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人造光影响北极浮游动物 | 暗夜保护研究

2019年5月3日 - 科技中心

402.com 1北极的月亮。图片来源:Geir
Johnson (Norges Naturvitenskapelige Universitet, NTNU, and University
Centre in Svalbard, UNIS).

原标题:人造光影响北极浮游动物 | 暗夜保护研究

在西方文化中,月亮往往是神秘的化身。数之不尽的动物昼伏夜出,在夜色中穿行,而唯有这一轮明月能赋予它们微弱的光明。因此月亮也在诸多神秘生物传说中扮演着重要的角色,譬如满月变身的狼人、信奉月神的暗夜精灵,以及代表月亮消灭你的美少女战士月野兔(大雾)。

编者按:1879年10月21日,电灯问世,从此极大的改变了人们的生产生活方式。此后约150年中,人类“日出而作,日入而息”的自然昼夜节律,逐步被人工照明所代替,而掌控照明科技的人类成为暗夜的主宰。这一系列变革,无疑是进步的,带来了极大的便利。

而在大自然中,也的确存在着一大类生物,它们可以接受月亮的指引来完成迁徙。近日,来自苏格兰海洋科学协会的金·拉斯特(Kim
S.
Last)及其团队发现,在北极圈进入极夜时,生活在北冰洋中的浮游动物的垂直迁徙活动会受到月亮的影响。相关文章\[1\]发表在最新一期的《当代生物学》(Current
Biology)上。

然而,科技是一把双刃剑。近年来越来越多的研究发现,人造光也可能是一种污染源,——光污染。自然的暗夜以及在昼夜交替的自然律动中经过数以万年计进化至今的生物和生态系统,人工照明带来的“光污染”,让深深篆刻在它们DNA里的密码不适应,并带来一系列的问题。之前已经有大量研究表明,光污染对于昆虫、海洋动物、迁徙鸟类等可能带来的严重影响,如让它们失去方向,扰乱它们的自然作息,导致致命后果。

上浮还是下潜,这是个问题

浮游动物虽然看似微不足道,但却是海洋生态系统的中流砥柱。拉斯特说:“浮游动物是海洋中的小型动物,位于食物链的底层。一部分浮游动物以藻类为食,同时又是另一部分肉食性浮游动物的食物。如果没有了浮游动物,海洋中的生命形式将非常少,可能就只剩下细菌和藻类了。”

402.com 2402.com 3海水中生活着大量浮游动物。这些不起眼的小家伙们,在海洋生态系统中有着举足轻重的地位。图片来源:Kim
S. Last

中国人年年有春运,浮游动物们则每天有垂直迁徙。这是一类全球性的普遍行为:它们往往在白天时向深海方向移动,而在夜晚重新回到近海面处——这或许是这个星球上每天规模最大的迁徙活动了。

它们为什么要进行迁徙呢?“其实原因非常的简单,它们远离阳光是为了躲避捕食者。小如肉食性浮游动物,大如鲸类等生物都在阳光下捕食。因此,当太阳升起时,浮游动物就开始向大洋深处移动,来躲避这些捕猎者。”拉斯特说,“我们的疑问在于,如果没有日夜交替,那又将是怎样的情况呢?”每年,北极圈内大约有6个月的时间,太阳都处在地平线下——这就是极夜现象。在极夜环境下,太阳的指引不复存在,这些声势浩大的浮游动物迁徙会受到怎样的影响?

拉斯特和同事从各国研究机构收集到了累积超过50年的数据进行分析。在北冰洋的各个位置,声学设备被固定在特定位置,利用多普勒效应的原理,水中的浮游动物能影响声波的反射状况,因此被用来研究浮游动物的活动。在声学多普勒流速剖面仪(Acoustic
Doppler Current Profiler, ADCP)监测的MVBS(Mean Volume
Backscatter,平均体积后向散射量)数据中,拉斯特发现了令人震撼的细节。

402.com 4402.com 5北冰洋中ADCP的采样位置。所有探测位置都处于纬度高于69°N的地区,不同位置的海拔高度以及极夜中的光照强度各有不同。其中,A图为整体概况,B图为北极点附近位置放大,C图为波弗特海(Beaufort
Sea),D图为斯瓦尔巴特(Svalbard)群岛。图片来源:参考文献[1]

