一支国际团队在1月份勇闯极北之地，探秘海洋生物如何在极地冬季辨析昼夜。本文来自微信公众号：Nature Portfolio （ID：nature-portfolio），作者：Randall Hyman，题图来自：虎嗅（特罗姆瑟，拍摄：萬一）


当翡翠与薰衣草色的北极光舞动在夜空中时，“海尔默汉森”（Helmer Hanssen）号科考船正在隆冬时节穿越这片地球上最黑暗的区域。对于十几名展开为期两周航行的研究人员来说，他们的任务简单而深刻：消失。


当船穿过漆黑的水域时，船长突然关闭了所有的甲板照明设施，我们瞬间变成海上隐身的幻影。这是研究生活在黑暗和寒冷环境下的海洋生物最为理想的方式——没有多少生命形式可以像它们那样生活。


新奥勒松科学考察站上空的极光， Deep Impact项目的研究人员在此地开展研究。摄影：Randall Hyman


这对北极研究人员来说是个全新领域。在2007年之前，在深冬时节进行海洋生物考察这件事似乎并不划算。科学家认为，在长达数月的极夜中，北极地区大部分海洋生态系统都会关闭。由于没有阳光，浮游植物无法进行光合作用，大一些浮游动物就没什么可吃的了，而这些动物是海鸟和鱼类的主要食物来源。至少传统上是这么认为的。


“海尔默汉森”（Helmer Hanssen）号科考船有时会关闭甲板照明设备，以便研究人员评估人工光如何影响极夜中海洋生物的行为。作者：Randall Hyman


但事实并非如此。有新发现证实，即使冬季没有阳光和食物，浮游动物仍然能够生长。它们在黑暗中交配和孵化——这些活动为北极春天的大复苏蓄积能量。


但研究人员意识到了一个问题：怎样才能研究海洋生物在黑暗的冬季如何活动。一月份时，我加入了这支国际研究科考队。他们尝试了新的方法来监测北极黑夜里的海洋生物的活动，同时又不影响它们的行为。


研究人员渴望获得答案，因为北极正在迅速变化。过去四十年，北极地区的气温变化速度几乎是其它地区的四倍[1]。冬季北极海冰的厚度迅速变薄，这意味着春季和夏季的海冰会减少。冰盖缩小后，航运、游轮和沿海开发项目得以开辟新的路线，加重了北极的光污染。越来越多光线正在渗入北冰洋，甚至连冬季也不例外，这或将永久改变那些已经完全适应并利用黑暗的生态系统。


栉水母是在斯瓦尔巴外海发现的浮游动物之一。摄影：Randall Hyman


“生物追逐黑暗”，特罗姆瑟大学（UiT The Arctic University of Norway）的海洋生态学家Jørgen Berge说，他曾领导了多次“海尔默汉森”号的北极冬季科考活动。他认为黑暗如同营养物质或氧气一样，是限制性的生态资源，“因此人工光照会产生巨大影响。”


在黑暗中


该研究起源于一个偶然发现。2006年，Berge到访距离格陵兰岛最北端海岸以东几百公里处的斯瓦尔巴群岛。时值秋季，他将仪器放置于峡湾中——这一行为必须在冬季水面结冰之前就完成，这样等到了春天，他就可以记录冰层下生命的复苏过程。


第二年检索数据时，他注意到冬季出现了一个神秘模式。声呐设备显示，白天峡湾水域里的生物量会下降到深处，晚上则会向表面上升。这是海洋生物学家所说的昼夜垂直迁移（DVM）[2]。然而，极夜发生时，太阳不再升起，这样的情况本不应该发生。


他回忆道：“这是个意外，是个大惊喜。”自那以后，Berge几乎每年都会带队前往斯瓦尔巴群岛开展后续研究。他是Deep Impact项目的首席研究员，该项目由挪威研究理事会赞助，并由特罗姆瑟大学运行。


Jørgen Berge为Deep Impact科考项目的首席研究员。摄影：Randall Hyman


Berge温文尔雅，在极地海洋生物学家中享有极高的声誉。“他团队的工作切实改变了我们对北极系统运作方式的认识。”圣安德鲁斯大学的水生态学家Andrew Brierley说，他未参与Deep Impact项目。


