biology

地球上最大规模的动物运动

2020 / 12 / 02新浪科技
海洋生物的昼夜垂直迁移不仅塑造了海洋生态系统,也影响了地球的环境变化
海洋生物的昼夜垂直迁移不仅塑造了海洋生态系统,也影响了地球的环境变化

12月1日消息,每天晚上,当太阳落到地平线之后时,一股生命的浪潮便从深海中涌起。这其中,有比米粒还小的甲壳动物,有透明的水母和血红色的鱿鱼,还有在黑暗中发光的庞大灯笼鱼群。

它们来自寒冷的深海,都对浮游生物异常贪婪。而且,它们的行程安排得很紧,因为当阳光重新照在海面上时,所有这些生物就必须再次回到黑暗中,以免被白天在海面上游弋的掠食者吞噬。

这场在光明与黑暗,温暖与寒冷,掠食者与猎物之间的“舞蹈”被称为“昼夜垂直迁移”(diel vertical migration,简称DVM)。这被认为是地球上最大规模的动物运动。无论是塞伦盖蒂草原上的角马,在北美大陆上迁徙的帝王蝶,还是穿越南极洲的企鹅,都不能与每天全球同步涌升的海洋生物迁移相提并论。

当然,大多数人对这场迁移的了解还非常少,尽管DVM在吸收深海中的碳以及使我们吃的鱼变肥方面发挥了巨大作用。

美国北卡罗莱纳大学阿什维尔分校的海洋生物学家丽贝卡·赫尔姆(Rebecca Helm)说:“当你想到某种开放大洋里生活的动物时,它很可能就经历着某种形式的垂直迁移。”

尽管海洋生物昼夜垂直迁移的模型细节可能很复杂,而且会因物种和地点的不同而有所变化,一只桡足类动物可能只移动数米,而凝胶状的海鞘可能会移动近1千米。不过,这种迁移的基础似乎相当简单——主要是关于阳光和食物。

一整个白天,太阳光线一直在为海洋最上层的微小藻类——浮游植物——提供能量基础。这些生物虽然很小,但数量众多,构成了食物链的基础。它们滋养着无数的生命形式,小至几毫米长的螃蟹幼体,大至汽车大小的鲸鲨。问题是,为了进行维持生命的光合作用,浮游植物必须呆在水深200米以内的海洋表层,因为那是阳光能穿透的最远距离。

“你可以想想海洋的整个深度,可以发现,进行光合作用的这一层就像苹果的表皮——它太薄了,”丽贝卡·赫尔姆说,“因此,为了充分利用这片富饶的区域,海洋中的生物必须迁移到这里,收集所有的食物。”

我们很难直观地理解到底有多少动物参与了这种日常迁移,但可以这么来思考。第二次世界大战期间,当科学家们第一次尝试用水下声纳来探测德国U型潜艇时,海军的回声探测器一直显示海面下大约120米到180米之间有一个“固体层”。起初,科学家推断声纳探测到了海底。

但是问题来了,这个“海床”一直在移动,晚上变浅,白天变深。随着时间的推移,科学家们发现他们看到的是一个“假海底”,这个密集的“固体层”其实是由紧密聚集的大群虾类、鱿鱼和管水母组成的。

在加拿大不列颠哥伦比亚省萨尼奇湾拍摄的回声探测图。磷虾是一种类似虾的小型甲壳动物,其种群形成了厚厚的一层,看起来几乎就像坚实的海底
在加拿大不列颠哥伦比亚省萨尼奇湾拍摄的回声探测图。磷虾是一种类似虾的小型甲壳动物,其种群形成了厚厚的一层,看起来几乎就像坚实的海底

更重要的是,科学家发现这些生命的聚集是如此有规律且可预测。最终,声纳研究者将此命名为“深海散射层”,即能够散射或反射声波的生物密集水平区域。这个散射层是如此之厚,以至于对敌方潜艇能否隐藏其中仍然有一些争论。

“很多科学研究都是由这些军事人员推动的,他们的想法是,‘我们必须弄清楚这到底是怎么回事!’”丽贝卡·赫尔姆说,“如果不是参与到这些水下的战事中,我们或许还不知道这个奇怪的神秘层是什么。”

当然,自第二次世界大战以来,科学家们已经掌握了大量关于海洋的知识,每一个新的发现都描绘了更加复杂的海洋生命图景。例如,尽管昼夜垂直迁移主要是一种生物现象,但它也受到物理学的影响。

英国普利茅斯大学的物理海洋学家菲利普·霍斯古德(Philip Hosegood)表示,浮游植物能进行光合作用的最大深度是由水的清澈度等因素决定的。而水的清澈度又是一系列其他变量决定的,比如水温、风速、潮汐、洋流、盐度和光照等。“海洋是一个三维空间,”霍斯古德说,“当然,实际上,它是四维的,因为它不仅在水平和垂直方向上变化,还会随着时间而不断变化。”

