海洋生物为何在昼夜间大规模垂直迁徙？
以下文章来源于赛先生 ，作者Hannah Seo
启蒙，探索，创造。
翻译｜赵金瑜
校译｜于茗骞
每天晚上，在暮色转成黑暗之后，成群的海洋生物——从微小的浮游动物到巨大的鲨鱼——从深海中浮现，在靠近水面的地方过夜。在上层水域中，他们狂欢，觅食和交配，然后在黎明前撤退回深水中。
这种大规模的移动被称为昼夜垂直迁移——通常被认为是地球上最大的同步迁移。当地球绕着轴自转，一片片海洋转向或远离太阳光时，这种迁徙在世界各地持续不断地上演。
这种迁徙最早在19世纪初被记录下来，当时博物学家乔治·居维叶指出，一种被称为水蚤的浮游生物，每天都在一个浅淡水湖中周期性地消失和重新出现[1]。之后，在第二次世界大战期间，人们发现了“深层散射层”：海洋中的一个区域出乎意料地偏转了海军声纳的脉冲信号，并且每晚都神秘地消失，就像一个幻影海床。
斯克里普斯海洋学研究所的科学家马丁·约翰逊提出了一种解释：深层散射层可能是海洋动物迁移到海面所形成的。1945年6月，他在加利福尼亚州洛马角附近的水域进行了一次夜间巡航，验证了这个想法。他在一系列14次捕捞中捕获的浮游生物、水母和各种甲壳类动物证实，这一移动层确实由夜间迁徙的生物组成[2]。
从那时起，科学家们几乎在他们观察过的每一种水域中都发现了这种规律的通勤。挪威北极大学的海洋科学家坎查纳·班达拉说，“这在各种栖息地都是普遍的”，无论是海水、淡水还是微咸的海岸。“在各个地理位置上这也都是普遍的，从热带到极地。在不同的种群分类中也一样普遍，从小型浮游动物或浮游植物到大型鲸鱼和鲨鱼。”
但是，尽管它无处不在，但谜团依然存在。研究表明，光线的变化会触发夜间的迁移，因此尚不清楚地球两极（那里有几个月的阳光是恒定的或完全缺失的）附近水域中的动物是如何知道什么时候该迁移的。研究人员正在努力理解这一点，同时也在确定各种生物何时开始移动——以及为什么有些生物选择根本不动。
科学家们说，理解这些细微差别是很重要的，因为昼夜垂直迁移就像一条巨大的传送带，将在表层海水中被“啃噬”掉的碳输送到深海——否则这些碳可能只会滞留在海面或返回到大气层。这一规律代价高昂：据估计，一年多以来，仅浮游动物通勤所消耗的总能量就相当于美国一年的能源消耗量。
“那是难以想象的能量”，班达拉说。
科学家们一致认为，对于许多生物，包括水蚤等浮游动物[3]，迁徙有助于它们避免被吃掉。白天，更深的黑暗水域可以躲避捕食者的眼睛。在夜幕的掩护下，前往食物丰富的海面是最安全的。
佛罗里达国际大学的海洋生物学家希瑟·布雷肯-格里索姆说道，科学家们一致认为，迁徙者的主要环境线索是光照强度的变化。当光线开始减弱时，就会触发（生物）开始上升到海面。
但这还不是故事的全部。长期以来，科学家们一直假设，在光跟随模型下，冬天的北极将不会出现昼夜迁徙，因为那时几个月内都没有阳光。
图｜在2010年为期8个月的考察中，声学检测发现了全球范围内的昼夜迁徙。上面的回波图跨度为24小时，并表明，例如在印度洋（右上），一些迁徙者白天在650-800米深的水域生活（中间），而另一些则生活在450-500米深的水域。
但在2008年，研究人员报告说， 在漫长的极夜期间，浮游动物确实参与了斯瓦尔巴群岛附近北极水域的夜间迁徙[4]。最近的研究表明，这种模式很普遍，而且也可以由月光驱动。
在2016年的报告中，来自挪威和英国的一组科学家在冬至前后的几个月里对北极周围的水域进行了调查，当时太阳总是在地平线以下。使用水声采样技术，该团队发现这些微小的海洋生物已经改变了它们的迁徙，使它们与月光而不是太阳光同步[5]。除了每天的循环之外，还有一个以月为周期的信号：在有明亮的满月期间，这些动物会定期移动到更深的水域。
科学家们也在进一步了解浮游动物对光线变化的最高敏感性。一个在北太平洋工作的团队，使用类似声纳的声学采样来检测桡足类、介形类、樽海鞘和磷虾等生物的日常活动。该团队8月份在《美国科学院院报》上报告说，记录期间的天气一直是灰蒙蒙和细雨蒙蒙的阴天，但浮游动物仍然可以检测到云层厚度的变化并调整它们的深度[6]。仅10%到20%的亮度差异就足以促使它们进行50英尺的小型迁徙——对于这些小动物来说，这可不是一次小小的跋涉。
极地夏季持续的白昼似乎也没有阻止浮游动物的夜间迁徙[7]。几年来，研究人员在南极西部海岸附近的海域，使用专门的网在特定深度收集样本。检查样本后，研究小组发现，在有持续光照的夏季，这些动物仍在迁徙，尽管对一些动物来说，白天越长，它们的通勤距离就越短。
这项研究的合作者、罗德岛大学的浮游生物生态学家帕特里夏·锡伯杜说，即使没有黑暗，这些微小的海洋动物也能维持它们的日常迁徙。这表明有一些其他的信号触发了它们的迁徙，要么是独立的，要么是与光线相结合的——也许是体内的生物钟。
通过基因研究以及实验室和野外实验，科学家们最近确定，这样的时钟确实指导着一些迁徙动物的日常周期[8]，包括桡足类动物Calanus finmarchicus和南极磷虾Euphausia superba。
研究表明，由于风险如此之高——要么迁移要么被吃掉——进化更偏好一种内部的昼夜迁徙节律的发展，为完全依赖环境线索提供一套备选方案。
图｜昼夜垂直迁移在淡水和海洋浮游生物中很普遍。图源：A. ZINGONE ET AL / NATURE CONSERVATION 2019[9]
原文标题“The ups and downs of a great vertical migration”，作者Hannah Seo，发布于2021.12.03 Knowable Magazine。
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来源：赛先生
编辑：藏痴
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