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

 

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

 

但好消息是，亚利桑那州立大学（ASU）有一支海洋研究队伍，他们正在寻求与海洋建立更健康、更可持续关系的解决方案，以维持一个繁荣的地球和社区。

 

 

△ 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坐落在亚利桑那州，这里仙人掌遍地，响尾蛇出没，夏天极为闷热。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，”海洋学家、新的海洋未来学院创始院长苏珊娜·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，则来自于墨西哥湾和加利福尼亚湾。沙漠中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。这就是为什么亚利桑那州立大学的海洋未来学院对亚利桑那州立大学朱莉·安·瑞格利全球未来实验室（Julie Ann Wrigley Global Futures Laboratory）的整体使命至关重要，它旨在确保星球宜居，让人们拥有幸福未来。

 

本着这种精神，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学中心，位于太平洋上的夏威夷；百慕大海洋科学研究所，位于大西洋上，是亚利桑那州立大学的新合作伙伴。

 

与沿海社区合作

 

能够可持续性捕鱼吗？

 

商业捕鱼是世界各地沿海社区的重要收入来源，但它可能会伤害那些与目标鱼一起被意外捕获的濒危物种。

 

海洋生物学家、社会未来创新学院的助理研究教授杰西·森科（Jesse Senko）的研究表明，新的捕鱼技术可以使墨西哥和加利福尼亚南部太平洋沿岸的脆弱海洋野生动物和渔民的生产力受益。在刺网(一种大型渔网)上安装太阳能灯，大大减少了鲨鱼、鳐鱼、海龟和不需要的鱼等动物的副捕获量。与此同时，目标鱼的捕获率也在上升。

 

森科说：“这可能是因为渔民需要清除的被纠缠在照明网中的动物越来越少，其中包括乌龟、鲨鱼、鳐鱼、鱿鱼和小型鱼类的数量，这些动物的清除可能耗时、困难甚至危险。”

 

可持续捕鱼不仅为保护海洋野生动物，而且为改善依赖该行业的渔民及其社区的生计提供了机会。

 

诺伊尔说：“在海洋中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·森科在墨西哥下加利福尼亚州与渔民合作 / 图源ASU

 

食物和水里有塑料吗？

 

微塑料、重金属和其他污染物最终可能会进入你的海鲜拼盘。

 

数学与自然科学学院副教授贝斯·波利多罗（Beth Polidoro）正在研究海洋污染如何影响水生生物和食用海鲜的人的健康。有了这些信息，可以帮助指导环境保护政策。

 

波利多罗说：“在美国和欧洲，我们真的很幸运。我们有大量的数据、科学家、设备和能力来研究污染和其影响。我们也有良好的规章制度，监测和减轻这些污染物对环境的影响。离开这些国家，你根本看不到同样的事情。几乎没有监管，也几乎没有监控，其他国家的政府几乎没有能力做这些事情。”

 

波利多罗正帮忙填补菲律宾等地的这一空白，菲律宾拥有世界上最高的海洋生物多样性，但也是全球最大的塑料污染国之一。通过她的工作，各国可以优先考虑沿海地区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·波利多罗研究海洋污染如何影响水生生物和食用海鲜的人的健康 / 图源ASU

 

夏威夷原住民

是如何保护陆地和海洋的？

 

夏威夷群岛起源于火山，地理位置非常陡峭。山雨可以迅速流下，给沿海海洋环境带来径流。但山脉的森林覆盖可以帮助吸收雨水，甚至为流入海洋的水增加多种营养。

 

海洋期货学院助理教授凯蒂·卡梅拉梅拉（Katie Kamelamela）说：“我们称之为毛卡-马凯（mauka-makai）关系。毛卡的意思是山脉，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化从业者，研究夏威夷人如何收集和使用森林和海洋的植物。她完成了对夏威夷州森林采集许可证的首次分析，简化了整个岛屿之间的的县级通讯工作。

 

从历史上看，夏威夷原住民巧妙地利用毛卡-马凯关系来设计封闭的食物系统。例如，种植芋头根作物的湿地斑块会收集雨水并向水中添加营养。这些水滋养着下游的海藻，而这些海藻为夏威夷的放养池塘中的鱼增肥。

 

通过与原住民社区的合作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学习的，”她说，“土地的健康就是人民的健康。”

 

 

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

 

各种各样的生物

 

海底生活着什么？

 

海底是海洋中最神秘的区域之一，尽管压力巨大，食物匮乏，一片漆黑，但生命依然存在。

 

