海洋科学目前有哪些研究热点及应用前景？

cxdcmssy · 发表于灌水区 2022-10-27 22:03:35

海洋科学目前有哪些研究热点及应用前景？

广泛部分 · 发表于 2022-10-27 22:23:35

海洋浩荡无际，科学似乎总能在其中找到新的研究领域。其中，海洋药物及海洋发电作为两个经久不衰的主题，至今热度未减。

鲨鱼身上应该有说明书——海洋药物的高研发成本

为什么偏偏海洋成了寻找药材的焦点呢？威廉·凡尼克教授以极大的耐心和热情对此作了一番解释。凡尼克领导着位于美国加州的斯克里普斯海洋研究所，他有足够的理由心情愉快。每年化妆品巨头雅诗兰黛在他的账户汇入七位数的款项，资助他进行具有抗发炎作用的 Pseudopterosin 的研究，这是从一种称为「海鞭」的柳珊瑚目动物体内提炼出来的物质，发现者正是凡尼克教授。采用它精制而成的润肤用品不仅可以缓解日晒性皮肤炎，而且还能够治疗牛皮癣。Pseudopterosin 还可以成为可的松的替代品，而后者一直饱受诟病。

「海洋里的生物必然会进化出一种完全不同于陆地生物的生存法则，」被称为神奇生物勘探者的凡尼克说，「海洋里绝大多数都是共生体，尤其是与微生物共生的共生体。所以那里的生物所形成的化学物质远比陆地上要多。道理很简单，因为它们生活在水环境中，而水是一种有效分配的介质。」

没错。但没有任何人会因而同意使用化学武器。海洋中有很多动物，比如海绵就是活体毒药工厂。化学物质是它们唯一的防卫武器，因为它们不会逃跑。海绵既没有锋利的牙齿和爪子，也没有坚硬的外壳、尖锐的螯针来抵御来自海螺、螃蟹乃至各种鱼类的袭击。人们也没有在它们身上找到骨骼结构。敌人把它吞进肚子之前，它的毒液就足以让敌人倒尽胃口了。海绵本身是不会产生毒液的，它只是为上百万只细菌提供了一个很舒适的居所，而细菌则为它提供防御武器。海绵不仅用这些武器自卫，也用它们来觅食。它就像个过滤器一样，对靠近身边的物体进行筛选。因为浮游生物在水中不停移动，而且游动得非常快，所以海绵必须拥有这种本领，否则就只能饿肚子了。它不是通过接触来捕食，而是用毒液麻醉猎物。还有很多其他生物也采用类似方法，比如珊瑚虫、海鞘、苔藓虫和海葵等等。总而言之，都是一些定居海底的生物。

很遗憾的是，老普林尼于公元 79 年被埋在维苏威火山之下，所以海马泥到底有没有让他的头发再生已经无从考究。但我们还知道，他曾信誓旦旦地说，橙色马勃海绵（Tethya aurantia）具有镇痛作用。它和加勒比海海绵（Discodermia dissoluta）一样，都产自加勒比海深海中。而瑞士诺华药厂正是从后者之中萃取一种抗癌物质，名为 Discodermolid。几乎所有的海绵体内都蕴含着珍贵的有效物质具有抗滤过性病原体和抗菌的作用，而且在临床试验中成功抑制了肿瘤。西班牙科学家目前已经发现超过 40 种新型海绵和海藻的成分，并用它们制成防火材料。仅从海绵身上，人们就萃取了 2000 多种有效物质。

尽管医学界对这些医疗物质很感兴趣，但若考虑到经济效益，它们就未必那么吸引人了。例如，热带海绵（Cymbastela hooperi）可以提炼出一种治疗疟疾的特效药，疟疾也是全世界传播最广的一种传染病。尽管制造这种药物并不困难，但是没有人热衷于此。因为疟疾是一种穷人病，它的市场虽然大，却不像过敏、牛皮癣、癌症市场那样有利可图。药品业宣称，我们必须考虑到研发成本。实际上，只有大约 1/10 经过临床测试的药物最后能够成为医生的药方。很多海洋药物经过多年辛苦研究，耗费大量资金之后，又会悄无声息地沉入大海。

这一切都是进化女神的杰作。也许热带海绵身上应该空出一块地方来存放详细的使用说明。每种海洋生物的身上都应该有这样的设计，当然也包括鲨鱼——也许应该放在鱼鳃中间，当人们把它捕捞上来时就能一目了然：啊，肝脏富含鱼油；骨胶原可以制成运动员使用的软膏，或者制成能够激发潜能的药剂；体内的有效物质 MSI-1436 有减肥作用，因为它能够抑制胃口。这肯定是一条角鲨——呵呵，那就别吃了！拿来做药吧。

