研究海洋环境变化带来的生态影响
（一）探索海洋酸化造成的生态影响
1．研究海洋酸化对鱼类感官功能的影响
⑴发现海洋酸化会破坏鱼类视力。[51]2014年2月，一个由海洋生物科学家组成的研究小组，在《实验生物学》杂志上发表研究成果称，他们的研究显示：随着越来越多由人类排放的二氧化碳溶解在海洋之中，正在加剧的海水酸化，使得一些鱼类难以用肉眼捕捉到快速移动的物体。
科学家早已发现海洋酸化会损害鱼类的嗅觉和听觉，至于对鱼类视觉的影响，科学家则知之甚少。因此，研究人员把目光投向带刺的小热带鱼多刺棘光鳃鲷，它是一种常见的海洋鱼类，而且由于很容易饲养，所以非常适合实验室研究。
就像人类的眼睛能够接收到电视屏幕的闪烁一样，这种热带鱼类也能用它们的双眼捕捉快速闪烁的光。究竟多高的二氧化碳浓度才能影响它们的视觉呢？研究人员把这种小鱼分别置于不同二氧化碳浓度的水容器中，并以不同的速率照射灯光。为了鉴别出它们是否捕捉到了每一次的闪烁，该研究小组利用电极测量小热带鱼眼球内的神经细胞活动。如果电极探测到神经细胞的活动与光的闪烁保持同步，则证明它们看到了这些闪烁。
研究结果表明：在二氧化碳浓度上升到2100年的预期水平时，若光每秒的闪烁次数高于79次时，小热带鱼眼部的神经活动将完全停止。这一数据，比它们在当前二氧化碳浓度下的视觉能力下降10%多；在现阶段，若每秒闪烁次数不超过89次，它们还是能够看见的。
研究小组认为，视觉受损的鱼，更易成为捕食者的盘中餐，海水中过高的二氧化碳浓度将对神经细胞蛋白的各类氨基丁酸造成干扰，而后者对视觉能力和行为能力有重要作用。此外，大量其他具有相同蛋白的物种也一样在劫难逃。
⑵发现海洋酸化会损害鲨鱼感知能力。[52]2014年8月，一个由生物学家组成的研究小组，在《全球变化生物学》期刊网络版上发表论文称，鲨鱼作为体形巨大，能够远洋航行的捕食者，在很大程度上依赖自己的嗅觉器官在广阔海洋中定位猎物。但是，本项研究发现，一种海洋整体变化可能会损害这种定位能力，而这种变化预计将出现在本世纪末。
随着吸收人为活动排放到大气中的二氧化碳，海水正变得越来越酸。之前研究就曾指出，二氧化碳含量较高的酸性水，能影响岩礁鱼类嗅到捕食者的能力。而该新研究则考察了海洋酸化，对鲨鱼利用气味追踪定位猎物能力的影响。
该研究小组把鲨鱼暴露在特定水样中5天，水样的二氧化碳含量与目前海水的二氧化碳水平相同。之后，把水样的二氧化碳浓度，提高到本世纪中叶和本世纪末海洋中二氧化碳的预测水平。然后，鲨鱼被释放到一个分散着具有诱惑力的“鱿鱼汁”气味的水池中，研究人员监测了鲨鱼的追踪和攻击能力。
结果，研究人员发现，暴露在二氧化碳水平最高的水样中的鲨鱼，出现明显的“回避”行为，而不是受到猎物气味的吸引，并且对食物的攻击的侵略性也更低。捕食行为对鲨鱼生存而言至关重要，因此，海洋酸化可能对已经饱受威胁的鲨鱼种群产生深远影响，而且对海洋生态系统也会产生后续、层叠效应。
研究人员指出，尽管鲨鱼在其进化历史之前就已经适应酸化的海洋环境，但它们无法适应目前发生的快速变化节奏。
2．研究海洋酸化对刺胞动物生长的影响
发现珊瑚“骨骼”在酸性海水中有影响但仍能生长。[53]2017年6月1日，一个海洋生物学家组成的研究团队，在《科学》发表论文称，他们研究发现，珊瑚对其骨骼生长在一定程度上具有主动控制能力，从而保护其免受海洋酸化的最严重破坏。
