浩瀚、複雜且部分(fēn)未開發的海洋構成了世界上最大的生物(wù)群落，并擁有(yǒu)塑造未來世界的力量。衆多(duō)系統共同構成了一個健康海洋，然而人類活動也以許多(duō)方式破壞了海洋。

 

海洋最突出的威脅之一是變暖，它影響洋流和海洋層、營養物(wù)質(zhì)循環以及海洋生物(wù)及其生态系統。其他(tā)危險包括酸化、過度捕撈、污染、生物(wù)多(duō)樣性下降、珊瑚白化和冰蓋融化。

 

但好消息是，亞利桑那州立大學(xué)（ASU）有(yǒu)一支海洋研究隊伍，他(tā)們正在尋求與海洋建立更健康、更可(kě)持續關系的解決方案，以維持一個繁榮的地球和社區(qū)。

 

 

△ BIOS的研究船“大西洋探索者”号冒險進入百慕大周圍的海洋。傑夫 紐頓（Jeff Newton）拍攝

 

沙漠與海洋相遇的地方

 

ASU坐(zuò)落在亞利桑那州，這裏仙人掌遍地，響尾蛇出沒，夏天極為(wèi)悶熱。生活在索諾蘭沙漠的人是如何被海洋影響的？

 

“我們非常依賴太平洋正在發生的氣候循環，”海洋學(xué)家、新(xīn)的海洋未來學(xué)院創始院長(cháng)蘇珊娜·諾伊爾（Susanne Neuer）教授說，“風暴帶來了從太平洋上空蒸發的水汽，下次你被雨水淋濕時，可(kě)以想想這些水是如何從太平洋來到這裏的。夏天的季風，則來自于墨西哥(gē)灣和加利福尼亞灣。沙漠中(zhōng)的生命和水資源尤其依賴海洋。”

 

更重要的是，整個地球在某種程度上依賴于海洋。這就是為(wèi)什麽亞利桑那州立大學(xué)的海洋未來學(xué)院對亞利桑那州立大學(xué)朱莉·安(ān)·瑞格利全球未來實驗室（Julie Ann Wrigley Global Futures Laboratory）的整體(tǐ)使命至關重要，它旨在确保星球宜居，讓人們擁有(yǒu)幸福未來。

 

本着這種精(jīng)神，ASU在全球範圍内建立了聯系，以擴大其海洋研究。ASU的全球發現與保護科(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，是亞利桑那州立大學(xué)的新(xīn)合作(zuò)夥伴。

 

與沿海社區(qū)合作(zuò)

 

能(néng)夠可(kě)持續性捕魚嗎？

 

商(shāng)業捕魚是世界各地沿海社區(qū)的重要收入來源，但它可(kě)能(néng)會傷害那些與目标魚一起被意外捕獲的瀕危物(wù)種。

 

海洋生物(wù)學(xué)家、社會未來創新(xīn)學(xué)院的助理(lǐ)研究教授傑西·森科(kē)（Jesse Senko）的研究表明，新(xīn)的捕魚技(jì )術可(kě)以使墨西哥(gē)和加利福尼亞南部太平洋沿岸的脆弱海洋野生動物(wù)和漁民(mín)的生産(chǎn)力受益。在刺網(一種大型漁網)上安(ān)裝(zhuāng)太陽能(néng)燈，大大減少了鲨魚、鳐魚、海龜和不需要的魚等動物(wù)的副捕獲量。與此同時，目标魚的捕獲率也在上升。

 

森科(kē)說：“這可(kě)能(néng)是因為(wèi)漁民(mín)需要清除的被糾纏在照明網中(zhōng)的動物(wù)越來越少，其中(zhōng)包括烏龜、鲨魚、鳐魚、鱿魚和小(xiǎo)型魚類的數量，這些動物(wù)的清除可(kě)能(néng)耗時、困難甚至危險。”

 

可(kě)持續捕魚不僅為(wèi)保護海洋野生動物(wù)，而且為(wèi)改善依賴該行業的漁民(mín)及其社區(qū)的生計提供了機會。

 

