自從工業革命以來，人類活動因為開發使用化石燃料，大量排放二氧化碳，已使得大氣中二氧化碳濃度節節升高。伴隨而來的，除了大家耳熟能詳的全球暖化之外，當這些二氧化碳溶於水中，還會釋放出氫離子，使得海水變酸。首當其衝的，就是居住在海洋裡的各種生物。就像牙醫師可能會警告小朋友不要喝太多碳酸飲料，因為這些酸化的液體會破壞牙齒琺瑯質一樣，對海洋中有碳酸鈣骨骼或殼體的生物來說，酸化的海洋也可能會使得牠們的殼體受到破壞，進而無法抵抗掠食者的攻擊。因此，近二十年來有越來越多的研究著重在海水酸化對海洋造殼生物的影響。
然而科學家們從實驗室的養殖實驗當中發現，海洋生物殼體在不同海水酸鹼度下的變化卻不是這麼單純。無論是微型的單細胞浮游藻類如鈣板藻，或是大到像海膽、貝類、美國螯蝦等，這些生物在酸化的養殖實驗中，並非都會在越酸的狀態下殼體的成長越少。衍生而來的問題就是：到底是什麼樣的機制在控制這些生物的殼體生長？當人類碰到胃酸過多時可能會吃制酸劑抑制胃酸來減緩不適，那海洋生物會做什麼樣的應變呢？牠們會調節體內的酸鹼值，以維持造殼所需的離子飽和濃度嗎？
大家可能會問，這問題重要嗎？如果物種會因海洋酸化全面性無法繼續生存，大家比較能夠理解這樣的狀況對整個地球有多嚴重。然而不同生物的反應不一，並非全面生長受到威脅，也有可能會大幅度地影響整個生態系的食物鏈，使得整個系統產生動蕩。不討論太長的時間尺度，對人類的社會也會有直接的影響。最明顯的就是，其實很多經濟漁業養殖很依賴帶殼的這些海洋生物。例如說牡蠣等貝類，或是海膽、龍蝦等可能更高經濟價值的物種，如果數量大量衰退，經濟供需上的不平衡可能影響價格。另一方面對消費者而言，如果生物其實有些許的對抗能力，例如在養殖實驗中看到蝦蟹類的生物殼體其實在越酸的環境下反而會長得更厚，那在面對未來酸化的環境下，雖然秤斤論兩也許不會真的虧到，但我們是不是以後在買同樣大小的蝦蟹時，這些海鮮可能食用的肉含量卻變少了？前面看似有點遙遠的海洋生態問題，其實也可以和我們很靠近，而我們能用什麼樣的科學方法來評估海洋造殼生物面對未來酸化的海洋可能會有何種調節方式？
地球化學家的錦囊妙計：同位素質譜分析技術
近年來隨著測量技術的進步，有不同的方法可以被利用來探討這個問題。有部分的研究試著用微探針直接測量生物體內的酸鹼度，像是測量耳溫又像是抽血檢查，直接將儀器深入生物體。然而直接測量生物體內液體也有所侷限。除了探針的大小不見得能符合所有想要討論的生物樣本外，儀器測量到的是瞬間的酸鹼度，不一定是形成碳酸鈣殼體時的狀態。因此，地球化學領域當中的同位素質譜技術在此派上用場。海洋生物在形成自己的骨骼或殼體時會利用自己體內造殼區域附近的體液內的物質作為材料，也因此深受那個成鈣環境的物理化學條件影響（圖一）。科學家們發現碳酸鈣當中硼同位素有很好的指標性質，其數值可以反應沈澱環境中液體的酸鹼度，也因此生物碳酸鈣殼體中的硼同位素就像是一個連續記錄表，隨著時間記住當下體內沈積環境的酸鹼值。藉著有條件控制的養殖實驗，科學家們得以去抽絲剝繭，當環境中其他條件都不變的狀況下，如果海水變酸，生物體內的酸鹼值會有什麼樣的變化？搭配測量殼體的生長狀況，還有其它元素或同位素的分析，再進一步去看這些生物做了哪些調整？
圖一 以貝類為例子，從養殖實驗去看造殼生物體內酸鹼度隨環境酸鹼度變化有什麼樣的調節。（A）藉由打入不同濃度的二氧化碳，我們可以在實驗中模擬未來海洋酸化的不同程度；（B）生物本身造殼的環境和外界海水可能有部分或完全的交換，再受到生物自己的調節作用，從造殼微環境的體液中沈澱生長出碳酸鈣殼體；（C）殼體中的硼同位素記錄了微環境體液中，硼酸根離子的硼同位素組成。因為這組成是受到酸鹼度的控制，藉由分析殼體的硼同位素，我們能得到相對應的酸鹼值。