气候变化对珊瑚来说是个大问题，这种形成群落的动物为约25%的海洋生物提供了家园。海洋会吸收大气中的二氧化碳从而导致海洋酸化，这对石珊瑚造成的影响尤其严峻，使得这些动物由碳酸钙构成的骨骼更难被沉淀下来。
该研究团队为了了解珊瑚如何建造它们的“骨骼”，利用超高分辨率显微成像技术，观察了常见的石珊瑚萼形柱珊瑚是怎么构建其轮廓的，结果发现珊瑚能够分泌一种形成碳酸钙的酸性蛋白质模板，从而生成矿物晶体，形成珊瑚“骨骼”的核心。这为有利于生物控制的珊瑚骨骼生长，提供了有力证据。
由于这种酸性蛋白质能够比预期在更广泛的范围内发挥作用，因此研究人员表示，海洋即便在酸化，珊瑚也能够继续形成珊瑚礁。
但这并不意味着珊瑚礁会不受阻碍地生长。首先，它们仍然需要构成其生物家园的碳酸钙构建模块，而这在酸性较强的海洋中会更少。其次，它们仍处于会导致珊瑚白化和死亡的温暖海水和藻华的巨大威胁之下。
3．研究海洋酸化对棘皮动物繁殖的影响
发现海洋酸化严重影响海胆繁殖能力。[54]2018年5月，澳大利亚南十字星大学海洋生物学家西蒙·多雅恩领导的研究小组，在《英国皇家学会学报B》上发表文章称，他们开展了一项关于海胆的长期研究，表明海胆的繁殖能力受到海洋酸化的严重影响。
大气中二氧化碳浓度持续上升，使海洋吸收的二氧化碳量不断增加，导致海水pH值下降，这个过程被称为海洋酸化。而海水pH值降低，改变了海洋的水环境，进而影响到海洋生物的生物功能，如光合作用、呼吸作用、钙化作用等。
研究人员认为，在海洋酸化情况下，海胆、腹足类和双壳软体动物在胚胎发育和幼体生长阶段可能相当脆弱。此次，研究小组明确指出，海洋酸化严重影响了海胆的繁殖能力。研究人员认为，某些海洋生物可能因其独特的生理特征，会对海洋酸化很难适应，造成种群退化甚至灭绝。
4．研究海洋酸化对贝类动物生存的影响
发现海水酸度上升会危害牡蛎生存。[55] 2019年3月18日，埃菲社报道，气候变化最不为人知的后果之一是海水酸度上升，这会对一些物种的未来生存构成威胁，其中就包括牡蛎这种最受欢迎的海鲜之一。
近日，美国加州大学戴维斯分校的地球科学教授米歇尔·希尔，参加了由美国国家新闻基金会在旧金山组织的关于海洋酸度水平上升的研讨会。希尔说：“与其他双壳贝类一样，牡蛎也是用碳酸钙作为壳体的原料。海水的酸化会使这一进程变得更困难，导致小牡蛎在形成壳体之前死亡。”
参加研讨会的还有旧金山知名牡蛎养殖企业霍格岛公司的联合创始人兼副总裁特里·索耶。他说：“牡蛎的繁殖周期大约是一年半，但最近一段时间以来，我们已遇到收获的牡蛎100%死亡的异常情况。牡蛎生命周期中最脆弱的时期，是生命开始的第一个星期。”
报道称，导致地球上所有海洋酸度上升的原因，是二氧化碳排放量的增加。这种气体排放到大气中的总量约有30%被海洋吸收。这使得海水pH值（测量酸碱度的指数）显著下降。
例如，根据美国国家环境保护局公布的数据，西班牙加那利群岛水域的海水pH值从1990年的8.10下降至2010年的8.07。这种情况在世界各地的海洋中普遍存在。
希尔指出：“这种酸度水平对所有有壳类生物，包括牡蛎、贻贝、海胆、帽贝、藤壶等，以及小型甲壳类生物构成了极大的威胁。而这些生物也是体型较大鱼类的主要食物。”
5．研究海洋酸化对植物生长及其功能的影响
发现海洋酸化会影响束毛藻的生长和固氮功能。[56]2019年6月，厦门大学史大林教授率领的研究团队，在《自然·通讯》杂志上发表论文称，他们在海洋优势固氮类群束毛藻对海洋酸化响应研究方面取得新进展，这是海洋生态系统储碳过程多尺度调控及其对全球变化响应项目的成果之一。他们的研究表明，海洋酸化通过影响固氮，可能会显著降低海洋碳汇潜能。
