海洋动物的“昼夜垂直迁移”

垂直迁移去觅食

一提到动物迁徙，我们通常会想到塞伦盖蒂大草原上奔腾咆哮的角马大迁徙，或是4代帝王蝶耗时6个月飞翔4000千米穿越北美史诗般的迁徙之旅，又或是数十万只企鹅克服艰难险阻橫穿南极洲的长途跋涉。其实，海洋动物的迁徙也蔚为壮观，毫不逊色。在全球海域范围内，每天晚上，无数小型海洋生物在夜色的掩护下从海洋深处向上迁移数百米，游到海面获取浮游植物为食，其中有比米粒还小的甲壳动物、透明的水母、血红色的鱿鱼和在黑暗中发光的庞大灯笼鱼群等。而在天亮之前，它们又向下返回200～1000米深的海洋中层区域，躲在黑暗水域中。海洋动物为了躲避白天在海面上游弋的掠食者，在夜间进行的这种上下迁移行为被称为“昼夜垂直迁移（DVM）”。这种现象在约200年前人们使用船网运输时首次被观察到，如今通常由船载声学系统（如声学多普勒电流分析仪）记录。

海洋动物的昼夜垂直迁移因物种和地点的不同而有所变化。水獭和章鱼等可以在水中滑行，阻力相对较小。而凝胶状的海鞘则更厉害，可能会移动近1千米。但对于颗粒大小的浮游动物来说，克服水的天然黏性困难重重，如桡足类动物可能只能移动数米。它们的出发点就是寻觅食物，目的相当简单明确。气候的变化也会影响海洋动物的昼夜垂直迁移，至于确切的影响方式仍需进一步研究。浮游动物在相对安全的区域不仅会上下迁移，而且还会横向迁移至食物相对丰沛的区域。海洋动物昼夜垂直迁移是一种常见而又相当复杂的生态现象，海面薄薄一层中发生的事情对上层和下层的海洋世界都有影响。其中不确定的因素非常多，许多谜团尚未揭开，有待进一步的研究。

海洋表层的微小藻类白天从太阳光中获取能量，茁壮成长。浮游植物进行光合作用的最大深度由海水的清澈度等因素决定，而海水的清澈度又取决于一系列其他变量，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，不仅在水平和垂直方向上变化，还会随着时间而不断变化。浮游植物虽小，但数量众多，构成的食物链滋养着无数的海洋生命。为了进行维持生命的光合作用，它们必须呆在水深200米以上的海洋表层，因为那是阳光能穿透的最远距离。海洋动物只有垂直迁移到这里，才能享用“美味”，大饱口福。这种迁移不仅关乎蝠鲼等滤食性动物的生存，而且对食物链上的各种动物都很重要。大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米，虾米吃浮游动物。动物体型越大，捕食它的掠食者的体型也会相对更大。

海洋动物昼夜垂直迁移最普遍的方式是“夜迁移”，即日落时开始向上迁移，日出前向下迁移，每昼夜升降1次。镰状真鲨似乎白天就呆在海底，晚上才外出觅食。另有一种方式是“晨昏迁移”，即日落时上升，午夜下沉;日出前再次上升，日出后下降至白天的水层，每昼夜升降2次。还有一种方式叫“反向迁移”，也就是白天迁移到有阳光的地方，到晚上则离开海面下沉至最大深度。有趣的是，同一个物种也会因地点的不同而发生迁移方式的变化。以珊瑚礁鬼蝠鲼为例，在位于印度洋中心的查戈斯群岛等地，它们进行正常的“夜迁移”。但到了地处非洲东北部与阿拉伯半岛之间的红海和非洲的塞舌尔等地，它们却采用“反向迁移”。 这种海洋生物身体扁平，体型巨大，头两侧突出的头鳍好似小手，身后拖着一条又长又细的尾巴。最引人注目的就是它们的胸鳍特化为一对“大翅膀”，游动起来像飞行的蝙蝠，因而得名“蝠鲼”。

