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單細胞生命形式在世界各地的海洋中繁衍生息——並且已經存在了數億年。被稱為鈣質奈米浮游生物的微小生物會構建茂盛的微觀外殼——類似於車輪、魚鱗，甚至是中心裝飾著崎嶇爆炸的重疊橢圓形盾牌——被稱為“球石”。形成這些外殼的能力取決於溶解在海水中的碳酸鈣 (CaCO3) 的含量——而該含量取決於大氣中二氧化碳 (CO2) 的濃度。
二氧化碳是人類活動（特別是化石燃料和森林燃燒）排放的普遍溫室氣體。隨著大氣中含量上升（目前為百萬分之 390 且還在增加），海洋表面水會吸收更多的分子。這種水-二氧化碳混合物會形成碳酸，這會略微降低海洋的整體 pH 值（pH 值越低，酸性越強）。更酸性的海水意味著更少的碳酸鈣——以及更少的材料供各種大小的植物和動物（包括構成食物鏈基礎的奈米浮游生物）構建外殼。
當然，現在的時代絕不是地球第一次出現較高水平的二氧化碳。事實上，大約 1.21 億年前——在被稱為早阿普第期的一個時期——由於災難性的火山噴發，全球二氧化碳水平可能高於 800 ppm（甚至可能高達 2,000 ppm）。現在，一項新研究發表在 7 月 23 日的《科學》雜誌上，顯示了今天奈米浮游生物的祖先在很久以前的那些酸性海洋中的表現。
米蘭大學的古生物學家伊麗莎白·厄爾巴及其同事在研究了在太平洋深海底和中生代時期存在的古代特提斯海洋地點的鑽探巖芯中嵌入的碳同位素後寫道，這是一個“嚴重的全球變暖”時期。記錄顯示，酸化對奈米浮游生物來說是一個大問題。“在阿普第期，由於二氧化碳引起的酸化加劇，海洋鈣化生物經歷了重大危機，”厄爾巴說。
但這場危機並非重大的滅絕事件。奈米浮游生物的反應是減少外殼的形成——最重的外殼形成者，即奈米錐形體，在化石記錄中基本消失（儘管它們沒有滅絕，同樣的物種在酸化減少後又重新出現）——並透過多樣化為新的、更小的物種。在某些情況下，物種甚至數量增加，但大小縮小——最多可達 60%。厄爾巴指出，“某些[廣泛]物種也證實了畸形。”
根據研究，至少需要 25,000 年的時間，表面水中達到的新酸度水平才能轉移到更深的水域——海洋花了 75,000 年的時間才達到該階段的峰值酸度，以及至少 160,000 年的時間才能恢復。這一階段的長度“很可能是因為幾次二氧化碳脈衝[火山爆發]導致了海洋酸化”，厄爾巴說。此外，她計劃檢查地質記錄中的其他高二氧化碳事件，看看“相同的因素——過量的二氧化碳、全球變暖、海洋酸化——是否在不同時期對海洋鈣化生物產生類似的影響”。
賓夕法尼亞州立大學的地球科學家蒂莫西·布拉洛爾指出，表面水酸化和深層水酸化之間 25,000 年的時間滯後是神秘的，他沒有參與這項研究。“在現代海洋中，類似的碳輸入會導致數個世紀的時間滯後，”他指出。“所以有些事情非常不同。”而且，奈米錐形體甚至在化石記錄表明火山碳同位素較輕之前就開始消失——換句話說，大概在實際酸化之前。儘管如此，他說，“就我們對大量二氧化碳輸入對錶層海洋生態系統的影響的理解而言，它提供了最先進的技術。”
這對現代奈米浮游生物——以及其他形成外殼的微觀生命，如有孔蟲來說，可能是一個壞訊息。厄爾巴說，有孔蟲對阿普第期事件的反應類似，儘管“資料仍然稀少”。現代實驗與化石記錄一致：實驗室測試中的高二氧化碳水平會促使“選擇性球石畸形、侏儒症和鈣化減少”，厄爾巴指出，而這些結果有時是相互矛盾的，布拉洛爾補充道。
無論如何，南大洋中至少一種現代有孔蟲的外殼已經比僅一個世紀前的祖先小了。而且，現代大氣中二氧化碳的積累速度比這些古代時期快得多。塔斯馬尼亞州霍巴特南極氣候和生態系統合作研究中心的海洋地質學家威廉·霍華德指出，“目前海洋酸化的速度大約是地質歷史上最快速事件的 100 倍。”此外，全球變暖的直接影響可能會使情況變得複雜——就像現代珊瑚因海水溫度升高而遭受白化加劇，以及海洋酸化導致的碳酸鹽骨骼形成能力降低一樣。布拉洛爾補充說：“最大的問題是，現代物種是否能夠適應我預計未來幾個世紀內 pH 值將更快下降的情況。”
這些構成食物鏈基礎的微小形成外殼的生物的轉變，或者像珊瑚一樣，提供使其他物種得以繁衍生息的棲息地，將會擾亂海洋。而且，正如這項研究表明的那樣，海洋從酸化中恢復可能需要數千年——這依賴於大陸岩石的穩定、緩慢風化，以便將更多的碳酸鹽衝入海洋。“如果這項研究和其他研究的結論是正確的，”霍華德指出，“海洋的恢復將需要數十萬年。”