该研究团队分析了束毛藻对海洋酸化响应的细胞生理及分子生物学实验数据，并在此基础上建立了一个束毛藻“资源最优化分配”细胞模型。
这个模型，模拟束毛藻胞内铁和能量如何在无机碳吸收、光合作用、固氮作用、生命维持、对抗酸化胁迫、铁储藏等各主要生理过程之间的最优化分配，以最大化其生长速率；并且模拟了海洋酸化对几个主要生理过程的调控，包括二氧化碳浓缩机制耗能的减少、固氮酶效率的下降、抗酸化胁迫耗能的上升，以及铁储藏的减少。
模型结果显示，海洋酸化对束毛藻的影响，主要在于固氮酶效率的下降和抗酸化胁迫能耗上升，两者均会对束毛藻的生长和固氮产生负效应，而其中起主导作用的为固氮酶效率的下降。研究进一步将细胞模型拓展到全球海洋，以地球系统模型模拟的RCP 8.5场景下21世纪海洋pH、二氧化碳浓度和溶解铁为输入变量，估算得到全球海洋束毛藻的固氮潜力将在21世纪内平均下降27%，其中尤以铁匮乏的东南和东北太平洋的下降比例最大。
（二）探索海洋污染造成的生态影响
1．研究海洋原油泄漏对金枪鱼器官的影响
发现原油泄漏会伤害金枪鱼心脏。[57] 2014年2月14日，生物学家法边·布雷特及其同事组成的一个研究小组，在《科学》杂志上发表研究成果称，他们研究发现，脊椎动物心脏，对当今广泛存在于石油中的有毒化合物存在易感性，这是石油外泄产生的有毒化合物，引起鱼类心脏损害的直接原因。
研究人员说，当原油泄漏时，其组分化合物，其中包括多环芳烃，会被释放出来。人们已知多环芳烃对鱼胚胎及发育中的鱼的心脏有害，它会造成鱼心力衰竭及心律失常，但一直不知道其原因。此外，迄今为止的大部分研究，都是在模型鱼类中进行，而不是在那些接触了大规模环境原油泄漏的鱼中进行，更不要说在那些环境附近孵化的鱼中进行研究了。
现在，布雷特研究小组证明，多环芳烃造成的问题是，会延长幼鱼心肌的动作电位。为了进行研究，研究人员对两种金枪鱼进行了评估，这些鱼已知是在2010年发生深水地平线石油泄漏时，在墨西哥湾中孵化的。在一个固定该种幼鱼的先进设备中，研究人员对4种原油样本对它们的体外心肌细胞的生理效应的特征进行了描述。
研究人员发现，原油可通过两种机制延长分离的心肌细胞的动作电位。一是它会与钾离子通道上的在心肌动作电位复极化中起关键作用的位点结合。二是它会干扰对心脏收缩至关重要的瞬态钙离子释放。总之，这些机制会影响细胞兴奋性的调节，并有可能导致威胁生命的不规则心律。
研究人员表示，他们所描述的生理机制，也可影响其他脊椎动物的心脏，这些结果不仅提出了近日深水地平线原油泄漏对墨西哥湾内金枪鱼的负面影响，还提出所有的脊椎动物都可能在接触了原油或多环芳烃之后面临更广泛的影响心脏的风险。
2．研究海洋工业垃圾对海蛇皮肤的影响
发现海洋工业垃圾会导致海蛇表皮变色。[58] 2017年8月10日，澳大利亚悉尼大学生物学家里克·希恩参与的一个研究团队，在《当代生物学》杂志上发表论文称，他们在调查栖息在印度洋—太平洋海域珊瑚礁中的鳌头海蛇时发现，这些蛇的表皮色彩形状与众十分不同：栖息在珊瑚礁更原始区域的海蛇，身上表皮通常有黑白相间的条纹或斑点。而栖息在受人类工业制造活动影响更严重的区域，即靠近城市或军事区的海蛇，由于受工业垃圾的影响，其表皮是黑色的。
