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全球最大通勤潮在海裡

數以兆計的微小浮游生物有可能相互協調晝夜垂直遷徙,這些團體行動影響著海洋生態變化與碳循環!

(影像來源:Unsplash)

每到傍晚,全世界有幾兆隻微小浮游動物(zooplankton)在海面下幾十公尺處懸浮,其中許多比米粒還小,等待著訊號。長久以來,科學家認為這些浮游動物是隨波逐流的被動微粒,漂浮在海中,任由浪潮和水流隨意推動。然而,就在太陽即將下山之際,這群生物開始悄悄進行一趟上升之旅,往海面移動。

就在牠們攀升之時,其他浮游動物也成群加入:橈足類(copepod)、海樽(salp)、磷蝦(krill)和稚魚(fish larvae)。這些生物在夜裡停留在接近海面之處,然而當第一道晨光開始灑落海上時,牠們已經返回到海洋深處。隨著日落和日出以每24小時的規律從東向西移動:橫越太平洋,然後是印度洋、南海以及大西洋,一群又一群浮游動物進行著同樣的爬升之旅,然後隨著白晝來臨,又退回海洋深處。

這種每日發生的海中群體運動稱為晝夜垂直遷徙(diel vertical migration),是地球上規模最大的生物規律性遷徙。目前估計,每天從事這種旅程的浮游動物約有100億噸之多,有些從水面下1000公尺處出發,實在是驚人的壯舉。以0.6公分長的稚魚來說,進行一趟300公尺的垂直之旅,相當於一個人游泳80公里,而且只花一小時左右。旅程中,這些動物必須穿過條件迥異的區域:在水深300公尺處,水溫不到4℃,比起海面低了超過6℃,而水壓約為每平方公分32公斤,超過海面的30倍。為什麼如此巨量的微小動物每天反覆進行這種艱辛的旅程?

簡單的答案是為了吃,以及避免被吃。白天時,弱小的浮游動物藏在黑暗深處,以躲避烏賊和魚類等掠食者。當天色漸暗,牠們便在夜晚的掩護下匆匆趕到海面,取食浮游植物(phytoplankton),也就是生活在海水表層數十至數百公尺的微小水生植物。

不過這只是晝夜垂直遷徙的大致情況,其中還有各種橫向流動和渦流。現在有了益加精良的聲納、自主式水下載具和更先進的DNA定序技術,研究人員開始了解其中細節。這些特定細節將能回答許多問題,關乎海洋食物網、全球碳預算,以及地球上的生命本質。

晝夜垂直遷徙的早期記錄可追溯到二次大戰,那時船艦和潛艇使用聲納掃描海洋以尋找敵方潛艇,卻偵測到奇怪的東西,有一部份海床似乎會上下移動,形成深海的「散射層」(scattering layer),反射聲納訊號。這種散射層每天上下移動兩次,距離可達1000公尺,看來不合邏輯。1945年,美國海洋學家強生(Martin Johnson)搭乘一艘研究船,在24小時內採集不同時間及深度的浮游生物樣本。他這樣記錄:「從這些初步觀察看來,這個散射層似乎和浮游動物有某種直接關聯。」然而此種散射層是由生物組成的假設,引發的問題比回答的問題還要多。

深海中的舞蹈

要解答這些問題非常困難。浮游動物非常微小,活動路徑發生在黑暗中,而人類前往深海又不容易。要在無光的深海追蹤跳蚤般大小的群聚動物,比跟蹤鯨類遷徙半個地球還要棘手。到了1990年代,研究人員終於得到夠多資訊,可以把晝夜垂直遷徙描述為大批生物如雲霧般一同上升或下降。解析度較高的聲納可追蹤到聚集成一小群的動物,以及較細微的垂直活動。然而,即使到今天,以聲納為基礎的調查仍無法區分哪些種類的小動物在移動。而像強生所做的浮游動物採樣,雖可以把生物捉出來鑑定,仍無法更精確地得知每隻動物在移動過程中的時間和位置。

儘管有這些挑戰,新的研究仍然揭開隱藏於這趟巨大遷徙中的複雜細節。舉例來說,在極地冬季,當太陽消失數星期的永夜時,有些動物會調整遷徙時間,改為與月亮週期相符。日食也可成為牠們開始往海面移動的訊號。美國維吉尼亞海洋科學研究所生物學家史坦伯(Deborah Steinberg)解釋:水深300公尺處的光照強度只有海面的0.012%,但住在這裡的浮游動物卻有可能因為雲層稍稍改變了光照,而上升或下降深度達60公尺。她在一次研究航行中了解到此事,去年她和同事在一篇文章中如此記錄:「對於在船上的我們而言,航行中的每一天都是同樣的陰灰微雨。」但浮游動物卻不知怎麼地,能夠在水下深處掌握到這種細微的光線變化。藉由配備著相機和採樣裝置的自主式水下載具,研究人員可以把影像對應海水層中的化學特徵,得到動物視角的遷徙新圖像。

例如蒙特雷灣水族館研究所(MBARI)的海洋生態學家貝諾瓦-伯德(Kelly J. Benoit-Bird)和德拉瓦大學的海洋生物學家莫藍(Mark Moline)把一艘自主式水下載具送到加州南部卡塔利納盆地的海面下300公尺深處,以聲納測量晝夜垂直遷徙中的浮游動物。得到的回聲十分驚人,顯示出浮游動物會組織成明顯的群體,依類型緊密聚集,以準確的時間一同上升遷移。貝諾瓦-伯德如此描述晝夜垂直遷徙:「我們不能只把它想像成一個大致的過程,必須開始以個體和物種為單位。」而且每晚通勤的也不只這些好動的浮游動物,「使用這種策略的動物還有很多。」章魚、燈籠魚類(lanternfish)、管水母(siphonophore)和各式深海生物也夜夜長征,以避開各自的掠食者並覓食,以這些生物來說,也就是其他的遷徙者……

【欲閱讀全文或更豐富內容,請參閱〈科學人知識庫〉2022年第248期10月號】

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