諾伊爾說：“在海洋中(zhōng)部的島嶼夏威夷和百慕大群島上的兩個地點，擴大了我們的研究領域，囊括了世界兩大洋，使我們不再被内陸包圍。”

 

 

△ 傑西·森科(kē)在墨西哥(gē)下加利福尼亞州與漁民(mín)合作(zuò) / 圖源ASU

 

食物(wù)和水裏有(yǒu)塑料嗎？

 

微塑料、重金屬和其他(tā)污染物(wù)最終可(kě)能(néng)會進入你的海鮮拼盤。

 

數學(xué)與自然科(kē)學(xué)學(xué)院副教授貝斯·波利多(duō)羅（Beth Polidoro）正在研究海洋污染如何影響水生生物(wù)和食用(yòng)海鮮的人的健康。有(yǒu)了這些信息，可(kě)以幫助指導環境保護政策。

 

波利多(duō)羅說：“在美國(guó)和歐洲，我們真的很(hěn)幸運。我們有(yǒu)大量的數據、科(kē)學(xué)家、設備和能(néng)力來研究污染和其影響。我們也有(yǒu)良好的規章制度，監測和減輕這些污染物(wù)對環境的影響。離開這些國(guó)家，你根本看不到同樣的事情。幾乎沒有(yǒu)監管，也幾乎沒有(yǒu)監控，其他(tā)國(guó)家的政府幾乎沒有(yǒu)能(néng)力做這些事情。”

 

波利多(duō)羅正幫忙填補菲律賓等地的這一空白，菲律賓擁有(yǒu)世界上最高的海洋生物(wù)多(duō)樣性，但也是全球最大的塑料污染國(guó)之一。通過她的工(gōng)作(zuò)，各國(guó)可(kě)以優先考慮沿海地區(qū)人類和生态系統健康面臨的最大風險，并努力減少風險和影響。

 

 

△ 貝斯·波利多(duō)羅研究海洋污染如何影響水生生物(wù)和食用(yòng)海鮮的人的健康 / 圖源ASU

 

夏威夷原住民(mín)

是如何保護陸地和海洋的？

 

夏威夷群島起源于火山(shān)，地理(lǐ)位置非常陡峭。山(shān)雨可(kě)以迅速流下，給沿海海洋環境帶來徑流。但山(shān)脈的森林覆蓋可(kě)以幫助吸收雨水，甚至為(wèi)流入海洋的水增加多(duō)種營養。

 

海洋期貨學(xué)院助理(lǐ)教授凱蒂·卡梅拉梅拉（Katie Kamelamela）說：“我們稱之為(wèi)毛卡-馬凱（mauka-makai）關系。毛卡的意思是山(shān)脈，馬凱的意思是海洋，這種聯系在夏威夷非常重要。”

 

卡梅拉美拉通過采訪文(wén)化從業者，研究夏威夷人如何收集和使用(yòng)森林和海洋的植物(wù)。她完成了對夏威夷州森林采集許可(kě)證的首次分(fēn)析，簡化了整個島嶼之間的的縣級通訊工(gōng)作(zuò)。

 

從曆史上看，夏威夷原住民(mín)巧妙地利用(yòng)毛卡-馬凱關系來設計封閉的食物(wù)系統。例如，種植芋頭根作(zuò)物(wù)的濕地斑塊會收集雨水并向水中(zhōng)添加營養。這些水滋養着下遊的海藻，而這些海藻為(wèi)夏威夷的放養池塘中(zhōng)的魚增肥。

 

通過與原住民(mín)社區(qū)的合作(zuò)和她自己在夏威夷的生活經曆，卡梅拉梅拉看到了夏威夷人是如何适應島嶼的極端天氣以及保護自然資源的健康的。

 

“适應和感恩是自然保護主義者需要學(xué)習的，”她說，“土地的健康就是人民(mín)的健康。”

 

 

△卡梅拉梅拉會去市場和文(wén)化博覽會，比如夏威夷希洛一年一度的梅裏君主節，看看人們如何使用(yòng)當地植物(wù)來制作(zuò)諸如哈庫雷頭飾之類的商(shāng)品。照片由凱蒂·卡梅拉梅拉提供

 

各種各樣的生物(wù)

 

海底生活着什麽？

 

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

 