研究人员报告称，这些颜色差异，可能与海蛇在污染物中暴露程度不同有关。城市海蛇的黑色皮肤，能使其在每次蜕皮时更有效地凝固和去除身体上的污染物，例如砷和锌等。该发现也将海蛇列入工业黑化名单。
希恩说：“这些动物让我感到惊讶。我认为值得注意的是，工业黑化现象在不同的生物体中是不同的。”
该研究负责人、拉克斯—考勒—科尔多纳大学的克莱尔·戈兰，了解到栖息在巴黎的白鸽羽毛颜色较深，是因为与浅色羽毛同伴相比，其羽毛中“存储”了更多的锌，她想到海蛇更黑也可能与工业垃圾污染暴露有关。
为了找到答案，该研究团队与合作者研究了海蛇蜕皮中的微量元素。这些海蛇颜色有深有浅，有栖息在城市工业区附近的，也有远离人类的。结果显示，颜色更深的蛇蜕中包含的微量元素浓度也更高。研究人员还发现，颜色较深的蛇蜕皮更频繁。而面对污染物，这些深色蛇似乎比浅色同伴更有优势。
希恩表示，这些发现是动物快速适应性进化的另一个例证。这也暗示即便在海洋的珊瑚礁区域，工业污染也对栖息在那里的动物产生了严重影响。
3．研究海洋塑料污物对珊瑚患病的影响
发现海洋塑料垃圾会导致珊瑚患病风险骤增。[59]2018年1月，美国康奈尔大学环境专家乔利娅·兰姆领导的一个国际研究团队，在《科学》杂志发表论文称，塑料垃圾对生态系统的危害越来越受到重视。他们近日研究发现，由于容易携带细菌等微生物，海洋中的塑料垃圾会大幅增加珊瑚的患病风险。
该研究团队对印度尼西亚、澳大利亚、缅甸和泰国等地的159个珊瑚礁展开研究，检查了约12.5万个珊瑚的组织损伤和病灶。结果发现，当珊瑚遇到塑料垃圾时，患病风险会从4%骤增至89%。研究人员估计，亚太地区珊瑚礁上的塑料垃圾数量约为111亿个，并且这一数字还将会增长。
兰姆说：“塑料是微生物的理想寄居场所，这些微生物接触珊瑚后，很容易引发疾病导致珊瑚死亡。”在全球范围内极具破坏性的珊瑚“白色综合征”就与此有关。“白色综合征”是一种在珊瑚之间传播的传染病，染病珊瑚会逐渐变白，死亡率很高。澳大利亚大堡礁、日本冲绳等海域的珊瑚都曾大面积染病。
海洋塑料垃圾的危害，已经引起广泛关注。联合国环境规划署于2017年2月宣布，发起“清洁海洋”运动，向海洋垃圾“宣战”。该机构指出，过量使用的一次性塑料制品等是海洋垃圾的主要来源。
（三）探索海洋人为干扰造成的生态影响
1．研究海洋人造光对海底生物的影响
发现北极海底生物会受到船只上人造光的影响。[60]2020年4月，挪威特罗姆瑟大学和挪威北极圈大学共同组成的研究团队，在《通讯·生物学》杂志上发表的论文称，北极海底200米处的海洋生物，会受到船只上人造光的干扰。这项发现意味着在极夜期间，人造光会影响种群调查，进而对可持续管理工作产生影响。
鱼类和浮游动物，本来依靠自然光调整自身行为和迁徙模式，无论是喜光的还是不喜光的海洋生物，因人造光会扰乱海洋生物内部的“生物钟”，都做出了违反常态的选择。人造光会干扰这些动物分辨方向，破坏生态系统，进而影响研究人员观察海洋生物的准确性。但是，人造光对于海洋生物的影响仍未得到充分研究，在北极长达6个月的极夜期间尤其如此。极夜期间，鱼类和浮游动物只能依靠夜间光线的微弱自然变化。
此次，该研究团队在北极的3个地点，测量了鱼类和浮游动物在极夜期间，如何响应来自船只的人造光。他们发现，当船上的灯打开时，这些动物会在5秒钟内改变行为。海底200米动物的游动行为和垂直位置都发生了改变。