從實驗中科學家發現，不同生物門下的生物似乎有不同的內部酸鹼調節能力（如圖二），且就算是同一種屬，不同基因型的浮游藻類可能也都不盡相同。原先的假設是不同的生物可能有不同的體內酸鹼度調節能力，而這些能力最終會反應在殼體的生長狀況上，以符合最基礎的化學物理反應。然而由同位素的結果第一次提出了直接的證據指出，生物的造殼與體內的酸鹼度並沒有那麼簡單的因果關係。十種生物裡面只有三種生物的殼體生長和體內酸鹼程度成正相關，其它的生物內部酸鹼度並沒有直接反應了最終的殼體生長成果。即便如此，在這個大型實驗裡仍舊發現了，就算不能支持殼體生長，大多數生物（十種裡的九種）或多或少都會想辦法提升自己內部的酸鹼度，使得環境相對適合殼體生長。只是，這項調節可能相對耗能，因此不見得能使得這些生物們能很順利地生長在未來酸化的海洋中。
圖二 （A）由硼同位素分析結果去計算，不同種屬海洋造殼生物在面對海洋酸化的情況下，有的體內酸鹼調節能力很強，可維持恆定不變甚至越酸的環境下體內酸鹼度越鹼，理論上支持更多碳酸鈣沉澱生長；有些則是調節能力較弱，相對較容易受到海水酸鹼度變化的影響，因此在極端酸化的狀況下，有可能無法支持殼體的生長。從（A）當中可以看到即便這十種生物體內硼同位素及其計算出的酸鹼度不是每種都能和殼體生長相對應，但換算成酸鹼度調節能力，大多數的種屬都有中到強的調節能力（如B最下圖所示）。圖片修改自Liu et al., 2018。
調節酸鹼的能力有限，這些海洋生物還能做什麼？
配合穩定同位素的測量，科學家進一步還可以討論會行光合作用的浮游鈣板藻類自身做了什麼調整去維持生長，以因應酸化的海水環境。從另一個獨立的養殖實驗結果發現，在維持體內酸鹼度高於體外的海水、或是恆定的酸鹼度之外，這些鈣板藻會選擇利用海水中不同型態的溶解無機碳作為行光合作用和成鈣作用的材料。這些選擇可能和相對節省自身能量消耗有關。雖然不同基因型的鈣板藻調節體內酸鹼度、以及選擇利用不同溶解無機碳的方式有所分異，使得科學家們對這中間的確切連結仍不甚了解，利用同位素質譜技術，我們多了一些可以窺探其中奧秘的機會。後續也可進一步討論：面對環境變遷，這些鈣板藻幫助地球將大氣溶於海水中的二氧化碳帶入海洋深部的能力會有什麼變化？
如履薄冰，別掉以輕心！
前面談到了一些針對不同物種生物的養殖實驗進行的同位素分析成果，看起來生物們都很努力要活下去。所以面對人類活動造成的海洋酸化是否不會對整體海洋生態造成負面影響？我們是不是不用擔心了？雖然同位素技術讓我們可以切入去討論生物調節的細節，但要注意實驗也有所限制。當前大部分的養殖實驗都相對短期，只有數週到數月，跨生物世代的研究還非常少。且之前也提到，提升體內酸鹼度可能也相對耗損生物的能量，可能因此多長了殼不長肉，整體的衝擊還需要多方評估。也許生物們會逐漸演化至適應新的環境，永續生長，但在目前的大部分大規模的觀察結果仍顯示在這環境快速變遷的情形下，整體海洋生物的生存是受到威脅的。因此，科學界目前針對海洋酸化議題的態度仍然保守，未來期許科學的進展能幫助我們更加了解當中的每個環節，提供更多證據及明確的條理作為人類政府決策的參考。
延伸閱讀
顧銓, 2022, 艾密利的鈣板世界：地球碳循環中的隱藏角色. 中研院漫步科研專欄：2022-01-27
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