地球與太空探索學(xué)院助理(lǐ)教授伊麗莎白·特倫巴斯·賴克特（Elizabeth Trembath Reichert）的研究表明，盡管生活在一個幾乎沒有(yǒu)食物(wù)來源的地方，但生活在海底以下的微生物(wù)卻出奇地活躍。這些微生物(wù)很(hěn)巧妙地利用(yòng)碳來生長(cháng)。

 

特倫巴斯·賴克特說：“我們的理(lǐ)論是，這些微生物(wù)資源豐富，直接利用(yòng)二氧化碳作(zuò)為(wèi)構建塊，而不必首先将其轉化為(wèi)食物(wù)來源，可(kě)能(néng)會對深海碳循環産(chǎn)生重大影響。”

 

了解這些深海微生物(wù)利用(yòng)二氧化碳在巢穴中(zhōng)生存的許多(duō)巧妙方式，将使科(kē)學(xué)家更好地了解海洋如何從大氣中(zhōng)收集二氧化碳，擴大對宜居環境的定義。

 

風險最大的珊瑚在哪裏？

 

據估計，珊瑚礁滋養了25%的海洋物(wù)種，保護海岸線(xiàn)免受破壞性風暴的影響，并通過食品業和旅遊業支持沿海社區(qū)的經濟。我們知道它們正受到更溫暖、酸性更強的水域的威脅，但珊瑚礁到底在哪裏，哪些地區(qū)受災最嚴重？

 

艾倫珊瑚圖集是由全球發現與保護科(kē)學(xué)中(zhōng)心的格雷格·阿斯納（Greg Asner）領導的一項工(gōng)作(zuò)，旨在繪制和監測世界各地珊瑚礁的健康狀況。阿斯納的團隊在2021年完成了第一張全球淺水珊瑚礁地圖，如今仍在繼續擴大該地圖的範圍。

 

如果沒有(yǒu)地理(lǐ)科(kē)學(xué)與城市規劃學(xué)院副教授羅賓·馬丁（Robin Martin）創建的關鍵方法，艾倫珊瑚圖集是不可(kě)能(néng)的。她的研究項目光譜組學(xué)使用(yòng)光譜成像來檢測環境中(zhōng)存在的化學(xué)物(wù)質(zhì)。馬丁發現，不同的珊瑚物(wù)種會釋放出不同的化學(xué)信号，這些信号會随着它們的健康狀況的變化而變化。利用(yòng)從飛機和衛星上收集的光譜成像數據，馬丁可(kě)以判斷特定地區(qū)存在哪些類型的珊瑚，以及它們的健康狀況如何。

 

她說：“能(néng)夠使用(yòng)遙感的優勢之一是，你可(kě)以在你無法到達的地方進行測量，還可(kě)以觀察到更大的區(qū)域。”

 

 

△一張俯瞰珊瑚礁的照片幫助多(duō)米尼加共和國(guó)保護了因旅遊業發展而日益增長(cháng)的海岸線(xiàn)。圖片由格雷格阿斯納（Greg Asner）拍攝

 

我們如何恢複珊瑚礁？

 

珊瑚與藻類共生：珊瑚為(wèi)藻類提供了一個安(ān)全的家園，藻類為(wèi)珊瑚提供了光合能(néng)量（以及斑斓的色彩）。珊瑚白化發生時，珊瑚在較高的溫度和藻類的壓力作(zuò)用(yòng)下被驅逐。

 

分(fēn)子科(kē)學(xué)學(xué)院助理(lǐ)教授莉莎·羅傑（Liza Roger）說：“我們不知道它是寄主珊瑚，還是藻類伴侶，或者兩者兼而有(yǒu)之。我們試圖觀察它們是如何處理(lǐ)這種壓力的，并在分(fēn)子水平上理(lǐ)解它。”

 

羅傑正在海洋未來學(xué)院領導一個新(xīn)的實驗室，該實驗室将培育和研究珊瑚，以找到克服這種壓力的方法。

 

