深潜南极海底见识多彩生命

南极海面漂浮的巨大冰山。淹没于水下部分的冰体体积则比水上部分更大,诱人的蓝色水面之下隐藏着无穷的奥秘。

46亿年前,地球诞生,后来海洋逐渐形成,生命的摇篮由此开始孕育万物。从高寒的极地到炽热的赤道,海洋世界生机勃勃,千姿百态。极地海洋与其他地区的海洋相比,由于环境恶劣,因此人类迄今对极地海洋仍然知之甚少。在普通人的想象中,可能以为只有温暖的海洋中才能孕育出千姿百态、万紫千红的生命世界,而在两极冰雪之下的海洋深处,恐怕不会有什么生命之物存在。然而,还是那句老话——“眼见为实”。

常言道,“不入虎穴,焉得虎子”。近20年来,随着极地考察范围的不断扩大,以及人们对未知世界的探索和对极地海洋资源的重视,各国科学家加紧进行了各种类型的极地海洋科学探索和调查。人们只有身临其境之后,才能获得前所未有的科学新知,包括许多新物种的陆续发现,以及对传统认知的不断修正。有关南极海洋保护的理念,也在这个过程中得到提高与完善。

我作为一名中国科学家,有幸深潜南极海底,见识了南极海底生物的多姿多彩。

南极海洋里奇妙的“冰下草原”

南极,全球最寒冷、暴风雪最频繁的地区。南极海域,通常一年中有8~10个月的时间都被茫茫浮冰和积雪所覆盖。

南极,因其遥远和难以到达,使得到过那里和见过南极真面貌的人迄今仍属少数,而潜入南极海底、身临其境地见识过南极海洋从海冰到海底千变万化充满奇幻景象的人就更是凤毛麟角。

我曾去过南极十多次。每当我们的船驶入南极圈之后,我们很快就会感觉到室外气温的急剧下降。寒风刺骨,一阵烈过一阵。海面浮冰成片,一眼望不到头……

可就在这海天相连、冰雪茫茫的海面上,仍然有生命在展示着它们的顽强:浮冰上,海豹在酣睡,对擦身而过的钢铁巨轮睁只眼闭只眼,不屑一顾,似乎继续享用着梦中的美餐;在冰间水域,企鹅成群,一会儿跃出水面嬉戏,一会儿又以流线型体形优势穿梭水中,欲与巨轮赛跑;船艉,成群的海鸟正蜂拥船后而尾随,激烈争抢被螺旋桨搅翻至水面的无数小鱼小虾……如此热闹又非凡之景恰与船头的寒风凛冽、冷冷清清形成鲜明对比,可谓同船异境的艏艉两重天。

每遇这些情景,随船的乘员们无不忙于抢镜头。或许有人会问:那些可爱的企鹅和海豹平时都吃些什么?又去哪儿觅食?而那些小鱼小虾又吃些什么?怎么過冬呢?

1983年下半年,我在澳大利亚南极局期间,曾遇到研究磷虾的日本学者汤姆博士。他用了两年多时间进行活体磷虾的实验生态观察,他的研究结果表明:冬季的南极海洋浮游植物长期处于低生产率状况,因而磷虾极少觅食,由此造成冬季磷虾成体体重的急剧下降和体形收缩。据此,汤姆博士提出了冬季南极磷虾的“禁食”与“瘦身”之说。

卧冰休闲,漫不经心,貌似与世无争的南极威德尔海豹。南极海洋浅水层中随波逐流的磷虾群。海冰冰底有色层冰内微小型动物生态示意图。图上方圆形所示为显微镜下的大量微型藻类(主要为硅藻)。a. 在冰体缝隙中觅食活动的微小生物(端足类)b. 栉水母c. 纤毛虫d. 带卵的桡足类e. 裸鳃海牛南极海冰冰底有色层——“冰下草原”。