“他让我们知道，北极在极夜中休眠是一种迷思。许多生物过程仍会持续进行，更重要的是，人类眼中的黑暗并不会打断茫茫众生。”


在Berge首次发现后近十年，他和团队在“海尔默汉森”号去同一片峡湾进行科考时，意识到又一个问题：团队采用的研究方法正在干扰海洋生物。他们注意到，从船上探测到的昼夜垂直迁移现象比冬季时自动记录仪器所监测到的微弱得多[3]。他们开始思考，这种差距是否由照明导致。


2016年，生物声学专家Maxime Geoffroy驾驶小艇尽可能远离“海尔默汉森”号，之后打开头灯，照向黑暗的水面。他惊讶地看着回声探测仪上显示出，在单个头灯的微光下，生物量瞬间向80米以下的各个方向扩散。


“这引发了一系列问题”，Geoffroy说，他就职于纽芬兰纪念大学。“我们一开始想研究的就是这些生物在纯粹极夜里的生物学，但我们的大船顶着大白灯过来，干扰了纯粹的部分。”


“海尔默汉森”号科考船在斯瓦尔巴群岛附近航行，研究光对北极海洋生物的影响。摄影：Randall Hyman


研究人员表示，随着人工光在全球范围引发越来越多担忧，了解其对北极地区产生的影响也变得愈加重要。尽管目前人工光在极地地区仍然罕见，但随着冰川消失，新的航道得以开辟，利用海底矿物和化石燃料成为可能，人工光出现的频率正在上升。Deep Impact项目的发现也为从挪威到阿拉斯加的科学家提供了信息：冬季鱼群目录可能因船只灯光而发生改变。


Chesapeake 生物实验室的海洋生物学家Jackie Grebmeier曾于去年参与一次前往北极的独立研究航行，他认为Deep Impact项目非常及时。“随着北极进一步开放，人类影响及人工光的影响也会增加”， Grebmeier说，“我们唯一提供保护和预测影响的方法就是去获取Jørgen和团队正在收集的这些实时数据。”


为此，Deep Impact团队提出了创新解决方案，以应对船只灯光所带来的问题。在我们今年的科考过程中，Geoffroy和同事专注于技术和生物学，将装有光学和声学仪器的网和名为“花环”的圆形钢架放入海中。仪器记录下了遥远的斯瓦尔巴峡湾海洋生物对灯光明灭的反应——在甲板灯光熄灭时连续通过，之后在灯光照耀下通过更多。


峡湾位于斯匹次卑尔根岛最西端，靠近世界上最北的常住居民区新奥勒松。我们在此短暂停靠，几位科学家留在船上继续他们的工作，而其它十几位科学家则去了小镇的海洋实验室做实验。


小船从港口出发，搭载着各种仪器，例如海水光度计，可以用来探测肉眼不可见的极地冬季日光变化。机器人船只和潜艇，可以跟随“海尔默汉森”号并利用回声探测器记录船只照明如何改变水中的生物量。另外，港口外设置了装有回声探测器的大型鱼类围栏，记录生物对耀眼灯光开关周期的反应。


突然转向


在抵达新奥勒松港口前，我站在船头上见证了一项颇具风险的试验——一种追踪浮游动物对人工光反应的新方法。在不远处的黑暗里，一艘价值50万美元的水上无人驾驶船（USV）朝我们疾驰而来。它的驾驶者Emily Venables坐在几公里外的新奥勒松海洋实验室里，用计算机操纵屏幕上的船行图标，直冲我们的左舷。


Emily Venables站在停靠于新奥勒松港口的Apherusa，之后她远程驾驶船只探索“海尔默汉森”号附近的水域。摄影：Randall Hyman


该测试是这一季首次尝试用USV收集船只照明对附近浮游动物影响的实时数据。此前，Venables只尝试过几次在黑暗中驾驶无人船，也不确定GPS的准确程度。


小船从黑暗中突然出现。Venables精妙地遥控转动船只，沿着我们的船体运行，记录下浮游动物逃离的不同深度。我们头顶的无人机则拍摄着“海尔默汉森”号照亮的水中光晕。