光污染、暗夜、星空遗产等概念,对中国人民来说还并不熟悉。为此,中国绿发会成立了星空工作委员会,旨在保护暗夜、重塑星空作为遗产的价值,并唤起人们对光污染的认识。

借月色出击的极夜“狼人”

在每年秋季(10月初)至12月初之间,北极的太阳光逐渐减弱至完全不可见。在这一阶段中,浮游动物们每天的垂直迁徙依然保持着传统的节奏:白天下沉,夜间上升。这种迁徙随着夜间时间的增长而规模渐小,到12月初几近消失。直到次年1月阳光重新照入北极圈时,日间的垂直迁徙才逐渐回归。

研究者发现,12月初至1月初,浮游动物兴师动众的迁徙似乎陷入停滞。在没有太阳指引的极夜,这似乎是合乎情理的事。然而,在细细分析这段时间的数据之后,拉斯特看到了一种与日间垂直迁移截然相反的现象。

随着每天月亮浮出海平面以上,在夜间浮游动物们会向下迁徙;而在原本的中午时间,此时月亮沉于地平线上,它们又会重新上浮。换言之,月亮成了号令北冰洋区庞大迁徙的新“太阳”,明月当空之时,也成了新的“正午”。每到满月高挂时,浮游动物们会以一个巨大的规模,集体向深海处迁徙:每个月大约有6天的时间,浮游动物们在深海处(38m,58m深)的活动比较多,而在浅海处(18m)比较少,这一规律恰巧与月圆时间相吻合。

402.com 6402.com 7暗藏秘密的MVBS数据。中间彩色的三列数据分别从左到右展示3个不同深度(海平面下18m,38m,58m)约6个多月的数据,纵轴从上到下为日期从2006年10月1日跨度至2007年3月31日,横轴为当日的时间,MVBS数据点越接近红色代表生物量越高。在三列MVBS左侧展示的是12月2日-12月7日(此阶段见不到太阳)的月亮高度与3个深度的MVBS数据,可见从据海面38m至58m的迁徙呈现与月亮位置相一致的模式。在三列MVBS右侧展示的是在固定时间点(22:00-2:00),58m深度处6个月间的总MVBS波动,其波动高峰与满月(FM=Full
Moon)的时间吻合,提示在满月时浮游动物来到深处活动。最右侧一列为太阳高度。图片来源:参考文献[1]

这一发现令拉斯特感到激动万分:“这真是一个全新的发现,或许没有人能想到,浮游动物的运动会和月亮的起落周期相关。值得一提的是,在月亮控制下的垂直迁徙周期是24.8小时,而非24小时。”

402.com 8402.com 9在极夜,北极圈浮游生物的垂直迁徙周期与月亮照射到同一位置的周期一致,约为24.8小时。图片来源:oceanservice.noaa.gov

“应该从来都没有人想到过,浮游动物的迁徙居然会和月亮的周期产生关联。我们猜测,这是因为海洋中存在‘狼人’——一些猎食者会趁着满月月光的照耀,开始主动出击,在浅海处寻觅食物,而因此浮游动物也对应地进行迁徙躲避。”拉斯特说,“这一猜测是有理论基础的,因为我们发现这些生物确实可以感应到月光,借以看清周围的环境。借着月光‘海中狼人’们可以借机大开杀戒,而浮游动物则会退避三舍。”

402.com 10浮游动物在月光下利用迁徙躲避捕食者。图片来源:SAMS
Communications

光污染对于海洋生态系统等会带来什么样的影响?最近一篇新的研究显示:人造光对北极浮游动物也产生了较大的影响。研究人员发现,在浮游动物群落中,光照引导它们垂直运动的周期性行为,即昼夜垂直迁徙(DVMs)。中国绿发会星空工作委员会现将此文翻译分享如下。

随月迁徙的生态影响

除了躲避天敌之外,浮游动物的迁徙还有着重要的生态意义。“浮游动物的迁徙有助于把海洋表面的二氧化碳携带到海洋深处,这是全球碳循环的重要环节。鉴于在极夜环境下,没有光合作用也就没有藻类,浮游动物可能是彼此为食,而碳循环就借助于它们的排泄物完成。此外,它们迁徙的目的还可能包括降低消耗——在深层的寒冷环境里,呼吸作用和代谢活动都会随之减弱。”

