本文轉自:文匯報

我國新一代科考船“科學”號上裝備的“發現”號遙控無人潛水器(ROV)。

海膽、珊瑚和機械手

深海海星攝食柳珊瑚

孔肋海綿上附着紅蝦和海百合

海星、海百合和蝦,旁邊還有一株柳珊瑚

採集於水深2300米處的甲冑海葵

偕老同穴

會“自切觸手”的巨型海葵

海底珊瑚林

深海小飛象

寺町翁戎螺 本版圖片均爲徐奎棟提供 海山被譽爲“海底大花園”,也是“地球上人類最不瞭解的生物棲息地之一”。目前,在全球超過3萬座的海山中,人類僅對其中約1%做過生物調查。就在這極其有限的瞭解中,科學家窺探到了深海生命的豐富多樣。

海山是如何形成的?它究竟是生命的“孤島”還是“綠洲”?本報特邀曾多次對西太平洋海山進行科學考察的中國科學院海洋研究所研究員徐奎棟對此一一作答。

■徐奎棟

深海中有着多樣化的生境,例如深海平原、海山、深淵、熱液、冷泉、鯨落等。不同生境孕育了不同的生態系統,其中海山生態系統中的生物多樣性最高,棲息着幾乎所有門類的動物,從最原始的微生物到最高等的哺乳動物都有。

海山被認爲是深海生物的聚居地,目前人類從海山發現了約2000種生物,而實際“居住”在海山的物種數可能遠不止這些。許多海山調查所獲的物種還未準確鑑定到種。另一方面,相關調查不斷有新物種發現。人們一定好奇,聚居在海山上的生命究竟是封閉地“偏居一隅”,還是藉助海流四處擴散?隨着海山生物調查的不斷深入,一幅海山生命畫卷逐漸清晰起來。

多樣化生境 形成深海立體“生命樂園”

海山的高生物多樣性首先得益於海山的立體結構。由於海洋生物有分層分佈的特點,即每一種生物都分佈在特定水層,海山的立體結構可使其容納不同水層的生物。不同的水深又與不同的水溫、壓力、溶解氧、酸鹼度及食物等環境條件相關聯,形成了多樣化的生境,其他深海生境則沒有如此豐富的環境梯度。

深海中除了熱液、冷泉等特殊的化學能合成生境,生物所需的食物都來自上層水體通過光合作用產生的有機質。當洋流遇到海山,能夠產生局部的上升流,將深層海洋豐富的營養鹽帶到有光照的上層水體,促進了浮游植物的生長。於是,初級生產力的提升,帶來了浮游動物的繁盛,魚類數量隨之增加,並吸引來了鯨、鯊魚、金槍魚、海鳥等頂級捕食者,從而形成了一場真正的生命盛會。

“海洋雪”是深海底包括海山上許多生物所依賴的重要有機物質,這些海面輸送來的有機物碎屑看起來就像雪花一樣。研究發現,山坡上滾動的“海洋雪”使得地勢高的區域生物量較周邊深海平原高出三倍。與此同時,山坡和海山等地形增加了海底棲息地的複雜性,並驅動了海洋生物分佈。

許多深海動物,如珊瑚和海綿,需要堅硬的基質附着和生長。水流可以沖刷飄落在海山上的沉積物,暴露出岩石,這些地方就成了珊瑚和海綿們的理想棲息地。同時,流經海山的海流,還能爲無法移動覓食的動物源源不斷地提供食物。

更有意思的是,海山周圍的洋流還是深海底生物輸送幼蟲的交通工具。幼蟲跟着洋流漂到另一座海山,有很大幾率駐留下來。因此,通常很難在深海中同時出現的動物,卻可以在海山中一起生活,形成多種生物和諧共處的景象。

此外,海山中的珊瑚和海綿所形成的立體結構,還爲海星、蛇尾、蝦蟹類、魚類等生物提供了棲息地和庇護所。

所有這一切都意味着,只有在海山纔可能發現如此多樣的來自不同水深的生命,呈現出如此高的生物多樣性。

幽遠海底隔絕 海山是孤立的水下島嶼嗎?