zyw · 发表于 2022-10-27 22:43:35

谢邀。
昨天刚收到系里传发的美国国家科学院发布的关于海洋研究的十年调查报告。觉得太契合这个题目了。
这份报告可以在科学院的网站上免费下载，有兴趣的同学可以去看一看
Sea Change: 2015-2025 Decadal Survey of Ocean Sciences
报告里有一章节是委员会给出的未来十年（2015-2025）NSF支持优先研究的大方向（所以就是告诉你，搞什么方向才有funding），如下：
1. What are the rates, mechanisms, impacts, and geographic variability of sea level
change? （海平面变化的速率，机理，影响以及不同地理位置之间的区别）
沿海地区人口密集，大家都是知道的。那么海平面上升就与人类生活产生了直接影响。2012年台风Sandy对新泽西海滩造成的影响到现在还没有完全恢复，风暴毁坏房屋是一方面，另一方面局部海面升高，海景房就直接变成水下房了，所以购买海景房，请三思。在过去的五十年间，海平面平均高度经历了-140米到升高10米的变化。至于海面上升多少会对城市造成影响呢，我之前在这个题里写了个答案，可以直观的看到。海平面上升15英尺会影响到多少陆地？ - 知乎用户的回答。影响海平面变化的很大的原因是温度变化，但并不仅仅是冰川融化这点。全球温度变化并不是同步和平均的，有些地方甚至出现局部变冷，这些局部的不等速变化影响了全球的表层环流，温盐循环等等，而这些全球性的变化又加剧了气温极端化，形成一个负反馈机制，简单来说，就是好不了了。想要了解甚至解决这个问题，就要了解这些过程具体的机制，而不要说预测了，我们对现在到底什么情况都还不大清楚。
2. How are the coastal and estuarine ocean and their ecosystems influenced by the
global hydrologic cycle, land use, and upwelling from the deep ocean?（全球水循环，土地使用，上升流对近海及河口海域以及其生态系统的影响）
因为人住在海边，所以人类生活对近海海域，然后进一步全球海洋生态系统造成了不可逆转的影响。大量的污染通过各种渠道进入海洋，海水富营养化，有害藻类的大量繁殖，造成很多生物生态环境消失，大大降低了物种多样性。这一个研究方向包括研究河流入海的流量，淡咸水分界线的变化，排入海的营养盐的量以及去向，怎样改变和管理海岸活动才能可持续发展，等等。

3. How have ocean biogeochemical and physical processes contributed to today’s
climate and its variability, and how will this system change over the next century?（海洋生物地化和物理过程是如何影响气候及其变化？整个系统在下个世纪会有怎样的变化？）
举碳循环这个最重要的物质循环为例：化石燃料的使用造成大量二氧化碳的排放，而过去的一百年内，海洋吸收了过量1/3的二氧化碳，海水酸化是最直接的影响。带壳的生物壳被溶解了（酸和碳酸钙的反应大家也都是知道的），过不了多久，珊瑚礁也要没了（这真不是危言耸听）。所谓燃料危机最可怕的后果不是燃料用完，而是排放出来的二氧化碳该怎么处理？可以长久稳定固碳的途径只有通过树木，但这个过程是十分漫长的，并且树木增长的速度完全比不上人砍树和开采原料的速度，so again, we are doomed。但能多种树还是多种树吧，不知道现在植树节还过不过了。言归正传，这个方向讲的就是研究以上过程的机理，以及改善和弥补的措施。

4. What is the role of biodiversity in the resilience of marine ecosystems and how will it
be affected by natural and anthropogenic changes?（物种多样性对海洋生态系统恢复力的作用是什么？自然和人类造成的变化会对此产生什么影响？）
一句话，环境恶化造成物种多样性退化，而这对生态系统的恢复力还没有定论，需要研究。

5. How different will marine food webs be at mid-century? In the next 100 years?（海洋食物网在半世纪会变成怎样？100年内呢？）
嗯，你们应该也知道了，环境变化造成了海洋食物网的变化，然后我们也不知道以后会怎样？

6. What are the processes that control the formation and evolution of ocean basins?（海洋盆地形成和进化是由什么控制的？）
自从1960年以来，人们开始进行对板块运动的研究，但直到最近基础研究设施才跟上。板块运动直接影响海底盆地（ocean basin不知道翻得对不对）的结构以及海底地形，板块边缘也是海洋灾害的主要发生区，板块运动更是影响了海洋热泉循环。人们对这个领域也是一知半解。我们对海底地形的了解还比不上我们对火星地貌的了解呢。

7. How can risk be better characterized and the ability to forecast geohazards like
mega-earthquakes, tsunamis, undersea landslides, and volcanic eruptions be
improved?（怎样更好的表征海洋危害并提高预测地理灾害，如大型地震，海啸，海下泥石流，火山爆发等等）
这属于海洋地质的范畴，包括研究火山爆发和地震的前兆（不是鸡飞狗跳蚂蚁出洞这些），某些地区地震的爆发有没有阶段性，水在这些地质过程中起什么作用，该怎么通过地质记录来了解历史发生过的自然灾害，火山爆发等灾害对气候有什么影响？

