“緩慢的精子……這確實是個問題，”喬納森·黑文漢德 (Jonathan Havenhand) 說，他的英國口音加重了資訊的嚴重性。“這意味著受精卵減少，幼體減少，種群數量也會減少。” 我們當時正乘坐計程車，沿著西班牙波光粼粼的北部海岸行駛，去參加一個關於氣候變化和大氣中過量二氧化碳對世界海洋影響的國際研討會。作為研究人員，我們擔心海洋化學變化對海洋物種細胞、組織和器官的潛在影響。在瑞典哥德堡大學的實驗室實驗中，黑文漢德已經證明，這種變化可能會嚴重阻礙最基本的生存策略：性。
海洋酸化——過多的二氧化碳與海水反應生成碳酸的結果——已被稱為“另一個二氧化碳問題”。隨著海水變得更酸性，珊瑚和蛤蜊、貽貝等動物在構建骨骼和外殼時會遇到困難。但更糟糕的是，酸性還會干擾所有海洋動物（無論是否有殼）的基本身體功能。透過破壞生長和繁殖等基本過程，海洋酸化威脅著動物的健康，甚至物種的生存。限制酸化以避免其不可挽回地損害世界海洋和人類賴以生存的食物鏈，時間已經不多了。
海洋的快速變化
海洋與二氧化碳的相互作用緩解了該氣體的一些氣候影響。大氣中的二氧化碳濃度幾乎為百萬分之390 (ppm)，但如果海洋沒有每天吸收3000萬噸該氣體，這個數字還會更高。世界海洋已經吸收了人類活動釋放的所有二氧化碳的大約三分之一。這種“匯”減少了全球變暖，但代價是海洋酸化。南佛羅里達大學的羅伯特·H·伯恩 (Robert H. Byrne) 表明，僅在過去15年中，從夏威夷到阿拉斯加的太平洋上層100米處，酸度就增加了6%。在全球範圍內，自工業革命開始以來，海洋表面層的平均pH值已下降0.12個單位，降至約8.1。
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這種變化聽起來可能不大，但由於pH值標度是對數的，因此它相當於酸度增加了30%。pH值測量溶液中的氫離子 (H+)。7.0的值是中性的；值越低，酸性越強，值越高，鹼性越強。雖然8.1是弱鹼性的，但下降趨勢構成了酸化。海洋生物數百萬年來從未經歷過如此快速的變化。古生物學研究表明，過去類似的變化與海洋生物的廣泛喪失有關。大約2.5億年前的大規模火山爆發和甲烷釋放可能使大氣中的二氧化碳增加了一倍，導致了有史以來最大規模的物種滅絕。超過90%的海洋物種消失了。一個完全不同的海洋持續了四百萬到五百萬年，其中相對較少的物種存活下來。
如果我們繼續以目前的速度排放溫室氣體，科學家估計到2050年大氣中的二氧化碳將達到500 ppm，到2100年將達到800 ppm。與工業革命前相比，海洋上層的pH值可能會降至7.8或7.7，酸度增加高達150%。
大多數人將海洋想象成一個巨大的水池。但海洋更像一個千層蛋糕，每一層都由鹽度和溫度的獨特組合構成。最溫暖和最新鮮（鹽度最低）的水層從表面向下漂浮50到200米，有時更深。充足的氧氣和陽光支援著食物鏈蓬勃發展的基礎：單細胞浮游植物，它們像植物一樣，利用陽光製造糖。浮游植物滋養浮游動物——小型動物，範圍從微小的蝦狀甲殼類動物到巨型魚類的幼蟲。浮游動物被小魚吃掉，小魚又餵養更大的動物，以此類推。
風有助於混合地表層和深層，將氧氣向下輸送，並將營養物質向上輸送。但地表和海底之間的營養物質通量也透過動物的運動（無論是活著的還是死去的）發生。一類廣泛的小型甲殼類動物，稱為橈足類動物，每天晚上在黑暗的掩護下，從中間層甚至深層遷移到地表，以享用白天陽光創造的盛宴。許多魚類和魷魚跟隨它們的運動，而深海居民則等待著豐盛的食物以沉降殘骸的形式傾瀉而下。當生物體上升和下降時，它們會穿過pH值不同的水域。但隨著酸化改變這種pH值分佈，它可能會損害這些生物體。
