吴立新院士等：当前海洋研究领域的6个重大前沿科学问题

海洋科学具有鲜明的多学科综合交叉的特点,其研究前沿实质上是学科交叉的前沿,更是孕育颠覆性创新的高地。Science杂志在创刊125周年公布的125个最具挑战性科学问题的前25个问题中,与海洋密切相关的包括地球内部运行机制、地球生命起源、温室气体导致地球增温的上限、石油能源的替代、地球的人口承载力。目前,海洋科学的前沿研究领域主要集中在海洋物质能量循环、跨圈层流固耦合、海洋生命过程、健康海洋、海岸带可持续发展、快速变化的极地系统等方面。
& G. b' N. D* I6 E' [吴立新院士等在《地学前缘》2022年第5期发表了文章《我国海洋科学发展现状与未来展望》，对当前海洋研究领域诸多悬而未决的重大前沿科学问题进行了梳理和凝练。
- N( M& A$ `8 v- `5 w1 阐明海洋物质能量循环机理是认识地球宜居性的关键
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自工业革命以来,人类因使用化石燃料造成的累计碳排放已达4 500亿吨,目前全球气温正在以平均每百年1.5 ℃的速率迅速升高。全球变暖引发的气候波动、海平面抬升以及日益频繁的海洋和气象灾害给人类社会带来了前所未有的威胁。海洋由于其巨大的热容,储存了整个气候系统中超过90%的热量盈余,作为地球系统中最大的活动碳库,吸收了大约30%的人类活动排放的CO2。这些从根本上减少了进入大气系统的热量,从而减缓了全球变暖的速率。海洋多尺度过程及其相互作用如何决定海洋物质能量循环,进而决定海洋对热量和CO2的吸收能力?物理泵与生物泵的贡献分别有多大?深海大洋对热量和CO2的极限吸收能力是多少?对热量与CO2的吸收如何改变海洋的动力过程和生物地球化学环境?又如何进一步影响不同时空尺度上的海平面、极端天气和水循环等变化?在地质历史时期,大气CO2的变化幅度远大于工业革命以来的监测结果,其控制因素是什么?对地球的宜居性产生了哪些影响?回答这些问题与认识未来地球的宜居性息息相关,同时也是增加我国在应对全球气候变化、部署地球工程等重大世界性事务中话语权的关键。
% S1 R7 ~' R, T& s) h3 H2 深入理解海洋与岩石圈的耦合过程是拓展地球系统科学理论的必由之路
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海洋是地球不同圈层物质与能量交换的关键载体,既是地球内外动力地质作用的交融地,也是不同来源物质的汇集地。海洋的存在使得地球上广泛存在流体活动,在地质历史时期改变着大洋板块的物理化学组成,改变着海洋固体地表[。随着板块构造,大洋板块俯冲将流体和流体改造的岩石圈带入地球深部,影响着岩浆活动、板块运动、海底资源的形成,乃至整个地球系统的演化(图1)。20世纪60年代板块构造理论的建立,兴起了一场改变地球科学发展轨迹的革命。海底是全球环境变化的记录者,通过沉积物记录的全球气候和环境变化是揭示地球演化和人类生存环境变化规律的重要科学参考。海底流体活动和地质过程形成的重要成矿资源,是人类未来赖以生存发展的潜力所在。但是,长期以来许多相关问题仍然没有得到解答,如现代大洋壳/幔边界结构和组成是什么,板块构造的驱动力是什么,地球内外物质交换的基本规律是什么,地球深部过程演化与宜居地球环境形成的关系是什么,尤其是,地球内部各圈层之间的碳、氧和水循环规律是什么,以及地质历史上对地表环境的影响如何,海底地震发生的机制是什么,如何科学评估和预测滑坡等大型地质灾害的发生等。这些海洋和地球科学中亟待解决的重要科学问题,不仅有助于揭示地球系统的运行规律,也关系到人类生存环境的演化和社会可持续发展。
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图1   海洋-岩石圈耦合过程及大洋板块形成、演化和消亡(据文献修改)

3 解码蓝色生命是揭示生命起源和演化、理解生物多样性的关键
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海洋是生命的摇篮,深海热液被认为是生命起源最可能的地方。海洋中保留着最完整的生物门类体系,深海、热液、潮间带等特殊生境中存在着丰富多样的生命形式,隐藏着生命起源和演化的密码(图2)。生命进化史中许多重大事件都发生在海洋中,解码蓝色生命是破解地球生命奥秘至关重要的一环。如“雪球地球”之后距今5.4亿年前至5.3亿年前,发生在海洋中的“寒武纪生命大爆发”现象,被称为古生物学和地质学上的一大悬案,也被国际学术界列为“十大科学难题”之一,自达尔文以来就一直困扰着进化论等学术界。同时,海洋生物自身历经亿万年进化,形成了特色鲜明的蓝色生命现象,如基因组高多态性、环境调控性别转换、形态多样的多阶段发育过程、贝壳及鳃等特化功能性器官系统、海鞘逆行变态等独特现象。造成这些生命现象的编码机制和生物学过程是什么?高盐、高压、低氧、潮间带、极地以及深海深渊、热液、冷泉等海洋环境中生活的海洋生物是如何在分子、细胞、个体以及群体水平适应特殊环境并繁衍生息的?海洋丰富多样的海洋生物是如何演化的,其进化链条的形成以及驱动力是什么?Science杂志发布的125个迄今未解科学难题中,就包括生命科学领域的前沿问题如地球生物多样性、生命起源、寿命极限、器官再生等。由于海洋中存在最为多样化、复杂和古老的生命形式,相关科学难题有望在解码海洋生命的研究中得到线索和解答。
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图2   动物起源与多样性演化过程(据文献修改)