不过,欧美学者对此说法并不认同。例如,我的老朋友德国极地海洋研究所(AWI)的海冰生态学家G.迪克曼博士,曾于20世纪八九十年代多次进行冰海潜水考察,经南极冰海多年实地观测研究证实:冬季大量的磷虾活跃于南极海冰底部的有色层,在冰缝或冰洞中它们既能觅食冰藻细胞或微小动物,同时又能成功隐蔽以躲避敌害。

这是因为,在海面结冰之时,冰体的水下部分会逐渐增厚,而冰体的最下面部分直接浸透在海水中,造成冰体质地相对疏松,容易产生密集的缝隙与小冰洞。这就便于大量海藻细胞的依附和生长,使冰体底部变成绿色或棕色的有色层,实际上就构建起了一层厚厚的“冰下草原”。显然,这个“冰下草原”(或称“冰下牧场”),成为包括南极磷虾在内的各种小型动物赖以生存与躲避敌害的宝地,它们在这里安居乐业,并借以越冬和繁育后代。而后,磷虾又引来以磷虾为食的更多鱼类和其他动物。在海冰下面的不同水层中,生活着南极鳕鱼、银鱼和犬牙鱼等各种鱼类和乌贼等头足类动物,还有凶猛的海豹和体形巨大的鲸类动物。由此可见,以海冰微型生物为主体而构建起了一个南极海冰微型生态系统,这个微型生态系统是冬季南极海洋大生态系统的重要组成部分。

海冰的“冰下草原”犹如天然“牧场”,对维持冬季南极海洋生物食物链意义重大。在克服冰雪严寒,熬过季节难关之后,“冰下草原”为来年保留了春季生命旺发所必需的基础生物生产力及其相应的物种与能量。

而在水体之下的南极海底,基于不同地质结构与底质类型,同样也有一个由不同物种和群落构成的生命世界。总之,如此冰海雪天的大寒境遇貌似荒芜萧条,但在这白色轻纱之下、那梦幻蓝色之中,实际上万物悠悠,生机盎然……大自然神奇的妙手造就了多彩多姿、令人难以置信的海洋生态天堂!

读者朋友至此应该已经明白,浮冰上那些胖乎乎、笨头笨脑、伸展懒腰只顾贪睡的海豹们实际上早已吃饱喝足,无所事事了。趁着海豹们难得的消停,企鹅们终于也得以悠闲,忙于在浮冰间隙中追逐捕食和戏耍,不亦乐乎!

南极海底生物各显神通

21世纪之前,为了了解南极海底,基本都是由潜水员潜入南极冰海作业。虽然冰海潜水的观察范围仅限于冰层之下30米,但身下那百米甚至千米之深的幽幽黑洞,不就像那张着大口随时会吞噬一切的“恐怖幽灵”吗?对任何潜水者而言,不管你的心理素质如何好,真实面对的绝对都是危机四伏,随时可能突遇不测。事实上,不仅环南极大陆海有着强劲的绕极流(南极绕极流:在南半球连贯太平洋、印度洋和大西洋南部的广阔海域并围绕南极大陆进行的由西向东做环流运动的强劲海流),而且我们缺乏对局域海区湍流详情的了解,也缺失相关资料。尤其是在1~2米厚大面积海冰的阻隔下,冰面上的接应人员很难获取冰下潜水者发出的准确定位信息,更难以掌握水流的动态与局势,无法采取及时有效的救援措施。

进入21世纪,情况大为改观,“冰下机器人”的出现让科学家看到更多的海底景观。例如,迪克曼海冰生态研究团队就采用“冰下机器人”新技术进行潜水观察和视频录像,取得了满意的观察效果。同时,因为冰下机器人替代潜水人员下海,也就大大降低了冰海水下人員安全事故发生的概率。

那么,南极海底的生态情况到底怎样?