在茫茫的北冰洋中,还存在着更多的秘密等待探寻。拉斯特对果壳网科学人说:“我们还将继续深入研究浮游动物垂直迁徙的具体效应是什么,比如碳循环的具体过程和结果。我们还需要了解迁徙过程中的具体物种的情况,因为声学仪器只能告诉我们全体浮游动物的大致动态是什么。”在接受采访之后,拉斯特又再度扬帆起航,向北极圈进发。这一次,研究人员们又将揭开哪些未解之谜?就让我们拭目以待。

402.com 11拉斯特在船上的实验室中。图片来源:SAMS
Communications

(编辑:Calo)

译者按/Linda 翻译/Cat 编/Angel

参考文献:

  1. Last et al., Moonlight Drives Ocean-Scale Mass Vertical Migration of
    Zooplankton during the Arctic Winter, Current Biology (2016),
    http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2015.11.038

Artificial Light Affects Zooplankton in Arctic

402.com,文章题图:Geir Johnson (Norges Naturvitenskapelige Universitet, NTNU, and University Centre in Svalbard, UNIS).

人造光影响北极浮游动物

on AUGUST 14, 2018

2018年8月14日

During the polar night in the high Arctic, a team of scientists
discovered “that certain aspects of the polar marine ecosystems are
extremely sensitive to potential light pollution and that traditional
sampling techniques are insufficient to study them.”

在北极高纬度地区的极夜期间,一个科学家团队发现,“在极地海洋生态系统中,某些方面对潜在的光污染极其敏感,而传统的抽样技术还不足以研究这些方面。”

Using a Jetyak, an Autonomous Surface Vehicle (ASV) equipped with an
engine and scientific instruments, researchers studied the behavior of
zooplankton in an unpolluted light environment and compared that to how
zooplankton behaved in a light-polluted environment close to their
traditional research vessels. They observed that despite the fact that
the sun never rose above the horizon, zooplankton responded to small
changes in natural light in areas without light pollution.

研究人员运用了Jetyak来比较浮游动物在无光污染环境、以及在靠近传统调查船只的光污染环境下的表现,Jetyak是一种自动驾驶的无人艇(Autonomous
Surface Vehicle,
简称ASV),它配备了一个引擎和科研设备。研究人员发现,尽管太阳从未升到海平面以上,在无光污染区域里,浮游动物对自然光的微妙变化还是做出了反应。

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根据美国国家海洋及大气总署(NOAA)等机构的天文科学家绘制的“全球光污染地图”,地球上1/3人口无法看到灿烂星空。图/NOAA

Light is an important cue for many biological processes. The study
notes, “the zooplankton community is intimately connected to the ambient
light regime.” In zooplankton communities, light induces cyclical
patterns of vertical movements called diel vertical migrations (DVMs).
According to the authors of this study, “The DVM of zooplankton is the
most widespread and synchronized movement of biomass on the planet and
thus is one of the most important factors to consider for understanding
marine food-web interactions and ecosystem structures.”

光是多种生物过程的重要信号。这篇研究指出:“浮游动物与周围的光照密切相关。”在浮游动物群落中,光照引导它们垂直运动的周期性行为,即昼夜垂直迁徙(DVMs)。这项研究的作者表示,“浮游动物的昼夜垂直迁徙行为是地球上分布程度最广、步骤最协调的生物量大迁徙,因此,如要了解海洋食物网络的相互作用、生态系统结构,它们也是最需要考虑的重要因素之一。

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来源:IDA

However, zooplankton display a strong light-escape response. The
scientists found that the artificial light emitted from traditional
sampling platforms interferes with the natural rhythms of zooplankton to
a depth of 100 meters. This study emphasizes the need for changes to the
lighting used on traditional sampling platforms in aquatic environments
in order to collect accurate data. The study notes, “Despite an
increased awareness that small changes in natural light affect the
behavior of marine organisms in naturally dim environments, we are only
starting to understand how and why organisms respond to changes in light
that occur on scales below what most commercial sensors can detect.”

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