激光雷达探规律

第二次世界大战期间，当科学家们第一次尝试用水下声呐来探测德国U型潜艇时，回声探测器一直显示海面下120～180米之间有一个“固体层”。起初科学家们推断是声呐探测到了海底，但是令人不解的是它一直在移动，且处于白天变深，晚上变浅的状态。随着研究的深入，科学家发现这是一个“假海底”， 其实是由一大群虾类、鱿鱼和管水母聚集而成的“固体层”。依照在加拿大不列颠哥伦比亚省萨尼奇湾拍摄的回声探测图显示，磷虾形成的厚厚一层看起来几乎就像坚实的海底。磷虾是一种类似虾的小型甲壳动物。声呐研究者将这种能够散射或反射声波的生物密集区域命名为“深海散射层”，如此之厚的散射层甚至引发了潜艇能否隐藏的争论。

随着现代科技的发展，观测手段日趋先进。2006年4月28日，美国俄勒冈州立大学等机构的研究团队利用发射的“云-气溶胶激光雷达与红外探测者卫星观测”卫星，首次进行通过激光雷达追踪大规模海洋动物迁徙的全球性研究。这颗卫星是美国宇航局和法国航天局空间研究中心的合资项目，每天探测2次，可对地球的云层和浮质进行新型的三维观测，用以了解全球云层怎样影响地球大气和全球变暖，获得有关云层全球分布和演化的新知识，回答云和浮质如何形成、发展，以及如何影响水资源供应、气候、天气和空气质量等问题，主要的有效载荷分别是正交极化云-气溶胶激光雷达、宽视场相机和红外成像红外辐射计。观测的目标区域范围比以往观测手段更广，持续时间更长，有助于科研人员更好地进行全球海洋生物和地球化学研究，海洋生物的昼夜垂直迁移是该研究领域的重要内容之一。虽然卫星上携带的正交极化云-气溶胶激光雷达是用来测量云层和大气气溶胶的，但它可以穿透海洋表层20米，发现到达这一层的迁移海洋动物。

桡足类动物只是参与昼夜垂直迁移众多不同动物中的一种

该卫星在历时10年（2008—2017年）的研究期间提供的数据显示，春季海洋动物昼夜垂直迁移不显著，多数时刻密集于中上水层（0～10米），仅在8：30时和 20：30时密集层移往下层 （10～15米）。夏季总体呈白天下降、夜晚上升的节律，白天海洋动物主要密集于下层.其中傍晚前在下层占有较大的比例，下降最为显著;黄昏后一部分个体向上层移动，夜间分布趋于分散，各个水层的数量相对均匀;黎明时再次向上层集中，日出后急速降到下层，昼夜垂直迁移较春季显著。秋季海洋动物白天以中下层数量较多，傍晚密集层移动至上层。夜间与夏季相似，分布趋于分散，各个水层的数量相对均匀;黎明时密集层降到下层。昼夜垂直移动也大致呈白天下降、夜晚上升的趋势 ，但各个水层的数量差别不是很大，表明海洋动物的昼夜垂直迁移不是很显著。冬季海洋动物群白天停留于中层，傍晚升至上层，直至日出后才迅速降至下层。晝夜垂直迁移也呈白天下降、夜晚上升的趋势，但移动的幅度较小，多限于中上层之间的移动，下层仅个别时刻出现较多数量的海洋动物。

同时，卫星数据还显示了海洋动物迁移种群的长期变化。这些卫星数据让研究人员便捷地将卫星观测与模型结合起来，更好地量化这种海洋动物迁移对地球碳循环的影响。卫星数据也与全球渔业相关。昼夜垂直迁移的小型浮游海洋动物是海洋深处大鱼的重要食物来源，而这些大型鱼类正是商业性渔业的捕捞对象，卫星数据反映的昼夜垂直迁移信号越强，意味着被吸引的深海鱼类的数量就越多。

该研究团队的最新研究确认了全球海域海洋动物昼夜垂直迁移的光信号分布，为全球海洋动物昼夜垂直迁移提供了详细视图，发布了有关地球气候的新见解。2020年11月27日，国际学术期刊《自然》在线发表了该研究团队的研究成果。