8. What is the geophysical, chemical, and biological character of the subseafloor
environment and how does it affect global elemental cycles and understanding of the
origin and evolution of life?（海洋底层的地质物理，化学以及生物特征是怎样的？它们如何影响全球物质循环？怎样通过它们来了解生命起源以及进化？
海洋底层代表了自然界中一种完全不同的生态环境，这个环境中所有生命物质循环不需要光，而底泥中大量微生物不需要氧气，这些生命的存在证明了”氧气和阳光是生命存在的必需品“这个小学生物书中的论断是个不折不扣的伪命题。深层海洋和底泥是有机物分解最重要的场所，因为这个生态系统中存在数量最多的微生物：平均一毫升海水包括10的6次方个细菌，平均一立方厘米的底泥中则生活了10的9次方个细菌，海洋覆盖了70%的地表面积，而海水平均深度4000米，这个算术还是挺容易的。海底低温，无氧的环境最类似于史前地球，研究在这种极端环境下生命是如何维持以及进化的，也许可以帮助我们更多的了解生命的起源。

后三个基础科学类的方向不提，前面5个大方向简单归纳就是：
What the f**k have we done to our ocean, and how the hell can we remedy that?

这八个方向其实很广阔，具体的研究项目我建议直接去NSF等funding网站上看他们发放的经费都给了什么题目，那些就是研究热点，希望能有帮助。

以上

发表于 2022-10-27 23:03:35

感谢! @袁霖
邀请。海洋科学是一个小众的科学，跟其他小众的学科一样，需要更多的关注和认识。
0. 作为一名还在读的物理海洋学博士生，要回答好这样高屋建瓴的问题，着实很难。所幸科学研究从来都是站在巨人肩膀上，做研究从看文献入手。
我翻阅了2010-2014年的《海洋科学年度综述》（Annual Review of Marine Science）中的所有物理海洋相关的文章。该期刊是海洋科学影响因子最高的综合期刊，综合海洋学领域唯一的SCI一区期刊；并且由于是都是综述，每篇文章的信息量很大。从这些综述提取物理海洋学的研究热点，相信比我一家之言来的更为可信。大概归类到如下几个话题：

1. 河口动力学
河口环流和盐度分布的结构及动力；（应用：河口系统承载着大量的人类活动，如航运、商业、娱乐等，理解河口系统有助于改善环境。）

2. 全球气候变化
海表温度的变化特征和机理；

全球海平面上升的特征和具体原因，以及区域海洋海平面的响应；

区域海洋海平面对全球变化的响应特征；

厄尔尼诺的特征和可预报性；（应用：全球尺度的天气模拟和预报）

（全球变化研究的意义不多说，虽然一直有质疑的声音，但是主流学界都认可人类来源的温室气体（CO2）已经并将一直对地球系统产生深远的影响，并且延伸到政治、经济、文化等人类的各个领域。说到海洋学研究，无法回避的就是全球变化的相关研究；因为海洋在地球系统的热量分配中扮演的是缓冲器的角色。理解海洋系统是研究气候变化的关键。数量最多的相关文章也从侧面说明了这点。）

3. 大洋环流
北大西洋翻转流减缓的特征，机理，及其对全球气候的影响；（这个话题的一些背景知识，可以参考电影《后天》中关于洋流导致气候剧变的观点是否有一定的科学依据和可信度？ - 卢文芳的回答）
墨西哥湾流对于欧洲天气的影响；
（大洋环流由于其尺度较大，最终也能够跟全球变化联系到一起。）

4. 海气相互作用
风和浪驱动的内部陆架环流；（应用：理解近岸的流态，有助于控制陆地向海洋的排污过程，便于开展海岸带管理及政策制定，保护海岸生态系统等；）

海洋上混合层中的湍流；（记得有位老师说过，物理海洋学离诺贝尔奖太远，唯一可能沾边的研究就是湍流。这话可能有点夸张，但是研究海洋中的湍流现象确实在海洋工程上有很重要的意义。）

5. 海洋技术
近岸水体的遥感技术和方法；（遥感的应用就太多了，不多说，唯一能够大范围观测海洋表面的方法。）

应用高频雷达观测海洋表层流场；（应用：除了科研，还可以应用于现场搜救、海上溢油追踪、海洋生物评估等）

6. 数值模拟
区域海洋数值同化；数值模式有其局限性，比如采用了简化的方程，模拟的精度不够，初始状态敏感性造成随机误差的累积等等；数值同化则能够部分解决这些问题，将观测与模式结果进行融合，提供更为精确的预报。
（我和师弟 @劉夏橙
都是从事数值模拟相关的研究。我也和他一样，认为数值模拟永远是海洋学（以及其他很多科学）的热点之一。只要摩尔定律仍然全部或部分有效，计算能力不断提高，就一直能有新的现象研究，新的应用被开发。海洋数值模拟的地位就如同天气预报中的天气模式；拿出你的手机，也许天气应用是最不可或缺的应用之一。海洋预报为海上交通、渔业提供重要指导；此外，人类的未来可能在海洋上或者海洋里，你拿出手机，随时能够看到某个海域的预报结果，并作为你出行的决策依据。）

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