"海洋生命的时钟”：气候变化下的生物多样性时间动态与保护紧迫性
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摄影师©夏天
海洋不仅是生命起源的温床，也是维系地球生态平衡不可或缺的基石。然而，随着人类活动的频繁与深入，气候变化这一全球性挑战正日益侵蚀着海洋生态系统的健康与稳定。《自然通讯》期刊在2024年七月十六日发表的研究通过独特视角揭示了全球海洋生物多样性在气候变化影响下的时间演变轨迹，为我们深刻洞察并有效应对这一复杂问题提供了新的科学依据与深刻启示。该研究不仅丰富了我们对海洋生态系统动态变化的认识，也为我们探索海洋保护策略、促进生物多样性的可持续发展提供了宝贵的方向指引。
该研究由来自多个国际研究机构的科学家团队共同完成，他们利用先进的海洋表面温度年度预测模型，结合全球范围内超过21,696种海洋物种的生态分布数据，系统分析未来直至2100年间这些物种面临的热暴露（thermal exposure）和热机会（thermal opportunity）变化趋势。通过量化这两种变化，研究团队希望能够揭示气候变化如何影响海洋物种的地理分布和生存状况，进而为海洋生物多样性的保护提供科学依据。
为了确保研究的全面性和准确性，研究团队首先收集了全球范围内大量海洋物种的生态分布数据、生态习性信息及历史温度记录。这些数据来源于多个国际数据库和长期监测项目，包括但不限于全球生物多样性信息平台（GBIF）、海洋生物多样性信息网络（OBIS）等。在数据收集过程中，研究团队采用了严格的质量控制措施，以确保数据的可靠性和一致性。研究团队利用先进的统计与建模技术，对这些数据进行处理和分析。通过数据清洗、标准化和插值等步骤，研究团队构建了一个包含全球海洋物种分布、生态习性和温度响应特性的综合数据库。他们结合物种的生物学特性和生态需求构建热暴露和热机会的评估框架，通过比较预测的海水温度与物种的热耐受范围，可以判断某一海域在未来某一时段内是否会对特定物种构成热暴露风险或提供热机会，这一评估过程不仅考虑了物种的热耐受极限，还融入了物种迁徙能力和生态位变化等复杂因素。
图1：预计的热暴露量和海洋生物多样性的机会显示出不同的空间格局。图源：Fig. 1: The projected magnitude of thermal exposure and opportunity for marine biodiversity show distinct spatial patterns. | Nature Communications。
a–c 双变量地图显示了在低排放（SSP1-2.6）、中等排放（SSP2-4.5）和高排放（SSP5-8.5）情景下，物种暴露（x轴）和机会创造（y轴）的比例占当地物种丰富度的百分比。图例中的百分比表示每个双变量区间内的物种组合（即100 km网格单元中的物种）比例。星号表示值低于1%。将排放从SSP5-8.5（c）降低到SSP1-2.6（a）对减少暴露的影响大于对机会的影响。d–f 显示了每个排放情景下当地物种组合的暴露和机会概况。这些概况对应于与图相邻的地图所代表的情景。暴露仅估计本地物种。机会集中在温带和极地地区，而暴露主要发生在热带地区。概况显示机会逐渐积累（地点1–4），而暴露可能是突然的（地点5和6）。大多数地区显示出高机会或高暴露，尽管像地中海（4）这样的地区可能同时显示出二者。图中显示的是九个气候模型的中位值。本图的数据来源见参考文献。
热应激（Thermal Stress）：海洋生物的“高温考验”
热应激，简单来说，就是当海洋环境的温度超过生物体所能承受的范围时，对生物体造成的不利影响。随着全球气温的上升，海洋表面温度也在逐年攀升，许多海洋生物因此面临着前所未有的生存压力。海洋中的生物，尤其是那些对温度变化敏感的物种，如珊瑚礁生态系统中的珊瑚、热带鱼类等，它们的生存和繁殖都依赖于特定的温度范围。一旦海水温度超出这一范围，这些生物就会遭受热应激，可能导致生长受阻、繁殖率下降，甚至大规模死亡。例如，近年来频繁发生的珊瑚白化事件，就是由于海水温度过高导致珊瑚与共生藻类的关系破裂，进而引发珊瑚死亡的严重后果。
热机会（Thermal Opportunity）：气候变化带来的“意外之喜”
