kě)能(néng)会变得非常不同，但前提是我们要使这项条约生效。”

 

海洋在支持地球上的生命方面发挥着关键作(zuò)用(yòng)，包括维持气候健康、促进陆地和海洋的生物(wù)多(duō)样性以及為(wèi)社區(qū)提供生计。归根结底，它值得我们关注，即使是在索诺兰沙漠，因為(wèi)这里掌握着地球拥有(yǒu)可(kě)持续未来的关键。

 

“如果不了解海洋，我们就无法了解我们的世界。”诺伊尔说。