由內而外的角度
在個體海洋動物的層面上，酸化會迫使生物體花費更多能量來恢復和維持其內部pH平衡，從而將能量從生長和繁殖等重要過程中轉移出去。
即使海水中二氧化碳濃度略有增加，也會導致二氧化碳迅速擴散到水生動物的體內。一旦進入體內，二氧化碳就會與內部液體反應，產生氫離子，使體液或組織變得更酸性。物種採用各種機制來平衡其內部pH值。這些行動包括產生負離子（如碳酸氫根）來吸收或緩衝多餘的氫離子；將離子泵入和泵出細胞和細胞間隙；以及降低新陳代謝以吸收更少的離子並“等待”高氫離子濃度時期過去。但這些機制都不是為了應對pH值的持續下降而設計的。當生物體努力恢復酸鹼平衡時，它會犧牲能量。合成蛋白質和維持強大的免疫系統等基本生命功能也可能受到損害。
大多數物種至少擁有一些緩衝分子。魚類和其他活躍的物種會儲存它們，以減少劇烈游泳爆發引起的暫時性pH值下降。就像跑步者一樣，肌肉在衝刺期間會轉向厭氧（非氧基）代謝，這會更快地消耗ATP（主要的燃料分子），導致額外的氫離子積累。但很少有物種可以儲存足夠的緩衝物質來持續較長時間。如果小的pH值變化在數萬年內逐漸發生，物種可能會進化出適應性，例如，透過保留偶然的基因突變，從而導致緩衝分子的產量增加。但物種通常無法適應在短短數百年或更短時間內發生的變化。在實驗室中幾天到幾周內產生的類似變化是致命的。
在過去二氧化碳濃度上升的時代，緩衝系統較差的物種表現不佳。pH值下降可能尤其會損害深海物種，它們穩定的環境使其無法適應變化。（因此，透過將大量二氧化碳泵入深海來應對氣候變化的擬議策略令人擔憂；它們可能會破壞各種生物的棲息地。）
生長和繁殖不良
海洋酸化的內部影響因生命的不同發育階段而異。一項規模雖小但不斷增長的研究表明，存在各種潛在的問題。
事實上，生命的最初火花——受精——可能會受到影響。在實驗室中，科學家透過將額外的二氧化碳氣泡泵入海水箱來模擬酸化。正如黑文漢德在我們的計程車之旅中解釋的那樣，當實驗人員將海水pH值降低0.4（在2100年預測的範圍內）時，澳大利亞海膽Heliocidaris erythrogramma的精子移動速度降低了16%，遊動速度降低了12%。受精成功率下降了25%。在野外，25%的減少可能會導致成年種群數量隨著時間的推移而顯著減少。雖然單個海膽釋放數百萬個精子和卵子，但精子不會存活很長時間；它們必須在幾分鐘內找到卵子並使其受精。在廣闊而動盪的海洋中，行動遲緩的精子可能永遠無法到達目的地。
酸化還會阻礙幾種物種的早期幼蟲階段。塞繆爾·杜邦 (Samuel Dupont) 與哥德堡的黑文漢德在同一棟樓裡，他將溫帶陽隧足（常見海星的近親）的幼蟲暴露在pH值降低0.2至0.4單位的環境中。許多幼蟲表現出異常發育，不到0.1%的幼蟲存活超過八天。在另一項研究中，海螺Littorina obtusata的胚胎在暴露於較低pH值的水中時，孵化數量較少，而且那些孵化出來的胚胎比正常胚胎移動頻率更低、速度更慢。
一次性降低0.2至0.4 pH值的變化比野生物種正在經歷的變化更為劇烈，有些物種可能能夠適應逐漸的變化。但對於另一些物種來說，即使是輕微的酸化影響也會來得又快又猛。科學家懷疑海洋酸化解釋了最近俄勒岡州沿海牡蠣幼蟲的死亡事件，例如，這導致一些牡蠣養殖戶爭先恐後地尋找足夠的幼苗以維持經營。