与热应激形成鲜明对比的是热机会。热机会指的是，在气候变化的影响下，原本不适合某些海洋生物生存的海域，由于海水温度的变化而变得适宜它们居住。这种变化为海洋生物提供了新的栖息地选择，增加了物种的扩散和适应性进化的可能性。根据研究表明，热机会在温带和极地地区尤为显著。随着这些区域海水温度的逐渐上升，原本寒冷的海域开始变得温暖，吸引了许多原本生活在热带或亚热带地区的物种前来定居。这种变化不仅丰富了这些地区的生物多样性，还可能促进新物种的形成和生态系统的重构。
图2：热暴露和海洋生物多样性机遇的全球概况显示，机遇出现得更早。
图源：Temporal dynamics of climate change exposure and opportunities for global marine biodiversity | Nature Communications
累积的暴露种群数量（红色）和机会数量（蓝色）随时间的变化，分为低排放情景（SSP1-2.6）、中排放情景（SSP2-4.5）和高排放情景（SSP5-8.5）。种群定义为在一个群落（即网格单元）中的物种出现。不同颜色的阴影表示预计暴露和机会发生的气候带（极地、温带或热带）。b部分展示了与a部分相同的数据，但以每个气候带当前种群数量的比例形式表示暴露和机会。机会在世纪初出现，并在2040年前在各情景下呈现相似的轨迹。暴露的开始时间较晚，在SSP1-2.6和SSP2-4.5情景下显著低于SSP5-8.5情景。这些图表展示了九个气候模型的中值。
图3：暴露和机会的突然性和时机的全球变化
图源：Fig. 3: Global variation in the abruptness and timing of exposure and opportunity. | Nature Communications
每列显示不同排放方案的结果。a–c暴露的突然性。d–f 机会的突然性。g–i 暴露时间。j-l 机会时机。在SSP5-8.5下，暴露比机会更突然。与SSP5-8.5和SSP2-4.5相比，SSP1-2.6下的机会出现得更早、更突然。这些地图显示了根据九个气候模型的中位数计算出的指标。仅显示暴露于五个以上物种或五个机会的集合。
图4：持续性和短暂性机会的频率和分布。
图源：Temporal dynamics of climate change exposure and opportunities for global marine biodiversity | Nature Communications
a 持续和瞬态热机会的频率。b 暴露于高于（温暖暴露）和低于（冷暴露）的温度而关闭的瞬时机会的频率，该物种已实现的热生态位限制。c 显示三种排放情景中温暴露和冷暴露机会中位数的地理分布的双变量图。因温暖暴露而关闭的短暂机会主要集中在热带和北大西洋，而因寒冷暴露而关闭的机会则集中在温带和极地地区，特别是在北半球。键指示瞬态机会的数量。所有数字都显示了九个气候模型的平均值。
图5：出现年份和短暂机会的持续时间。
图源：Temporal dynamics of climate change exposure and opportunities for global marine biodiversity | Nature Communications
每个图包括按观测数量比例缩放的密度图和三个排放情景的箱线图。a图显示了出现年份，b图显示了因暴露于低温而导致的短暂机会关闭的持续时间，c图显示了出现年份，d图显示了因暴露于高温而导致的短暂机会关闭的持续时间。一般而言，因暴露于高温而导致的短暂机会关闭比因暴露于低温的情况更早出现且持续时间更长。所有图表均显示了九个气候模型的平均值。箱线图显示了中位数（中心线）、第25百分位数和第75百分位数（箱体的下限和上限）。上须和下须延伸至±1.5倍的四分位距。超出须范围的离群值未显示。
研究结果显示，随着全球气候变暖的加剧，热机会将更早出现并逐渐积累，尤其在温带和极地地区。这些地区原本由于温度较低而限制了许多热带物种的分布范围，但随着气候变暖，这些地区逐渐变得适宜更多物种的生存，例如北极和南极地区将可能成为一些原本生活在温带的海洋生物的新栖息地。除此之外，一些适应寒冷环境的物种也可能通过进化或迁徙来适应新的热环境，从而进一步扩大其分布范围。研究团队发现，在RCP8.5情景下（即高排放情景），到2100年，许多温带和极地地区的海洋物种将面临更多的热机会。这些机会不仅体现在新的生存空间上，还体现在更长的生长季节、更高的生产力和更丰富的食物资源上。这些变化将促进这些地区海洋生物多样性的增加和生态系统的繁荣。