研究人员还发现，人造光对于动物行为的影响，在3处地点之间存在差异，影响最明显的是最北边的一处，那里夜晚最暗。研究团队总结认为，未来在极夜期间做科考和种群评估时，应该将上述发现考虑在内。
2．研究海洋人为噪音对鲸类行为的影响
发现观鲸船噪音会干扰鲸类休息和育幼。[61] 2021年11月，西班牙拉古纳大学帕特里夏·阿兰兹领导，丹麦、冰岛科研同行参与的一个研究小组，在《科学报告》发表论文称，观鲸船的引擎噪音，会严重干扰短肢领航鲸等鲸类动物的休息和育幼。
研究人员指出，过去的研究发现观鲸船产生的噪音会影响鲸类行为，但尚不清楚引擎的噪音水平对鲸类行为的影响，观鲸船只的噪音水平目前未得到监管。
该研究小组使用无人机，观察西班牙特内里费岛海域的短肢领航鲸母亲和幼崽：在没有船只在场的情况下观察到13对母子，而有23对母子被观察到时有一艘装有较吵闹汽油引擎的观鲸船，或一艘装有较安静电动引擎的观鲸船，按照加那利群岛观鲸指南要求从60米外慢慢经过。
他们发现，与没有船只经过的情形相比，有汽油引擎船只经过的时候，短肢领航鲸母亲平均花费在休息上的时间少了29%，照料幼崽的时间少了81%。与没有船只经过时相比，装有电动发动机的船只经过时，育幼和休息行为有所下降但不显著。研究人员认为，休息和育幼时间的减少，会增加领航鲸母亲的体力消耗，降低幼崽的能量摄入，可能会对幼崽存活造成潜在的消极影响。
研究人员认为，这些发现表明，即使观鲸船遵守了现有指南，更吵闹的引擎也会对鲸类行为造成更大影响。他们建议实施观鲸船噪音最小化，可由观鲸指南明确规定最大引擎噪音，以限制对鲸类的干扰。
3．研究海洋捕捞对鲨鱼种群生存的影响
发现海洋过度捕捞导致礁鲨正濒临灭绝。[62]2023年6月，澳大利亚詹姆斯·库克大学海洋生物学家科林·辛芬德费尔领导的一个研究团队，在《科学》杂志发表论文称，他们使用数千台水下摄像机，调查了67个国家391个珊瑚礁的鲨鱼和鳐鱼数量。结果发现，由于海洋过度捕捞导致了鲨鱼种群灭绝，世界各地珊瑚礁生态系统中的鳐鱼数量正在增长。
这项研究发现，珊瑚礁鲨鱼的数量远远少于预期，包括黑鳍礁鲨、白鳍礁鲨、护士鲨和灰礁鲨在内的物种，在一些地方的珊瑚礁群中完全消失了。研究人员基于没有人为压力的模拟情景发现，五种最常见礁鲨物种的数量比预期低60%至75%。由于这项珊瑚礁的调查结果，至少一个礁鲨物种（灰礁鲨）被世界自然保护联盟重新列为濒危物种。
研究人员指出，数量下降可能是由于过度捕捞。在偏远的珊瑚礁，或在有效的海洋保护区珊瑚礁区域，鲨鱼的数量要多得多，而且这种情况在高收入国家更为常见。
值得一提的是，研究还发现在许多鲨鱼数量急剧下降的珊瑚礁中，鳐鱼的数量却在增加。大西洋的黄貂鱼和南黄貂鱼，以及印度太平洋的蓝斑面具鱼和蓝斑带尾鱼，在一种或多种礁鲨物种灭绝的地方数量很高。
研究人员说，这个趋势在整个珊瑚礁生态中产生了级联效应。没有鲨鱼捕食，草食性鱼类的数量会激增，而它们以藻类为食，所以在失去礁鲨的珊瑚礁上，藻类中封存的碳会少得多。研究人员认为，应给予拥有珊瑚礁的国家更多的支持，以执行海洋保护区。因为执行良好的海洋保护区，能够相当快地恢复珊瑚礁鲨鱼的数量。
（四）探索海洋生物变化及其造成的生态影响
1．研究海洋升温对海洋生物变化的影响
发现海洋升温会导致北方海洋生物入侵南极海域。[63] 2016年5月24日，澳大利亚国立大学环境和社会学院首席研究员凯丽德温·弗雷泽博士领衔的一个国际研究团队，在《描述生态学》杂志上发表论文称，有证据显示，随着气候变暖，北方的海洋生物可以轻易入侵南极海域，并可能在迅速升温的南极海洋生态系统中扎根下来。