成年動物也遭受痛苦，尤其是在生長方面。海膽和海螺移動緩慢，但生長緩慢也是有問題的。2005年，日本京都大學的研究人員確定，將二氧化碳濃度比今天的數值高出200 ppm的水泵入海水中六個月，會降低海膽物種Hemicentrotus pulcherrimus和Echinometra mathaei以及草莓海螺Strombus luhuanu的生長速度。200 ppm的增加相當於未來四到五十年預測的增加量。生長減緩使個體在更長的時間內保持較小，使其更容易受到捕食者的攻擊，並可能降低其生殖產出。
酸化還使一些浮游植物物種更難吸收鐵，鐵是一種對生長至關重要的微量營養素。普林斯頓大學的研究人員指出，pH值下降0.3可能會使浮游植物的鐵吸收量減少10%至20%。除了是食物鏈中的重要環節外，浮游植物還產生我們呼吸的大量氧氣。
在其他實驗中，棲息於沉積物的陽隧足Amphiura filiformis在較低的pH值下以更快的速度長出腕足，但卻失去了大量的肌肉量。強大的肌肉是覓食、建造洞穴和逃避捕食者所必需的。在一個月內，pH值下降0.3至0.5會抑制普通藍貽貝的免疫系統反應。力量、生長、免疫功能或繁殖能力的下降可能會導致長期種群數量下降——這對受害者以及許多其他依賴它們獲取食物甚至棲息地的物種（包括人類）來說都是壞訊息。例如，海膽的放牧有助於保持珊瑚礁和海帶森林的健康，而陽隧足運動對沉積物的混合對於使沉積物適宜許多其他物種居住至關重要。
對於某些生物來說，海洋酸化可能僅僅意味著末日。當將加利福尼亞海岸常見的橈足類動物物種（Paraeuchaeta elongata）的樣本暴露於pH值比正常值低0.2的水中時，一半的生物體在一週內死亡。我們喜歡食用的魚類，從金槍魚到鮭魚或條紋鱸魚，都依賴於大量的特定橈足類動物來支援支援它們的獵物。
幾種魚類，如斑點狼魚 (Anarhichas minor)，在實驗室中表現出非凡的耐受性，因為它們保持著相對大量的緩衝物質，並在其組織中儲存額外的氧氣，這很方便，因為氫離子會干擾血液從水中吸收氧氣的能力。然而，即使是適應性很強的魚類，如果它們的食物供應減少，也可能會掙扎。其他物種則沒有做好充分的準備。例如，高度活躍的魷魚沒有氧氣儲備——它們一直都在使用它們所擁有的一切。血液中氧氣減少會限制它們捕獵、躲避捕食者和尋找配偶的能力。對於具有商業重要性的魷魚Illex illecebrosus來說，pH值僅下降0.15就可能造成重大損害。
實驗室研究以及地質記錄的資訊是，海洋酸化迫使動物更加努力地掙扎，而今天它們已經因為其他人為造成的壓力因素而這樣做，例如水溫升高、汙染和過度捕撈。
酸適應？
實驗室實驗持續數週至數月。氣候變化發生在數十年和數百年之間。有些物種可能會適應，特別是如果它們具有較短的生殖週期。動物每次繁殖時，後代都可能出現基因突變，這可能有助於下一代適應新環境。然而，90年——pH值預計將下降0.3至0.5單位的預測時間範圍——對於繁殖速度相對較慢且可能已經因pH值下降30%而承受壓力的物種來說，進行基因適應的時間非常短。物種滅絕通常是由數百甚至更長時間的緩慢下降造成的；每代人個體數量僅下降1%就可能在不到一個世紀的時間內導致滅絕。
令人震驚的是，迄今為止觀察到的pH值下降以及當前排放趨勢下的預測軌跡比過去數千年的任何變化都快100倍。如果不加以控制，二氧化碳水平將創造一個非常不同的海洋，現代物種從未經歷過的海洋。