克利夫·卡波諾（Cliff Kapono）是夏威夷的一位分(fēn)析化學(xué)家和專業沖浪者，他(tā)研究的是一塊似乎不可(kě)能(néng)複原的珊瑚礁區(qū)域。數千年來，夏威夷大島上的霍諾裏伊（Honoli’i）海灘自然地經曆了暴雨徑流。這會将棕色沉積物(wù)沖入水中(zhōng)，阻擋陽光照射到珊瑚礁上，甚至使珊瑚窒息。

 

他(tā)說：“我在鎮外沖浪時注意到，盡管全年都有(yǒu)恒定的棕色海水，但那裏有(yǒu)一個燦爛的暗礁。暗礁和珊瑚物(wù)種隻在夏威夷有(yǒu)發現。”

 

卡波諾也是夏威夷原住民(mín)，他(tā)将沖浪的文(wén)化遺産(chǎn)和當地人的智慧有(yǒu)機結合起來，研究這些珊瑚礁如何在惡劣的環境中(zhōng)生存，這也許有(yǒu)一天會對其他(tā)地方的珊瑚礁有(yǒu)所幫助。

 

鲨魚寶寶出生在哪裏？

 

鲨魚是健康海洋的重要組成部分(fēn)。作(zuò)為(wèi)捕食者，它們統治着其他(tā)野生動物(wù)，促進生物(wù)多(duō)樣性和珊瑚礁繁盛。鲨魚壽命長(cháng)，但成長(cháng)緩慢，易受威脅，因此保護鲨魚繁育是工(gōng)作(zuò)的重點。

 

詹姆斯·蘇利科(kē)夫斯基（James Sulikowski）花(huā)時間研究這些被誤解的海洋“反派”。在蘇利科(kē)夫斯基鲨魚和魚類保護實驗室，他(tā)和學(xué)生們作(zuò)為(wèi)研究員收集鲨魚、鳐魚和魟魚的運動模式、生長(cháng)速度、捕撈壓力和其他(tā)數據，助力魚類種群保護。

 

在最近的一項研究中(zhōng)，蘇利科(kē)夫斯基将一種安(ān)全的鲨魚宮内傳輸器植入懷孕的扇形錘頭鲨和虎鲨體(tǐ)内。當鲨魚出生時，每個發射器都會釋放并發出一個信号，讓他(tā)的團隊知道位置。

 

“為(wèi)了保護鲨魚幼崽，我們必須保護它們的媽媽，”數學(xué)與自然科(kē)學(xué)學(xué)院的教授蘇利科(kē)夫斯基說，“能(néng)夠準确地看到鲨魚在哪裏分(fēn)娩——這是我們過去一直在努力做的——這宛如鲨魚科(kē)學(xué)保護的聖杯。”

 

陷入困境的海洋

 

浮遊生物(wù)有(yǒu)什麽特别之處？

 

在陽光明媚的海洋上層有(yǒu)一群微小(xiǎo)生物(wù)——被稱為(wèi)浮遊植物(wù)的微藻。通過光合作(zuò)用(yòng)，海洋浮遊植物(wù)利用(yòng)陽光吸收溶解在水中(zhōng)的二氧化碳，并在體(tǐ)内将其轉化為(wèi)碳。

 

基礎和應用(yòng)微生物(wù)組學(xué)生物(wù)設計中(zhōng)心的研究員蘇珊娜·諾伊爾（Susanne Neuer）教授還研究了浮遊植物(wù)在碳循環中(zhōng)的關鍵作(zuò)用(yòng)，以及它們是如何受大氣中(zhōng)二氧化碳的增加和其他(tā)因素的影響。

 

“當大多(duō)數人想到海洋時，他(tā)們會想到大型生物(wù)，比如鲸魚、海豚或海龜。”諾伊爾說。海洋是由微生物(wù)控制的，微生物(wù)的重要性令人難以置信。

 

随着溫度升高，最小(xiǎo)的浮遊植物(wù)也可(kě)能(néng)被證明是最頑強的，這使得了解它們在碳循環中(zhōng)的作(zuò)用(yòng)變得更加重要。

 

 

△探索微生物(wù)的世界，蘇珊娜·諾伊爾（Susanne Neuer）（右）和博士生比安(ān)卡·納希爾·克魯茲（Bianca Nahir Cruz）在他(tā)們的海洋實驗室裏觀察不同類型的浮遊植物(wù)培養。