海洋底层的生物分布通常与海底浅表层的底质状况关系很大。海底的底质结构主要有“砂石混合底质”“岩石硬底质”和“软泥底质”这三大环境类型。其中,软泥底质或泥沙底质比较容易接收从海洋中沉降到海底的有机碎片和颗粒物,并形成富含营养物质的软底淤泥层。这个软底淤泥层可为各类生物(如海藻、低等单细胞动植物和大型生物等各种底栖生物)提供生命活动所需的食物资源和营养物质。因而,在软泥层底质结构的海底相对容易形成种类较多、密度较大的生物物种分布景观。与岩石和砂石底质海底混合层相比,在软泥层底质结构的海底形成的生物群落组成结构相对更为复杂多样。

罗斯海陆架海底砂质底层生态景观:棘皮动物+ 双壳类动物群落为主体生态结构。典型的硬质海底生物分布的种类和数量显然相对稀少。图为一块海底坠石上,长有两株原始珊瑚群体(海仙人掌之一种),以及一些小型海葵和零星低等海绵动物。( c /Greenpeace)南极半岛附近海底软泥底质呈现丰富多彩的动物世界。1. 海绵2. 球海绵3. 棒海绵4. 海笔(海鳃类)5. 柳珊瑚6. 50 腕环海星7. 蛇尾8. 海参9. 玻璃海鞘10. 柳珊瑚群体

前面三张图片,清晰展示了上述三类不同底质结构对海底生物分布的显著影响。

基于上图(软泥底质)中的景象,可以描绘出类似“大鱼吃小鱼,小鱼吃虾米”的南极海洋底栖生态系统和局域生物群落之间的食物链关系:蠕虫类中的线虫、环节动物中的多毛类(沙蚕)、棘皮动物中的海参和海胆、软体动物贝类,以及一些节肢动物等足类和甲壳类动物如虾、蟹等,以营养丰富的软泥底质环境作为自己的“安乐窝”;这些小型动物进而吸引来其他以它们为食的肉食性动物,如大型贝类、棘皮动物(海星、蛇尾和海百合)等和多种以小型动物为食的底栖鱼类等。而生活在这个食物链中的南极海洋底栖动物,在漫长的历史长河中进化出了许多另辟蹊径的独门绝技。下面略举几例。

力量型选手:腕力惊人的海星

海星是典型的“弱肉强食”类捕食者,它可以用腕足上强有力的吸盘强行将贝类的外壳慢慢拉开,然后享用壳内的美味肉质。其中,身体伸展后的直径可达50~60厘米的50腕环海星(见上图中的6),被公认是南极贝类动物和底栖鱼类的“最大杀手”。

智慧型选手:用黏液征服猎物的栉水母

南极栉水母的捕食杀手锏是它那能从反口端两侧伸出的两条长长的触手,触手侧肢上的表面充满黏液,周围海水中游动的桡足类等小动物一不小心触碰到栉水母的触手就无法逃脱,成为栉水母的“盘中餐”。

南极海洋自由状栉水母,体下拖着两条带有黏液的触手。左上为多个栉水母争夺吞噬粘结成团的水蚤。

智慧型选手:用毒液“守株待兔”的水螅

除了依靠力量和智慧主动出击的捕食者,也有一些动物选择“守株待兔”,比如水螅。水螅舞动的触手就像在海中撒下的渔网。无论是鱼子鱼卵还是水蚤等,一旦触碰到这些触手就会被粘住,然后被水螅触手刺细胞释放的“注射毒剂”麻痹,而后水螅便慢慢吞噬下整个猎物。

智慧型选手:自带超凡抗冻能力的冰鱼

在南极罗斯海冰冷的海底,生活着T.伯纳奇冰鱼,因其血液糖蛋白分子中的糖肽结构能阻止血液冰晶的生长,以保持体内血液循环, 从而避免机体被冻结。冰鱼机体所具有的这种抗冻特性,能确保冰鱼在冰冻环境中得以生存和保持一定的活力,并能穿梭于冰凌缝隙,捕捉它们爱吃的腔肠动物和小型软体动物等。

底层南极冰鱼正在吞食鳃曳虫。(《南极科学委员会第三届生物学研讨会论文集》)