海底封存增碳汇

就总数而言，海洋动物昼夜垂直迁移是地球生物圈里最大规模的迁移，也是地球气候系统的重要组成部分。每天昼夜垂直迁移的海洋动物对地球气候的累积变化产生了显而易见的影响。海洋浮游植物白天进行光合作用，并在此过程中吸收大量的二氧化碳，有助于海洋吸收大气中的温室气体。海洋动物上游至海洋表层以浮游植物为食，然后带着浮游植物吸收的二氧化碳一起游回海洋深处。这些二氧化碳中的大部分随后被排放到深海中，有效地被困在海洋深处，阻止其释放回大气中。

2019年，美国伍兹霍尔海洋研究所生物海洋学家凯文·阿奇博尔德领导的研究团队创建了一个模型，以确定有多少二氧化碳通过海洋动物昼夜垂直迁移的方式沉积到深海。结果他们发现，鱿鱼和虾类幼体每年能将10亿吨的二氧化碳带到海底深处。据统计，美国公路上行驶的所有车辆每年大约产生15亿吨的二氧化碳。也就是说，海洋生物的昼夜垂直迁移抵消了全美汽车排放总量的三分之二。凯文· 阿奇博尔德表示，海洋动物昼夜垂直迁移只占海洋捕获的碳总量的16%，海洋捕获碳的其他途径还包括自然的水运动、下沉的浮游植物细胞和海洋动物的粪便等。其中，海洋动物粪便的下沉也会受到昼夜垂直迁移的重要影响，它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10倍。正是由于海洋生物的昼夜垂直迁移，这些物质才能更快地到达深海，而不是无休无止地漂流。

利用卫星通过太空激光追踪大规模海洋生物昼夜垂直迁移迁徙。

作为主要温室气体的二氧化碳的过量排放，已使全球气温激增，并引起冰雪融化、海平面上升和物种灭绝等严重后果，因此控制大气中二氧化碳的浓度已成为全人类共同面对的棘手问题。解决该问题的途径通常有：一是减少碳排放。碳减排包括提高能源利用效率和向低碳能源结构转变等。然而，至少到21世纪中叶，一次能源供给仍将以化石能源为主。二是增加碳汇。碳汇一般是指从空气中清除二氧化碳的过程、活动或机制，具有成本低、效果好的优点。以林业碳汇为例，就是将二氧化碳通过森林吸收汇集到树木及土地上，以达到减少地球二氧化碳的目的。相应的还有草地碳汇、海洋碳汇和生物碳汇。本质上，只要能产生固碳作用，降低大气中的二氧化碳，都可以将其称之为“碳汇”。

目前，每年约有100亿吨碳从海洋表面向深处输送，相当于每年化石燃料排放的碳总量。随着全球变暖，海洋作為地球上最大的碳库如何捕获和储存碳，显得愈发的重要。研究证实，海洋动物昼夜垂直迁移已成为海洋碳封存机制之一。海洋浮游植物通过光合作用吸收地球大气中的二氧化碳、释放出氧气，成为海洋食物链中其他各级生物的有机质食物来源，同时产生各种钙质生物骨骼或壳体，死亡后的残骸逐渐沉降到洋底。这就犹如水泵那样，将上层海水中的二氧化碳最终被“抽提”输送到洋底沉积物之中。

昼夜垂直迁移普遍存在于海洋动物类群，是适应外界生活条件的有规律的周期性移动。许多海洋生物学家对这种十分复杂的生态学现象提出了许多解释和假说，但迄今尚无统一的意见。但有一点可以肯定：海洋动物进行昼夜垂直迁移有诸多“收益”，其中最主要的是节省能量、繁殖种群。当浅水比深水温度高时，垂直迁移对海洋动物有利。海洋动物夜间在表层暖水里摄食，白天在深层冷水里“休息”，降低了它们的代谢消耗，从而有较多的能量用于生长和繁殖，可有效增加种群的个体。