適應性更不可能，因為酸化的影響以及生物面臨的其他掙扎會相互作用。例如，二氧化碳水平升高會縮小個體可以生存的溫度範圍。我們已經看到珊瑚和一些藻類存在這種限制，如果暴露於較高的二氧化碳中，它們會在比正常溫度更低的溫度下承受熱脅迫。
未來的選擇
從北極冰融化到海平面上升，科學家們一直低估了氣候變化的速度。越來越多的專家建議限制大氣中的二氧化碳，以防止全球變暖達到危險水平。但目標的設定也應考慮到海洋酸化。不受控制的酸化可能會完全重組海洋生態系統，並在食物鏈中產生連鎖反應。有些物種可能會在新組合的浮游生物中茁壯成長，而另一些物種則會遭受痛苦，但無法確定我們最依賴（或最喜歡）的物種是否會成為贏家。這些變化也可能損害旅遊業，並抹殺潛在的製藥和生物醫學資源。
海洋酸化還會改變地球整個碳迴圈的規則。儘管海洋目前吸收了大量的人類排放物，但隨著海水中二氧化碳濃度的增加，吸收率會減慢，二氧化碳會在海面“積聚”。因此，大氣中的二氧化碳濃度將上升得更快，加速全球天氣變化。
這些後果值得制定排放目標，將未來一個世紀的pH值下降限制在不超過0.1。越來越多人認為，將大氣中的二氧化碳水平降低到350 ppm似乎是合理的目標。正如一些人建議的那樣，到2100年穩定在450 ppm，或許可以將額外的pH值下降控制在0.1以內。但即使是這個數字也可能使珊瑚礁註定滅亡，並使某些動物無法構建外殼，尤其是在環繞南極洲的南大洋中。由於其寒冷的溫度和獨特的環流模式，南大洋將比其他海洋更快地開始溶解外殼和骨骼結構。防止進一步酸化遠比一旦發生變化後再逆轉變化容易得多；自然緩衝系統將需要數百年甚至數千年的時間才能將pH值恢復到工業革命前的水平。
可以做些什麼？首先，奧巴馬政府應頒佈《國家海洋政策》——美國有史以來的第一個《國家海洋政策》——因為它可能有效地協調行動以應對這些多重威脅。美國環境保護署應推進將二氧化碳作為《淨水法案》下的汙染物，賦予各州執行二氧化碳排放限制的權力。建立海洋保護區將使物種能夠從過度開發中恢復；更多的數量將為它們的種群和基因庫提供更大的恢復力，以應對氣候變化。調整漁業捕撈限額，使其符合科學建議而不是政治意願將有所幫助。而簽署美國已經擱置了幾十年的《聯合國海洋法公約》將使美國成為海洋管理領域的領導者。
還需要更多的科學研究。為支援歐洲海洋酸化專案研究計劃和實施《聯邦海洋酸化研究與監測法案》的資金將加深對酸化影響的理解。但還需要一個顯著擴大的監測網路來檢測酸化。由西雅圖太平洋海洋環境實驗室的理查德·菲利 (Richard Feely) 和加利福尼亞州立大學聖馬科斯分校的維多利亞·J·法布里 (Victoria J. Fabry) 領導的國際團隊，已經建立了一個將酸化監測納入現有海洋跟蹤計劃（如OceanSITES）的藍圖，應儘快遵循這些建議。此外，擴大努力將實地資料與實驗室實驗相結合，例如加利福尼亞洋流生態系統跨學科生物地球化學錨泊專案，將確保科學家的實驗模擬真實條件。
最終，解決海洋酸化的方案在於新的能源經濟。鑑於最近致命的煤礦和海上鑽井爆炸以及災難性的墨西哥灣漏油事件，美國比以往任何時候都有更多理由為地球制定更安全的能源戰略。只有大幅減少化石燃料的使用才能防止更多的二氧化碳排放汙染海洋。明確計劃從有限的、危險的能源轉向可再生、清潔的能源，為各國提供了更安全的未來之路。它也為地球，特別是海洋，提供了一個擁有健康未來的機會。