当晚在海洋实验室开会时，Venables 坦言：“我的心跳得飞快。”


这是Deep Impact展开的众多实验之一，旨在研究人工光如何影响海洋生物和极夜时期的生物。


特拉华大学生物学家Jonathan Cohen说：“每年我们回来时，都会有在前一年工作基础上的新设备和新需求。”我在2016年登上“海尔默汉森”时，Cohen在研究一种名为磷虾的类虾生物，发现磷虾的眼睛在黑暗中的灵敏度比人类眼睛要高几个数量级[4]。


Cohen和苏格兰海洋科学协会（the Scottish Association for Marine Science）的生物学家Kim Last将磷虾暴露在微弱的蓝绿色波长下。这些光波模拟了海洋中的自然日光，阻挡红光穿透水面。他们想探索极夜垂直迁移是由微弱的环境光还是由内在的生物钟触发，以及人工光如何影响这些行为反应。


名为Apherusa的小型遥控船利用声呐探测仪监测浮游动物对人工光线的反应。摄影：Randall Hyman


磷虾这样的生物真能从水下深处感知极夜里正午和黄昏的差别吗？Cohen和Last怀疑可以，但以前没有足够灵敏的海水光度计能证明他们的猜想。


今年，他们开始测试一款由NASA支持开发的超灵敏商用光度计。Cohen将传感器设置在峡湾深处，它可以监测到40米以下深度水域的昼夜自然光变化。


混沌的黑暗


在“海尔默汉森”号上，极地的夜晚让船员和科学家们都迷失了方向。没有日出，“白昼”失去了意义，窗外只有无尽的黑暗。中午时分，南方天空中闪现出一丝光亮，但转瞬即逝。任何时候总有几个科学家在上层仪器室工作，剩下的则驻扎在湿实验室。


在熄灯模式下部署网和仪器时，湿实验室里的每个人都发出幽幽红光。钢铸大门之外就是北极蛮荒。在一个宁静无风的夜晚，北极光闪烁在斯瓦尔巴若隐若现的雪山之巅。为了这些有魔力的时刻，科学家们忍受着冻僵的手指、晕船和严重受伤的风险，每年都回到这里。 


在开灯作业期间，“海尔默汉森”号就跟普通拖网渔船一样收集鱼类。大型网具和沉重的缆绳在冰冷的甲板上拖过巨大的钢辊。一个不小心，研究人员可能就会失足滑下船尾的开放式坡道，被黑暗大海和轰鸣的螺旋桨吞噬。


其中一个比较少见的钢架，因其仪器组合较不协调被命名为“科学怪人”（Frankenstein），它检测光线如何影响浮游动物和鱼类的垂直分布。另一个则被命名为“小鱼迪斯科”（Fish Disco），它能发出彩色闪光以测量对浮游动物行为的影响。


在海洋实验室旁边的港口，Geoffroy的一位博士生Muriel Dunn正在研究浮游动物和鱼类在受到光照时如何移动。她还在使用机器学习算法，通过反射的声音频率模式来识别生物。在码头另一端，一台起重机吊着一只巴士大小的铁笼子。笼子浸在水里，外面包裹着网，以防止浮游动物和鱼类在测试时逃跑。


这个名为阿兹卡班（AZKABAN）的笼子浸在水中，可以研究浮游动物和鱼类。摄影：Randall Hyman


2022年，这个笼子里装着浮游生物样本。Dunn每次打开强光灯时，声学传感器就会显示生物量逃到笼子底部，类似于多年前Geoffroy乘坐小艇在开放海域里观察到的。然而当时机器学习算法还不能从声学数据中识别物种。


今年，她尝试使用两种鳕鱼：大西洋鳕（Gadus morhua）和北鳕（Boreogadus saida）。当笔记本电脑上的计时器响起时，她赶紧穿过码头，爬进起重机的驾驶室，关闭鱼笼上的探照灯。回到小屋，她高兴地发现算法能够区分出这两种鳕鱼。