相比之下，热暴露则会在较晚的时间点出现，并且主要集中在热带地区。由于这些地区原本就处于高温环境，因此气候变暖对它们的直接影响相对较小。然而，随着全球气温的持续升高，热带地区的极端高温事件将更加频繁和严重，导致海洋生物面临更大的生存压力。特别是那些对温度敏感的物种，如珊瑚礁生物和某些鱼类，将面临更高的灭绝风险。研究团队发现，在RCP8.5情景下，到2100年，热带地区的许多海洋物种将面临严重的热暴露问题。这些物种不仅将遭受高温的直接威胁，还将面临食物链中断、疾病传播和栖息地破坏等多重压力，这些压力将共同作用，导致这些物种的种群数量急剧下降甚至灭绝。
随着热机会和热暴露的变化，海洋物种的地理分布将发生显著变化。一些物种可能会因为无法适应高温环境而灭绝或濒危，而另一些物种则可能通过迁徙、适应或进化等方式在新的适宜区域繁衍生息。这种分布格局的变化将进一步影响海洋生态系统的结构和功能，可能导致某些生态位的缺失或新生态位的出现。
本研究揭示了气候变化对海洋生物多样性时间动态的影响，为我们理解这一复杂问题提供了新的视角，这也意味着我们需要更加深入地研究气候变化与海洋生物多样性之间的相互作用机制，以制定更加科学有效的保护策略。同时，我们也应看到气候变化带来的挑战背后所蕴含的机遇。通过合理的生态修复和物种管理措施，我们可以引导部分物种向更适宜的区域迁徙，从而在一定程度上缓解气候变化对生物多样性的负面影响。基于本研究的发现，未来的监测和保护策略应更加注重时间动态的变化特征。一方面，我们需要建立更加完善的海洋生物多样性监测网络，实时监测物种分布、种群数量及生态系统结构的变化情况；另一方面，我们还需要根据监测结果及时调整保护策略，确保保护措施的针对性和有效性。例如，在热带地区加强热暴露风险的评估和预警工作；在温带和极地地区则注重保护和恢复具有潜在热机会的生态系统区域。气候变化是全球性问题，需要国际社会共同努力来应对。因此，加强国际合作与交流对于推动海洋生物多样性保护工作的深入开展具有重要意义。同时，由于气候变化对海洋生物多样性的影响涉及多个学科领域（如生态学、海洋学、气候学等），因此跨学科研究也是未来发展的重要方向。通过整合不同学科的知识和技术手段，我们可以更加全面、深入地理解气候变化对海洋生物多样性的影响机制，为制定更加科学合理的保护策略提供有力支持。
在探索气候变化如何重塑海洋生物多样性时间动态的征途中，本研究为我们铺设了一条充满洞见与希望的路径。它不仅是对自然界复杂互动的一次深刻剖析，更是对人类责任与行动的一次呼唤。面对未来，我们需要以更加敏锐的洞察力去监测海洋生态系统的微妙变化，以更加坚定的决心去实施保护策略，以更加开放的心态去促进国际合作与跨学科融合。只有这样，我们才能在气候变化的浪潮中，为海洋生物多样性筑起一道坚实的防线，确保这份珍贵的自然遗产得以延续，为地球生命的多样性贡献我们的力量。
作者：吴靖仪
—— 作者系中国生物多样性保护与绿色发展基金会（CBCGDF）国际部与北京师范大学-香港浸会大学联合国际学院（BNU-HKBU UIC）全球化与发展（GAD）专业联合发起的“可持续发展人才培养计划”的学生
审核：RIchard
排版：绿叶
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（注：本文仅代表资讯，供读者参考，不代表平台观点。）
【参考资料】
Meyer, A.S. et al. (2024) Temporal Dynamics of climate change exposure and opportunities for Global Marine Biodiversity, Nature News. Available at: https://www.nature.com/articles/s41467-024-49736-6#citeas (Accessed: 19 July 2024).
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