地球与太空探索学院助理教授伊丽莎白·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食物来源的地方，但生活在海底以下的微生物却出奇地活跃。这些微生物很巧妙地利用碳来生长。

 

特伦巴斯·赖克特说：“我们的理论是，这些微生物资源丰富，直接利用二氧化碳作为构建块，而不必首先将其转化为食物来源，可能会对深海碳循环产生重大影响。”

 

了解这些深海微生物利用二氧化碳在巢穴中生存的许多巧妙方式，将使科学家更好地了解海洋如何从大气中收集二氧化碳，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%的海洋物种，保护海岸线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区的经济。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，哪些地区受灾最严重？

 

艾伦珊瑚图集是由全球发现与保护科学中心的格雷格·阿斯纳（Greg Asner）领导的一项工作，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。

 

如果没有地理科学与城市规划学院副教授罗宾·马丁（Robin Martin）创建的关键方法，艾伦珊瑚图集是不可能的。她的研究项目光谱组学使用光谱成像来检测环境中存在的化学物质。马丁发现，不同的珊瑚物种会释放出不同的化学信号，这些信号会随着它们的健康状况的变化而变化。利用从飞机和卫星上收集的光谱成像数据，马丁可以判断特定地区存在哪些类型的珊瑚，以及它们的健康状况如何。

 

她说：“能够使用遥感的优势之一是，你可以在你无法到达的地方进行测量，还可以观察到更大的区域。”

 

 

△一张俯瞰珊瑚礁的照片帮助多米尼加共和国保护了因旅游业发展而日益增长的海岸线。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：珊瑚为藻类提供了一个安全的家园，藻类为珊瑚提供了光合能量（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用下被驱逐。

 

分子科学学院助理教授莉莎·罗杰（Liza Roger）说：“我们不知道它是寄主珊瑚，还是藻类伴侣，或者两者兼而有之。我们试图观察它们是如何处理这种压力的，并在分子水平上理解它。”

 

罗杰正在海洋未来学院领导一个新的实验室，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）是夏威夷的一位分析化学家和专业冲浪者，他研究的是一块似乎不可能复原的珊瑚礁区域。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。这会将棕色沉积物冲入水中，阻挡阳光照射到珊瑚礁上，甚至使珊瑚窒息。

 

他说：“我在镇外冲浪时注意到，尽管全年都有恒定的棕色海水，但那里有一个灿烂的暗礁。暗礁和珊瑚物种只在夏威夷有发现。”

 

卡波诺也是夏威夷原住民，他将冲浪的文化遗产和当地人的智慧有机结合起来，研究这些珊瑚礁如何在恶劣的环境中生存，这也许有一天会对其他地方的珊瑚礁有所帮助。

 

鲨鱼宝宝出生在哪里？

 

鲨鱼是健康海洋的重要组成部分。作为捕食者，它们统治着其他野生动物，促进生物多样性和珊瑚礁繁盛。鲨鱼寿命长，但成长缓慢，易受威胁，因此保护鲨鱼繁育是工作的重点。

 

詹姆斯·苏利科夫斯基（James Sulikowski）花时间研究这些被误解的海洋“反派”。在苏利科夫斯基鲨鱼和鱼类保护实验室，他和学生们作为研究员收集鲨鱼、鳐鱼和魟鱼的运动模式、生长速度、捕捞压力和其他数据，助力鱼类种群保护。

 

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

 

“为了保护鲨鱼幼崽，我们必须保护它们的妈妈，”数学与自然科学学院的教授苏利科夫斯基说，“能够准确地看到鲨鱼在哪里分娩——这是我们过去一直在努力做的——这宛如鲨鱼科学保护的圣杯。”

 

陷入困境的海洋

 

浮游生物有什么特别之处？

 

在阳光明媚的海洋上层有一群微小生物——被称为浮游植物的微藻。通过光合作用，海洋浮游植物利用阳光吸收溶解在水中的二氧化碳，并在体内将其转化为碳。

 

基础和应用微生物组学生物设计中心的研究员苏珊娜·诺伊尔（Susanne Neuer）教授还研究了浮游植物在碳循环中的关键作用，以及它们是如何受大气中二氧化碳的增加和其他因素的影响。

 

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

 

随着温度升高，最小的浮游植物也可能被证明是最顽强的，这使得了解它们在碳循环中的作用变得更加重要。

 

 

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

 

我们能保护海冰吗？

 