. l& O/ v- {( s, @- y* k4 保持海洋水环境安全、生态系统健康,保障海洋食品安全和人类健康是人类社会可持续发展的前提

海洋每年为全人类提供的服务和价值约为3万亿美元,占全球GDP的5%左右;超过26亿人以海洋作为主要的蛋白质来源;海洋中的光合作用和其他生物固碳过程吸收约30%人类活动产生的CO2,缓冲着全球暖化的影响。上述重要海洋功能的实现依赖于健康的海洋生态系统。但到目前为止,我们对海洋生物多样性以及深海、海底和极地生态系统仍然缺乏基本的了解。当前,在全球变暖和人类活动的双重影响下,海水增温、缺氧、酸化、过量营养盐输入以及重金属、持久性有机物和微塑料等环境污染物排放增加等问题给海洋生态系统造成前所未有的威胁。在全球变化和人类活动背景下,微塑料、有毒有机污染物等在陆、海、气界面的迁移、转化过程和机制是怎样的?关键环境因子如何影响和驱动海洋生态系统演变?环境污染物和致灾致害生物对于海洋食品安全和人类健康造成的风险是怎样的?我国近海海岸带的环境承载力和生态阈值是怎样的?如何实现可持续发展?这些都是关乎人类未来命运的问题。
, \5 Q4 \  A8 B/ `5 揭示海岸带人地交互多圈层耦合规律,是保障、拓展人类生存空间,促进经济社会可持续发展的重要支撑

+ F$ x- F6 O" r: i; A9 @7 R1 `海岸带是人类生存的重要空间、经济发展的关键区域。全球约有40%的人口生活在离海岸线100 km以内的陆地上,约有10%的人口生活在海拔低于10 m的区域。海岸带的海洋初级生产力占全球的25%,渔获量占全球的90%。剧烈的人类活动给海岸环境和生态系统带来了前所未有的威胁。在过去几十年里,近海渔业资源减少了近30%,有接近50%的湿地消失,60%的珊瑚礁严重退化,环境和淡水资源被不断污染。与此同时,海岸带也是当前和未来人类最有能力干预和治理的区域。海岸带的人地交互在陆地-近海-大洋-大气耦合系统中的作用及机理是怎样的?如何认知气候变化和人类活动双重胁迫下的海岸带生态系统,并建立新的社会经济发展模式与监管政策?这些问题对实现海岸带的科学、安全、生产、管理的有效融合和促进社会经济可持续发展具有重要意义。
6 明确极地冰层的形成与海洋快速变化的机制,是提升全球长期气候变化预测和应对能力的重大前沿科学挑战
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南北极大部分区域被冰雪覆盖,储存着全球约95%以上的冰和超过70%的淡水。南大洋和北冰洋具有丰富的生物资源,是全球海洋吸收CO2的主要区域。相对于中低纬度,极地是全球气候正反馈过程最活跃的区域(图3)。因此,在极区,全球气候系统的变化信号会得以放大,导致极地冰层和海洋发生快速变化,同时极地的快速变化会通过海洋和大气环流变异等物理过程以及生物演化和碳循环等生物地球化学过程的反馈作用调制全球变化,对全球气候、环境和生态系统产生深远影响。但是,控制极地冰盖变化的因素是什么?极区的地质演变机制及其对极区气候系统形成的作用是什么?哪些气候正反馈过程主导了极地冰层与海洋的快速变化过程及其位相转换?为何极区的快速变化主要发生在年代际甚至更长的时间尺度上?极区生物群落和生态系统如何响应物理系统的快速变化?其生物地球化学过程的长期气候效应是什么?发生在极区的快速变化过程,调制甚至驱动全球气候变化的具体途径和作用是什么?极地的海洋、气候与生物地球化学过程与人类活动的耦合机制是什么,在人类社会的发展历史中起到了什么作用?这些问题不仅与极地的环境和气候变化密切相关,也是认识全球变化驱动机制、提升全球长期气候变化预测能力的关键问题之一。
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图3   在气候变暖背景下,北极水文、生态环境及海洋与大气耦合系统变化示意图(据文献修改)

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海洋科学是一个“超级大科学”,海洋问题的复杂性使其无法通过单一学科的研究得以解决,而是需要多学科领域间深度交叉。近年来,随着科技投入的增大、科研条件的改善和对外合作交流的加强,我国海洋科学的研究正在逐步从过去的跟跑阶段进入并跑阶段,但原始创新能力明显不足。原因之一是,长期以来我国海洋科学内部学科划分过细,学科间交流不足,严重制约了整个学科的发展。作为海洋大国而非海洋强国,在强手环峙、竞争激烈的大环境下,我国海洋科学研究必须创新发展模式,通过跨领域、跨学科的前沿交叉,在地球系统多圈层耦合机制、生命起源及演化等方面取得一系列从0到1的突破,引领国际科技前沿,为部署地球工程以应对全球气候变化、防灾减灾、保护海洋功能、拓展生存空间以及构建人类“海洋命运共同体”提供科学的解决方案。
- [$ n/ a# ^" e9 L7 l+ v《地学前缘》是中国地质大学（北京）和北京大学共同主办的双月刊中文学术期刊，主编是中国地质大学（北京）王成善院士。

参考文献略

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: j1 h: p5 {1 N3 W6 e, r资料来源：地学前缘  点击文末“阅读原文”可浏览《我国海洋科学发展现状与未来展望》原文，引用：吴立新, 荆钊, 陈显尧, 李才文, 张国良, 王师, 董波, 庄光超. 我国海洋科学发展现状与未来展望[J]. 地学前缘, 2022, 29(5): 1-12 DOI:10.13745/j.esf.sf.2022.4.60
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