如果你对流体动力学有一些了解,就能更深刻地理解微型生物迁移的距离。水獭、章鱼甚至人类都可以在水中滑行,阻力相对较小,但生物体积越小,克服水的天然黏性就越困难(这就是为什么蚂蚁会被困在水面上,而我们能在水池中自由游动的原因,这一切都要归结于雷诺数的不同)。对于颗粒大小的浮游动物来说,在水中游泳就像一个人在糖蜜中划桨一样——而且这些生物每天要在一百多米深的海水中来回跋涉!

尽管在浮游生物生长的任何地方,都有某种形式的昼夜垂直迁移现象发生,但仍然有许多谜团尚未揭开。例如,许多动物会进行逆向昼夜垂直迁移,即它们在白天迁移到有阳光的地方,在晚上离开则离开水面。甚至在一个物种内部,也会因地点的不同而发生迁移行为的变化。

美国斯坦福大学的鲨鱼研究者萨米·安杰伊扎克(Sammy Andrzejaczek)在2019年与人合作发表了一篇关于大型鱼类垂直运动的综述。“珊瑚礁鬼蝠鲼可以进行正常的昼夜垂直迁移,比如在查戈斯群岛等地,白天游向深处,晚上游向浅层,”他说,“但在一些地区,它们的行为正好相反,比如在红海和塞舌尔。”

当然,昼夜垂直迁移不仅对蝠鲼等滤食性动物很重要,对食物网各个层次上的动物也很重要。大鱼吃小鱼,小鱼吃虾米,虾米吃浮游动物;动物越大,捕食它的掠食者也会越大。安杰伊扎克所在的团队主要研究一些鲨鱼物种如何通过横向迁移来捕食昼夜垂直迁移的鱼类,特别是金枪鱼。伦敦动物学会的海洋生物学家、安杰伊扎克的同事大卫·科尼克(David Curnick)说:“镰状真鲨似乎白天就呆在海底山附近,晚上才出去觅食。”

这意味着,海洋动物不仅会上下迁移,而且会横向迁移,从相对安全的区域迁移到生产力较高的区域。也许最有趣的一点是,在海洋表面这薄薄的一层中发生的事情,对上面和下面的世界都有影响。

丽贝卡·赫尔姆表示,当所有这些微小的浮游植物在表面进行光合作用时,它们会消耗大量的二氧化碳;而当它们被吃掉的时候,这些碳又会被带到深海。

事实上,科学家在2019年创建了一个模型来确定究竟有多少碳通过昼夜垂直迁移的方式沉积到深海。他们发现,那些鱿鱼、稚鱼和虾类幼体每年能将1拍克(Pg,1拍克=10^15克,即10亿吨)的碳带到海底深处。

美国伍兹霍尔海洋研究所的生物海洋学家、这项研究的主要作者凯文·阿奇博尔德(Kevin Archibald)说:“美国路上行驶的所有车辆每年大约产生1.5拍克的碳。”也就是说,海洋生物的昼夜垂直迁移抵消了美国汽车排放总量的三分之二。

阿奇博尔德表示,昼夜垂直迁移只占海洋捕获的碳总量的16%。其他的贡献因素包括自然的水运动、下沉的浮游植物细胞和海洋动物的粪便——在海洋的尺度上确实是规模庞大的现象。当然,粪便的下沉也会受到昼夜垂直迁移的重要影响。昼夜垂直迁移还加速了营养物质消化的速度。一些研究表明,昼夜垂直迁移将营养物质运送到深海的速度要比这些物质自身下沉的速度快一个数量级。正是由于海洋生物的昼夜垂直迁移,这些物质才能能够更快地到达深海,而不是无休无止地漂流。

昼夜垂直迁移也意味着,许多从未接触阳光的海底生物归根结底也依赖着太阳。事实上,我们和它们并没有太大不同。尽管我们在有生之年基本上都无法见证这些活动,但海洋生命的垂直迁移既为我们提供了食物,也在迅速变化的地球气候中发挥了重要作用。

变化的气候也将会影响昼夜垂直迁移,尽管确切的影响方式仍然未知。较高的水温可能会降热带海区的昼夜垂直迁移活动,这些海域本来的迁移活动就没那么活跃;而在两极等寒冷地区,昼夜垂直迁移活动会规模更大、更活跃。当然,不确定的问题还非常多,科学家们仍需要更进一步研究昼夜垂直迁移的机制。尽管大多数人只是知道这种现象的存在,但不得不说,我们还是应该对那些每天来回跋涉的海洋生物心存感激。