海冰对地球有着重要作用。当海水结冰时，盐留在下面的水中。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。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长，吸引浮游生物、鱼类、海豹和北极熊——这是一个充满活力的生态系统，因纽特人将其称之为冰下花园。

 

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。海洋未来学院教授斯蒂芬妮·菲尔曼（Stephanie Pfirman）在追踪最古老、最厚的冰的位置，因为在变暖的世界里，这些冰需要很长时间才能融化。

 

菲尔曼说：“在加拿大和格陵兰岛以北有一个特殊的地方叫做最后一个冰区，面积相当于马达加斯加。我们认为，在夏季，比起北极其他任何地方，这里的冰都能多保持几十年的时间不融化。”

 

菲尔曼利用卫星数据研究海冰运动，为管理最后一个冰区的政策提供信息——例如，应保护哪些区域以及应避免哪些活动，如石油开发或航运。

 

她还与原住民社区合作开展外联工作，并将材料翻译成因努皮亚克语等语言，从而改善北极科学交流。她开发了一个名为“生态链：北极未来”的游戏，这是“向生物学家提问”学科计划的一部分，训练玩家在面对变暖、海洋酸化和过度捕捞的情况下，战略性地管理海冰生态系统的能力。

 

 

△海冰有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？

 

虽然你可能听说过海洋变暖、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？当二氧化碳分子被吸收到海洋中时，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有很大的影响。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值变化为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，亚热带北大西洋的酸度增加了约40%，”海洋未来学院教授、百慕大海洋科学研究所研究主任尼古拉斯·贝茨（Nicholas Bates）说。

 

贝茨利用长达数十年的时间序列研究随时间变化的海洋化学。百慕大海洋科学研究所（BIOS）位处地球上最古老的时间序列项目“水文站”所在地，该项目自1954年以来，每两周测量一次海洋的物理性质。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。

 

这项工作的数据超出了实验室范围，为国际政策提供了信息。贝茨的海洋酸化记录已经被列入曾经的IPCC报告。百慕大海洋科学研究所还与非营利机构马尾藻海委员会合作，为马尾藻海内的国际水域制定保护政策。

 

 

△百慕大海洋科学研究所的海洋技术人员乘坐“大西洋探险家”号研究船，从海洋中提取设备，采集各种样本和测量数据。杰夫·纽顿摄

 

海洋的希望

 

培养强有力的变革者，积极塑造海洋未来，是海洋未来学院的关注重点。

 

诺伊尔说：“很多项目都是从教育开始的，这就是为什么我们非常注重发展学术项目。”

 

学院正在开发海洋科学学士和博士课程，计划于2024年秋季开设。学校的目标是把各种背景的学生纳入其课程。由于夏威夷原住民和太平洋岛民在海洋科学方面的代表性不足，卡梅拉梅拉（Kamelamela）和卡波诺（Kapono）——他们本身就是夏威夷原住民——正在设法增加学生背景的多样性，支持研究生项目，并在学生社区开展有意义的工作。

 

卡梅拉梅拉说：“我们认为这将是一个很好的机会，让岛上的本土人才能够接触到亚利桑那州立大学在夏威夷和网上提供的资源。”

 

诺伊尔指出，ASU最近被指定为拉美裔服务机构，这也为该校增加下一代海洋科学家的多样性提供了机会。

 

为了帮助培养这一领域的科学家和寻找解决海洋问题的办法，该校拥有一套高科技工具，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够分别从空气层、空间层、公海层和深海层研究海洋生态系统。

 

诺伊尔说：“这使我们能够在大环境下，提出和回答更多关于海洋的问题。”

 

 

△使用高科技设备，比如上面的大西洋探险家研究船，可以让ASU的科学家们提出并回答更多关于海洋的问题。杰夫·纽顿摄

 

还有更多的理由可以保持乐观。上个月，100多个国家就联合国公海条约达成一致，该条约保护占世界近一半的国际水域的海洋生物和生物多样性。

 

海洋未来学院的研究教授杰克·基廷格（Jack Kittinger）说：“现在我们已经完成了这项工作，作为一个社区，我们有责任把这项工作付诸实施，并迅速、公平和有效地完成。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。正因为如此，全球海洋在十年后可能会变得非常不同，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用，包括维持气候健康、促进陆地和海洋的生物多样性以及为社区提供生计。归根结底，它值得我们关注，即使是在索诺兰沙漠，因为这里掌握着地球拥有可持续未来的关键。

 

“如果不了解海洋，我们就无法了解我们的世界。”诺伊尔说。