人类社会的快速发展与进步,极大地推进了海洋科学考察在技术水平和各种条件设施等方面的提升,也满足了专业机构对极地海洋调查实况信息与研究资料的需求,从而有助于正确评估极地海洋自然环境和资源情况,更好地服务于当今国际社会对海洋生态环境与资源保护的共同管理和规制制订(南极条约体系与南极科学委员会)。

鉴于极地海洋冰下情况复杂,尤其是深海环境的高风险,因而只有南极沿岸浅海区(水深小于30米)小范围水下考察项目仍然沿用人员直接潜水观察采样,而对于大范围区域性系统规模的海洋考察,国际上普遍采用考察船投放深海潜水器具作业(例如美国“Alvin”号深潜器),甚至采用智能水下机器人。我国在海洋考察的探测取样作业中,已经广泛使用多种型号的国产先进深潜器,如“蛟龙号”等。

2006 年8~10 月(南極晚冬),在威德尔海西北海域使用“机器人”观察冰底有色层。图左上圆圈内为冰下机器人运作视频操控者迪克曼教授及作者。

独特而脆弱的南极海底生态

人们现在逐渐明白,南极海冰所覆盖的是一个丰富多彩的海洋世界,那里的海洋生物资源对于人类生存具有多方面的重要价值:首先,南极生物资源包括许多自然界非常独特的物种,它们是地球基因库重要的组成部分;其次,南极生物对高寒环境的适应生理生化特性与抗冻机制,对生命机理和遗传基因研究具有无可替代的科学价值;另外,从许多类似南极海绵等的南极生物身上,能提取用于医治人类癌症等疾病的天然药物等。也正因为如此,人类对极地海洋的考察和商业开发活动与日俱增。各种南极海洋活动打破了南极的宁静。例如,日本的捕鲸作业船队从来没有离开过南大洋海域。

人类活动对南极的负面影响并不局限于此,源自地球其他地区的人造污染物(如固体废弃物)等,也在南极海域海底被检测到,这些污染物对极地生物与环境安全造成威胁;而全球性气候变化对南极海洋环境的影响则更为深远和严重。例如,海洋水温的升高将可能造成海洋动物对环境温度的不适应,动物因此会发生生理生化改变,甚至可能导致生命过程的改变。事实上,全球气温升高已经导致南极冰盖表面疏松和变脆,尤其是冰盖边缘部分冰体崩塌频率升高。海上冰山崩裂产生的巨大冰体坠落并撞击海底,对海底生态环境造成了直接的破坏。而对冰山的坐底刮擦,会严重破坏软泥层生态结构,甚至刮除覆盖于基岩上已经形成的生态结构层,毁损海底局部生境,导致生物群落被剥离。要让遭受损害的海底生态结构层重建或恢复,各类生物群的逐渐依次“回迁”,实现环境与生态系统的最终修复,其过程需要花费数年、数十年甚至上百年的漫长岁月。

还须提及的是,人类在以往的海洋调查,尤其是海底采样作业中,频繁使用各类底栖拖网,这无疑会造成海洋底层大范围的生态毁损。同时,已经收入拖网之中的大量生物样品,在拖行和起吊过程中因滚动和相互挤压而严重破损,其中多数样品甚至因此而变成毫无研究价值的废物。因此,在今后的作业中,建议不要采用类似的底拖采样器具,应尽可能以深潜器或机器人取而代之。

南极柳珊瑚骨架。南极半岛格拉奇海峡莱康特岛,水深500多米深处。图中的珊瑚虫已经完全寄生在原始珊瑚( 或角质珊瑚)架上。(GP0STRIRT)

南极扇形柳珊瑚,此为脆弱海洋生态系统的指标种。南极半岛格拉奇海峡的勒库安特岛附近,水深约560 米。与之共生的生物有蛇尾和等足类动物。(GP0STRIRT)