海山其實就是海面下的島嶼,與島嶼中的火山島有相同的起源,在形態上也與島嶼有很多相似之處。不少島嶼上的生物種羣往往來自陸地,那麼海山生物又是來自何處呢?一些研究發現,海山和鄰近的陸坡(大陸架以下的部分,水深約在200-2000米)在生物構成上有較高的相似性。海山上的無脊椎動物種羣與附近大陸坡上有着相同的生物來源。

學術界曾普遍認爲海山是獨特的環境,是生物多樣性豐富且獨特的生態系統。然而,隨着研究的不斷深入,之前的許多觀點可能是片面或不準確的。

早期的海山生物調查發現,海山岩石上的生物羣落與海山周邊的軟底沉積和深海平原上的生物羣落大不相同。而且,不同海山之間的生物羣落在物種構成上較少重疊,使海山看起來類似生物地理學上的“島嶼”,而海山羣或海山鏈被認爲具有類似“島嶼羣”或“島鏈”的作用。

1959年,被譽爲“海山生態學之父”的卡爾·赫布斯提出“海山孤島假說”,認爲海山是相對孤立的水下島嶼,擁有高度特有的動物羣,由獨特的羣落組成,在物種組成上與其他深海棲息地截然不同。

事實真是這樣嗎?島嶼,尤其是遠離大陸的孤島,因爲海洋的分割,確實會形成相對孤立的島嶼生物羣,生物羣落比較獨特,特有種比例高,但總體多樣性低。但在海山上,除魚蝦等游泳動物外,大型生物主要是一些固着生活或移動能力差的動物,它們主要依靠幼體通過海流來轉移和擴散。

由此可見,海山是否“孤立”,取決於棲息其上的生物幼體擴散是否受到限制。在某些海山,地形和海流的相互作用可在海山頂部形成“泰勒柱”(穩定的海流在流到海山時形成的環流)等封閉環流,從而留住幼蟲。但這些物理海洋現象出現的頻率很低,即便出現也不持久,因此難以將海山長期隔離成水下孤島。另外,海山的物種多樣性高,不同於孤島的低多樣性。

海山種羣分佈 遠距或類似近鄰卻不同

過去幾十年中,海山生物多樣性研究的另一重大發現是在海山發現了大量特有種。

由此,在孤島假說的基礎上,學界又提出了“海山特有種假說”,認爲與其他深海生境相比,海山生境特殊,時間和空間上的隔離促使高水平的物種形成,形成了高生物多樣性和高比例的特有種。

早期研究發現,某些海山的特有種比例高達75%,這與島嶼擁有很多特有種的特點十分類似。但隨着調查的深入,科學家發現,所謂的“高特有種”基本都是採樣和研究不足造成的假象。目前,從調查比較充分的海山來看,生物特有種多在10%-20%之間。例如,東北太平洋的戴維森海山是調查最充分的海山之一,其特有種比例僅約7%。

種羣遺傳研究還表明,在一些相距遙遠的海山上,種羣間的連通性也可能很高。一些研究發現,海山和鄰近的陸坡在生物構成上有較高的相似性,而且某些相距較遠的海山間的生物羣落很相似,而距離近的卻可能差異較大,這些都是“海山特有種假說”不能解釋的。

海底如綠洲 海山常現“珊瑚林”“海綿場”

2000年,科學家在西南太平洋的海山發現了很高的生物多樣性,由此提出了“海山物種多樣性熱點”假說,認爲海山比其他深海生境能夠支持更多的物種,其中也來自珊瑚和海綿等建羣生物提供的生物立體結構。

這一假說得到了很多證據的支持。儘管對無脊椎動物的許多研究表明,海山和陸坡之間的物種豐富度沒有差異,但一項對底棲魚類的研究表明,陸坡上的魚類種類比海山豐富,但海洋中上層魚類的情況則相反。

於是,又有學者在2007年提出了“海山綠洲假說”。這種假說認爲,在相對貧瘠的深海大洋中,海山如同海底沙漠中的綠洲,海山區水體的高生產力和高生物量,使得更多的有機質得以輸送到海底,從而形成海底的高生物量,由此形成高生物多樣性。

通常,海山相較周邊深海的確有更高的生物量,這一點從許多海山的高漁業資源,以及經常在海山上發現的“珊瑚林”和“海綿場”可以證實。對大型底棲動物的分析發現,海山上的生物量是鄰近陸坡類似深度中的近四倍。

