气候变化对海洋生物的双重影响：热暴露与热机会的时间演变
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气候变化对全球生物多样性的影响已被广泛关注，但对海洋生物的具体影响仍缺乏全面的理解。海洋变温动物（ectotherms，也就是冷血动物，是指体温随环境温度变化而变化的动物）由于其较窄的温度安全边际，对温度变化特别敏感。现有研究已表明，气候变化导致的海洋温度上升正在驱动物种向新适宜栖息地迁移，导致局部灭绝和新物种入侵。然而，关于这些变化的时间动态和空间分布，科学界还存在许多未知。
“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到，2024年7月15日，由南非开普敦大学的安德烈亚斯·施瓦茨·梅耶领导的研究团队在《自然通讯》（Nature Communications）期刊上发表了一项重要研究，探讨了气候变化对全球海洋生物多样性的时间动态影响。
该研究通过分析年度海面温度变化数据，估算了截至2100年时，全球21,696种海洋物种的“热暴露”（温度超过物种的热限）和“热机会”（之前不适宜的地点变得适宜）的时间动态。这个研究发现，随着气候变化，海洋物种面临着前所未有的挑战和机遇。研究人员指出，海洋生物对温度变化特别敏感，尤其是海洋变温动物（ectotherms），它们的分布边界紧随温度变化。相比陆地生物，海洋生物由于其较小的温度安全边际（thermal safety margins），更容易受到气候变化的生理压力。
上图：预测显示，海洋生物多样性热暴露和热机会的规模具有明显的空间分布差异。图片来源：Meyer, A.S., Pigot, A.L., Merow, C. et al.
该研究利用九种气候模型的年度海面温度预测、以及已实现的热生态位极限估计，量化了在低（SSP1-2.6）、中（SSP2-4.5）和高（SSP5-8.5）温室气体排放情景下，热暴露和热机会在全球范围内的时间动态。热暴露（exposure）被定义为物种在某一地点连续五年暴露于超过其热生态位的温度下；热机会（opportunity）则定义为之前不适宜的地点在同样时段内变得适宜。
该研究发现，热机会在温带和极地地区出现较早并逐渐积累，而热暴露在热带地区出现较晚且更为突然。减少温室气体排放可以显著减少热暴露，但对热机会的影响较小。具体而言，76%-97%的热机会将持续到2100年，但热暴露减少的幅度可达到100倍。
有趣的是，物种群落往往表现出高热暴露或高热机会，但却很少同时具备两者。研究人员指出，这些热机会一旦出现，大多数将持续到2100年。减少温室气体排放对减少热暴露的效果显著，而对热机会的影响相对较小。
摄影：卫伟（中国科学院生态环境研究中心研究员，博士生导师） ©绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）
这项研究表明，“热机会”可能会成为近中期海洋生物多样性变化的主要推动力。这一发现为科学家和政策制定者提供了预测海洋热环境变化的框架，有助于制定保护措施和预警系统，以应对气候变化对海洋生物多样性的影响。
气候变化正在重塑全球海洋生物的栖息环境。尽管热暴露对某些物种构成了威胁，但新的热机会也为其他物种提供了扩展分布的可能性。通过提前了解这些变化的时间和空间动态，科学家和政策制定者可以更好地制定保护措施，以应对气候变化对海洋生物多样性的深远影响。
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变温动物
变温动物（Ectotherms）是指那些体温主要由外部环境温度决定的动物。与恒温动物不同，变温动物的体温，会随着环境温度的变化而改变。因此，它们的生理过程，如代谢率、活动水平和繁殖行为，也会受到环境温度的直接影响。在海洋中，这类动物包括鱼类、软体动物、节肢动物和刺胞动物等。
海洋变温动物通常具有较窄的温度适应范围，即它们对温度变化的容忍度有限。温度的变化会直接影响它们的生理状态和行为，例如，过高或过低的温度可能会导致生理压力、减少活动能力，甚至影响生存和繁殖。因此，气候变化和海洋温度升高对这些动物的影响尤为显著，对它们的栖息地选择、分布范围和生态互动具有重要影响。
热暴露
热暴露（Thermal Exposure）是指海洋物种在其栖息地中经历的温度超出其生理承受范围的情况。这种情况通常定义为物种在连续五年内暴露于超过其热生态位极限的温度下。热暴露会对物种造成生理压力，可能导致其生存和繁殖能力受损，甚至引发局部灭绝和栖息地丧失。它是评估气候变化对海洋生物影响的关键因素，能够揭示温度变化对生态系统的潜在威胁。
热机会（Thermal Opportunity）是指由于气候变化，某些原本对海洋物种不适宜的地点变得适宜的情况。这种情况下，温度进入了物种的热生态位限范围内，使得这些区域成为新的潜在栖息地。通常定义为连续五年内出现这种情况。
这种新的适宜环境可以为物种提供扩展分布的机会，允许它们在这些新区域生存和繁殖。不过，热机会的出现并不总是积极的，因为新物种的引入可能会导致当地生物群落发生变化，甚至对现有物种构成威胁。因此，热机会不仅意味着物种可以利用新的栖息地，还可能引发复杂的生态互动和竞争。
物种扩散率（Species Dispersal Rate）是指物种在一定时间内从一个地点迁移到新栖息地的速度。它通常以每年移动的距离来表示。比如说，一个物种的扩散率为每年10公里，那就意味着：该物种每年能够在水平方向上移动最多10公里。扩散率对于了解物种如何应对环境变化、例如气候变化带来的栖息地改变至关重要。较高的扩散率，可以帮助物种更快地迁移到新的适宜栖息地，从而增加其生存机会，但也取决于物种的迁移能力和环境障碍。
温度安全边际（Thermal Safety Margins）指的是物种的体温与其生理上能承受的最高温度（即上限临界温度）之间的差距。具体而言，它表示物种在不超出其热生态位限（thermal niche limits）的情况下，可以承受的温度范围。温度安全边际越大，物种对温度变化的容忍度就越高。相反，温度安全边际较小的物种对温度变化更为敏感，容易受到气候变化带来的高温影响，可能面临生理压力、健康风险以及栖息地丧失等挑战。了解温度安全边际对于评估物种在气候变化中的生存能力和适应能力至关重要。
思考题 | 举一反三
Q1. 全球变暖，让热带地区面临更大的高温风险。那么，我们是否可以通过减少温室气体排放来减轻这种风险，从而保护这些地区的生物多样性？另外，怎么在全球范围内找到“减少高温暴露”与“增加生态机会”之间的平衡？ Q2、在高排放的情况下，热机会和热暴露的出现时间有所不同，但所有情况下一些新机会的出现总是比热暴露来的早。这对海洋生物群体有什么实际影响？是不是说，这些新机会能在一定程度上减轻高温暴露的坏影响？ Q3、在高排放的情境下，热机会往往持续的时间更长。那么，我们能否利用这些长期存在的机会来帮助物种迁移、以及改变生物栖息地？这种做法，怎样能与现有的保护和管理措施配合，来应对未来的生物多样性挑战？ |
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编译 | 王芊佳
编辑 | Sara
排版 | 绿叶
【参考资料】
https://www.nature.com/articles/s41467-024-49736-6
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