那天晚上，当Dunn和Geoffroy在拆除笼网时，一场风暴突然来袭，狂风和盐雾席卷了整个码头。他们在卡车车灯照明下工作，浑身湿透，瑟瑟发抖，但仍为这天收集到的数据振奋不已。


阻碍计划的不止是风暴。团队成员在狭小的实验室里挤挤挨挨地工作，在小船上忍受北极的寒风，还要与各种疾病作斗争。越来越多人喉咙痛、咳嗽，但好在没有人感染新冠病毒。


科考队还遇到了其它麻烦。旅途伊始， “海尔默汉森”号遭遇引擎故障，不得不返回挪威大陆，航程差点取消。之后由于电脑故障，科考队的轻型自主水下航行器（LAUV）无线电通讯受阻。该设备大约长两米，是一种类鱼雷式水下航行器。


“我什么都试了。”挪威科技大学水下机器人专业的博士生 Karoline Barstein穿着笨重的海洋救生衣，从海洋实验室港口冰冷的水中涉水而出时说。她做了一天的测试链接，仍束手无策。但到了第二天，通讯问题神秘地消失了，LAUV的首航也取得了成功。LAUV与USV同步运行，在经过“海尔默汉森”号时显示生物量同步上升和下降，这为未来扩大自动航行器协同工作迈出了一步。


“我们经常说‘观测金字塔’——卫星到无人机，到地面车辆，到水下航行器，直至海底。”Berge说，“我认为未来人们会非常关注自动平台。”


探照灯照亮了作业中的无人机，它正在 “海尔默汉森”号附近拍照。摄影：Randall Hyman


在本季结束前，研究人员必须在新奥勒松海洋实验室完成几项实验。


“某些东西让更靠近极地的物种活过冬季。”挪威科技大学的海洋生物学家Maja Hatlebakk道，她在黑暗的冷藏室中，在昏暗阴森的光线下检查名为桡足类的甲壳动物。


她说，随夏季洋流过来的南方物种“撑不过这里的冬天。我们想知道原因。”


去年，她和斯瓦尔巴大学中心的海洋分子生态学家Ane Kvernvik发现，名叫甲藻的浮游生物在月光下和完全黑暗情况下产生的RNA数量有所不同。


今年她们重点研究北极哲水蚤（Calanus glacialis）的RNA活性是否与月相相关。北极哲水蚤是北极特有的桡足类动物，也是食物网中的关键物种。实验模拟了月球在极夜时期反常周期的缩短版——当月亮处于满相位时，便一直停留在地平线上；当月亮露出不到一半时，则不见踪影。“我们假设，有些北极物种能够利用其它物种无法利用的月光。”


结果还有待观察。如果Hatlebakk是正确的，她的研究将有助于科学家了解光线的微小变化是否会对北极产生重大影响，例如流冰变薄和光污染增加。这也是Deep Impact研究的主要问题之一。


今年的实验结束之际，陆地团队开始收拾行囊。“海尔默汉森”号的船长通过无线电联系海洋实验室，船上团队已经在另一个峡湾完成了最后的熄灯研究。


次晨在大风中停了一个小时，我们的船终于得以靠岸。海洋实验室团队匆匆登船，起重机将货箱和箱子装上船。在风势正加剧时，“海尔默汉森”号成功起航。而我们向南穿过汹涌的海洋，朝着地平线上遥远的日光而去。


参考文献

1. Rantanen， M. et al. Commun. Earth Environ. 3， 168 (2022).

2. Berge， J. et al. Biol. Lett. 5， 69–72 (2009).

3. Ludvigsen， M. et al. Sci. Adv. 4， eaap9887 (2018).

4. Cohen， J. H. et al. PLoS Biol. 19， e3001413 (2021).


原文以The Arctic after dark: a secret world of hidden life标题发表在2023年4月12日《自然》的新闻特写版块上，© nature，doi: 10.1038/d41586-023-00976-4


本文来自微信公众号：Nature Portfolio （ID：nature-portfolio），作者：Randall Hyman