 

我們能(néng)保護海冰嗎？

 

海冰對地球有(yǒu)着重要作(zuò)用(yòng)。當海水結冰時，鹽留在下面的水中(zhōng)。這種密度更高的水下沉并在世界海洋周圍流動，将氧氣帶到世界各地的深水中(zhōng)。海冰也反射陽光，使地球兩極保持寒冷并影響天氣系統。在冰層較薄的地方，陽光透過冰層使藻類生長(cháng)，吸引浮遊生物(wù)、魚類、海豹和北極熊——這是一個充滿活力的生态系統，因紐特人将其稱之為(wèi)冰下花(huā)園。

 

但冰層也在受到威脅。在冬季，沿北部海岸形成海冰，然後經過幾年時間，它穿越北極，随着時間的推移變得越來越厚。随着溫暖的空氣和海水從上到下的加熱，厚冰層的形成變得更加困難。海洋未來學(xué)院教授斯蒂芬妮·菲爾曼（Stephanie Pfirman）在追蹤最古老、最厚的冰的位置，因為(wèi)在變暖的世界裏，這些冰需要很(hěn)長(cháng)時間才能(néng)融化。

 

菲爾曼說：“在加拿(ná)大和格陵蘭島以北有(yǒu)一個特殊的地方叫做最後一個冰區(qū)，面積相當于馬達加斯加。我們認為(wèi)，在夏季，比起北極其他(tā)任何地方，這裏的冰都能(néng)多(duō)保持幾十年的時間不融化。”

 

菲爾曼利用(yòng)衛星數據研究海冰運動，為(wèi)管理(lǐ)最後一個冰區(qū)的政策提供信息——例如，應保護哪些區(qū)域以及應避免哪些活動，如石油開發或航運。

 

她還與原住民(mín)社區(qū)合作(zuò)開展外聯工(gōng)作(zuò)，并将材料翻譯成因努皮亞克語等語言，從而改善北極科(kē)學(xué)交流。她開發了一個名(míng)為(wèi)“生态鏈：北極未來”的遊戲，這是“向生物(wù)學(xué)家提問”學(xué)科(kē)計劃的一部分(fēn)，訓練玩家在面對變暖、海洋酸化和過度捕撈的情況下，戰略性地管理(lǐ)海冰生态系統的能(néng)力。

 

 

△海冰有(yǒu)助于海洋深層水的氧化，反射陽光使地球降溫，并提供獨特的海洋環境。但是，它也正在受到威脅。照片由沙特斯托克（Shutterstock）提供

 

什麽是海洋酸化？

 

雖然你可(kě)能(néng)聽說過海洋變暖、海平面上升或冰蓋融化，但你知道海水也在變得越來越酸嗎？當二氧化碳分(fēn)子被吸收到海洋中(zhōng)時，它們改變了碳酸鹽和碳酸氫鹽的平衡，降低了海洋的pH值，使其變酸。

 

這種酸性對海洋生物(wù)有(yǒu)很(hěn)大的影響。例如，珊瑚骨架和海蝴蝶的貝殼等硬結構已經變得更加脆弱。

 

“在過去的40年裏，pH值變化為(wèi)0.1。聽起來不太像，但它是對數尺度的。事實是，在過去40年中(zhōng)，亞熱帶北大西洋的酸度增加了約40%，”海洋未來學(xué)院教授、百慕大海洋科(kē)學(xué)研究所研究主任尼古拉斯·貝茨（Nicholas Bates）說。

 

貝茨利用(yòng)長(cháng)達數十年的時間序列研究随時間變化的海洋化學(xué)。百慕大海洋科(kē)學(xué)研究所（BIOS）位處地球上最古老的時間序列項目“水文(wén)站”所在地，該項目自1954年以來，每兩周測量一次海洋的物(wù)理(lǐ)性質(zhì)。百慕大時間序列站 (BATS)是另一個海洋pH值研究，自1988年以來一直收集相關信息。

 