冰冷的南极海水与来自北方的温暖海水相遇，会形成南极极锋，这一度被视为防止海洋生物迁徙的“屏障”。但新研究发现，褐藻可以形成团块，夹带着甲壳动物、海洋蠕虫、海螺和其他藻类，在开放海域中漂浮数百公里穿越南极极锋。
弗雷泽说：“截至目前，北方的物种并不能在冰冷的南极海域长时间生存。但随着气候变化和海洋升温，很多非南极物种会迅速侵占这一区域。”
弗雷泽说，现在来自北方的海洋物种已经可以轻易进入南极海域。南极是全球升温最快的区域之一，一旦新物种扎根，将导致生态系统的巨大改变。
研究人员针对漂浮的褐藻展开调查。在2008年、2013年和2014年的三个不同航次中，他们统计了在亚南极和南极海域中漂流的藻类。尽管更多藻类出现在南极极锋以北，但在南极海域特别是极锋以南也发现了大量褐藻。
2．研究海洋物种退化造成的生态影响
发现加勒比海珊瑚礁退化将危及其他物种。[64]2015年9月，英国纽卡斯尔大学生物学家尼克·波留宁等人组成的一个研究小组，在《动物生态学杂志》上发表论文称，他们的研究结果显示，加勒比海的珊瑚礁如果因环境等因素而退化，会给这一海域的生物多样性带来非常大的负面影响，甚至让许多依赖珊瑚礁生存的物种灭绝。
该研究小组对加勒比海部分珊瑚栖息地环境，以及珊瑚种类进行了详细分析。研究结果显示，在加勒比海的博奈尔岛、波多黎各、圣文森特岛与格林纳丁斯群岛等地附近海域，都有相似的发展趋势：如果当地珊瑚礁的复杂生态体系逐渐退化，其周边海域的生物多样性和种群数量也会随之下降。
研究人员指出，如果珊瑚礁的复杂生态体系退化到一个“临界点”，那么加勒比海的部分物种就会完全消失，其中包括许多鱼类，以捕鱼为生的很多当地人可能会受到不小影响。波留宁说，复杂的珊瑚礁生态体系是加勒比海中重要的生物栖息地，上述研究再次显示，这一生态体系对众多海洋生物的生存具有不可替代的作用。
3．研究海洋外来物种入侵造成的生态影响
发现成群的外来疣状栉水母正在威胁沿海鱼类生存。[65]2016年9月28日，有关媒体报道，一种贪婪的外来疣状栉水母，曾摧毁了黑海地区的渔业，并因此变得臭名昭著。如今，它们正在亚得里亚海北部的沿海区域发展壮大。
这些外来动物到达亚得里亚海，最初是在2005年被注意到的。不过，2016年，人们在克罗地亚北部沿岸、斯洛文尼亚和南至佩扎罗市的意大利沿岸，发现了大群外来栉水母，并拍下了它们的照片。自7月起，这些水母差不多填满了意大利北部的浅海。
意大利国家海洋与地球物理研究所专家瓦伦蒂娜·蒂雷利表示：“这是栉水母首次如此大规模地出现在亚得里亚海。”
来自克罗地亚海洋和沿海研究所的达沃尔·卢瑞介绍说：“据估测，栉水母种群的密度在某些地方达到每平方米500只。估测结果是仅针对成年栉水母作出的，而我们推断，幼年栉水母的数量要高很多。”
尽管它们对人类没有危险，但科学家仍对栉水母的新繁盛感到震惊，因为它们已经摧毁了黑海地区的鱼群。这是最著名的外来入侵者之一，于1982年“藏”在油轮压舱水中从美洲大西洋到达此地。
由于没有天敌，栉水母以惊人的速度扩散。同时，它们以浮游动物及其卵和幼体为食，而这也是具有很高商业价值的鱼类的食物选择。
科学家表示，浅海栉水母可能通过压舱水到达亚得里亚海。不过，尽管形势很严峻，但他们认为，栉水母入侵亚得里亚海可能不会产生像黑海地区遭受的那种毁灭性后果。