南极粗疣棘柳珊瑚。南极半岛格拉奇海峡莱康特岛,水深约500米。(GP0STRIRV)

俗称智利篮海星,棘皮动物筐蛇尾之一种。南极半岛格拉奇海峡莱康特岛外570 米深处,被南极海洋生物资源养护管理委员会(CCAMLR)列为界定脆弱海洋生态系统的指标种。(GP0STRIRW)

南极鳞沙蚕( 多毛纲)。南极半岛莱康特岛, 水深约560 米。(GP0STRIRO)

南极羽状毛头星,棘皮动物海百合之一种。南极半岛格拉奇海峡,水深约420米。

如何守护南极海洋

我们曾经以为南极海洋是贫瘠的,但随着对南极海洋的了解越来越多,我们已经认识到南极海洋实际上孕育着丰富而独特的生命体系。但目前我们对南极海底的了解还非常有限。从长远来看,通过建立一个有效的全球海洋保护体系,保护已知的具有特殊生态意义的海域,减轻人类活动(如过度捕捞、海底采矿等)对南极的破坏,无疑是至关重要的。

1961年6月23日正式生效的《南极条约》确认,南极地区包括陆地与海洋,为全人类的共有产。因此,南极需要全人类的关爱与珍惜。人类南极探险已有200多年的历史,但人类对南极地区尤其是对南极海洋环境与资源的了解还知之甚少,未来对南极可能有更多的考察研究。基于此,国际社会对保护极地海洋和南极海底生物资源的呼声日趋强烈。而海洋保护区的设立,是目前公认最有效的保护手段之一。

目前,南极作为全球海洋保护的前沿,其保护工作主要通过南极海洋生物资源养护委员会(CCAMLR)各成员提出和共同探讨的南极海洋生物资源保护规划以及遵循相应的具体措施来实施,其中CCAMLR的一项主要工作就是设立南极海洋保护区。

德国2006南极威德尔海考察拉森冰架B段东北航次,“极星号”船后甲板底拖网采样现场。可见大量珊瑚、海绵及海鞘等生物样品被揉成一团,几尽毁损。

不过,在国际活动中,各参与国难免因利益诉求的不同而产生意见分歧。在建立海洋保护区等重大问题的讨论中,往往要花大量时间进行反复交流与磋商,以符合CCAMLR“一致同意”的协商原则。所以,CCAMLR在保护区议题上的每一个成果都来之不易和十分珍贵。以目前世界上最大的自然保护区——罗斯海保护区为例,在经过了长达5年的谈判后其保護协议才最终达成。

2019年11月1日,CCAMLR第38届年会在澳大利亚霍巴特落下帷幕。与往年一样,作为大会焦点议题之一的南极海洋保护区议题未能取得任何实质性进展,近期提交的三个海洋保护区提案也均未通过。尽管如此,南极海域依然是迄今为止全球海洋生态保护的前沿,不仅因为那里人迹罕至而有保存完好的自然生态景观和独特瑰丽的海洋世界,而且还因为已有的“罗斯海保护区”是现今全球唯一的海洋保护区。

只有重视全球海洋生态环境保护,才能给全人类带来持续向善向好的发展。中国于2007年正式成为CCAMLR的成员,这些年来已经成为参与和决定国际谈判进程的重要力量。期待今后在全球建立海洋保护区方面,中国将继续贡献大国的力量。

作者简介:

王自磐,自然资源部第二海洋研究所研究员:资深极地专家,中国科技大学、武汉大学、德国耶拿大学兼职教授,博士生导师,德国阿尔弗雷德·魏格纳极地与海洋研究所(AWI)客座研究员。从事极地环境与生态保护研究40年,曾17次赴南极和北极参加考察探险活动,曾两次参与南极建站、南极越冬活动等,曾多次应邀随德国“极星号”等国外科考船赴极地考察。在《中国科学》《海洋学报》《极地研究》和《极地生物学》等国内外学术刊物发表学术论文百余篇。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午9:55。
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