這項工(gōng)作(zuò)的數據超出了實驗室範圍，為(wèi)國(guó)際政策提供了信息。貝茨的海洋酸化記錄已經被列入曾經的IPCC報告。百慕大海洋科(kē)學(xué)研究所還與非營利機構馬尾藻海委員會合作(zuò)，為(wèi)馬尾藻海内的國(guó)際水域制定保護政策。

 

 

△百慕大海洋科(kē)學(xué)研究所的海洋技(jì )術人員乘坐(zuò)“大西洋探險家”号研究船，從海洋中(zhōng)提取設備，采集各種樣本和測量數據。傑夫·紐頓攝

 

海洋的希望

 

培養強有(yǒu)力的變革者，積極塑造海洋未來，是海洋未來學(xué)院的關注重點。

 

諾伊爾說：“很(hěn)多(duō)項目都是從教育開始的，這就是為(wèi)什麽我們非常注重發展學(xué)術項目。”

 

學(xué)院正在開發海洋科(kē)學(xué)學(xué)士和博士課程，計劃于2024年秋季開設。學(xué)校的目标是把各種背景的學(xué)生納入其課程。由于夏威夷原住民(mín)和太平洋島民(mín)在海洋科(kē)學(xué)方面的代表性不足，卡梅拉梅拉（Kamelamela）和卡波諾（Kapono）——他(tā)們本身就是夏威夷原住民(mín)——正在設法增加學(xué)生背景的多(duō)樣性，支持研究生項目，并在學(xué)生社區(qū)開展有(yǒu)意義的工(gōng)作(zuò)。

 

卡梅拉梅拉說：“我們認為(wèi)這将是一個很(hěn)好的機會，讓島上的本土人才能(néng)夠接觸到亞利桑那州立大學(xué)在夏威夷和網上提供的資源。”

 

諾伊爾指出，ASU最近被指定為(wèi)拉美裔服務(wù)機構，這也為(wèi)該校增加下一代海洋科(kē)學(xué)家的多(duō)樣性提供了機會。

 

為(wèi)了幫助培養這一領域的科(kē)學(xué)家和尋找解決海洋問題的辦(bàn)法，該校擁有(yǒu)一套高科(kē)技(jì )工(gōng)具(jù)，如全球機載觀測飛機實驗室、碳測繪衛星、BIOS大西洋探險家研究船和BIOS MAGIC自主水下滑翔機。該設備使研究人員能(néng)夠分(fēn)别從空氣層、空間層、公(gōng)海層和深海層研究海洋生态系統。

 

諾伊爾說：“這使我們能(néng)夠在大環境下，提出和回答(dá)更多(duō)關于海洋的問題。”

 

 

△使用(yòng)高科(kē)技(jì )設備，比如上面的大西洋探險家研究船，可(kě)以讓ASU的科(kē)學(xué)家們提出并回答(dá)更多(duō)關于海洋的問題。傑夫·紐頓攝

 

還有(yǒu)更多(duō)的理(lǐ)由可(kě)以保持樂觀。上個月，100多(duō)個國(guó)家就聯合國(guó)公(gōng)海條約達成一緻，該條約保護占世界近一半的國(guó)際水域的海洋生物(wù)和生物(wù)多(duō)樣性。

 

海洋未來學(xué)院的研究教授傑克·基廷格（Jack Kittinger）說：“現在我們已經完成了這項工(gōng)作(zuò)，作(zuò)為(wèi)一個社區(qū)，我們有(yǒu)責任把這項工(gōng)作(zuò)付諸實施，并迅速、公(gōng)平和有(yǒu)效地完成。這是我們目前面臨的真正挑戰，但同時也是一個真正的機會。正因為(wèi)如此，全球海洋在十年後可(kě)能(néng)會變得非常不同，但前提是我們要使這項條約生效。”

 

海洋在支持地球上的生命方面發揮着關鍵作(zuò)用(yòng)，包括維持氣候健康、促進陸地和海洋的生物(wù)多(duō)樣性以及為(wèi)社區(qū)提供生計。歸根結底，它值得我們關注，即使是在索諾蘭沙漠，因為(wèi)這裏掌握着地球擁有(yǒu)可(kě)持續未來的關鍵。

 

“如果不了解海洋，我們就無法了解我們的世界。”諾伊爾說。