但是,“綠洲假說”可能只解釋了海山的高生物量,卻很難解釋其高生物多樣性。因此,海山的“綠洲假說”僅就海底的生物量而言是恰切的。調查發現,就水體中的浮游生物量而言,太平洋和大西洋的一些海山並非明顯高於周邊深海,因此對於海山底如何形成了高生物量還有待解釋。

總體上,目前還沒有一個假說能普遍解釋海山的生物多樣性分佈,不同海山往往有不同的地理和環境條件,生物羣落組成差異較大。全球3萬多座海山中,僅有約1%的海山開展了生物調查,研究比較充分的海山也就50多座。調查採樣和研究的不足是造成目前種種不明假說的主要原因。並且,早期的工作大多通過底棲拖網採集生物,獲得的樣本具有片面性。未來,隨着更多水下機器人的應用,將有助於我們真正深入到地形複雜的海山中,探測海山生物構成與分佈的奧祕。

關於海山,我們瞭解多少

什麼是海山?

海山,就是海底山。與島或礁不同,海山是完全在海面以下的。

狹義上,海山通常是指海面下高度超過1000米的海底隆起,從洋殼上開始測量,海山的高度一般在1000至4000米之間。全球有3萬多座海山,佔據了全球約4.7%的海底面積。海山因其隆起高度超過1000米,因此必然處於深海中,是深海大洋中的顯著生態景觀。

廣義上的海山也包括海底隆起高度在500—1000米的海丘,佔全球約16.3%的海底面積。此外,海底還有不計其數高度不足500米的深海丘陵。

海山主要是由火山活動形成的死火山,板塊構造運動可使海山呈鏈狀分佈或細長形集羣。夏威夷-皇帝海山鏈就是一條比較著名的海山鏈,其北端最古老的海山已有8100萬年的歷史,而這條鏈上最年輕的海山是位於夏威夷島東南35公里處的羅希海山,處於夏威夷-皇帝海山鏈的東南端。它還是一座仍不時噴發的海底活火山,在噴口周邊形成了海底熱泉生物羣落,在遠離噴口的地方則是一般的海山生物羣落。

海山可分爲板內海山和板塊邊界海山。

板內海山位於深海平原上,例如太平洋中的麥哲倫海山鏈、夏威夷-皇帝海山鏈等。

板塊邊界海山又稱島弧海山,通常位於島弧上,例如雅浦海溝和馬裏亞納海溝邊緣的海山。它們通常也是由火山岩漿活動形成的,但其形成又常常與板塊俯衝相關聯。

從形態上,海山可分爲尖頂海山和平頂海山。一部分海山在火山噴發形成後,其山頂可能超出海平面,隨着波浪的侵蝕,形成了較爲平坦的山頂,又隨着地質演化慢慢下沉到海平面之下,這種海山被稱爲平頂海山。

海山的底質以硬底爲主,在平坦的海山頂部或海山的平緩處,可見到軟泥、砂等沉積物,有些可形成含有孔蟲砂或珊瑚砂等物質的軟底沉積,由生物的遺殼或碎片形成的。與陸地山不同的是,海山通常在岩石等硬底區域的生物更繁盛,而在軟底區則往往生物稀少。

因此,在熱帶寡營養海域的海山底或山腰的平緩處,常覆蓋着一層白茫茫的砂,這些地方往往生物稀少,如同海底沙漠。而在海山的海流通暢的某些硬底區域,卻可能見到繁茂的珊瑚林,如同沙漠綠洲。

海山生境有多脆弱?

海山既有極其豐富的富鈷結殼資源,又蘊藏有大量具有重要商業價值的魚類資源,是大洋漁場的主要所在地,近年來受到越來越多的關注。然而,海山生物具有生長慢、生命週期長、繁殖力低等特點,其生態環境十分脆弱。

許多海山生物都已生長上百年。來自夏威夷附近海山的一株黑珊瑚,經同位素測年分析顯示,已經有4265歲了,堪稱全球已知最長壽的動物。這樣的生物一旦遭到破壞,則很難恢復。

冷水珊瑚是海山最具多樣性且數量最佔優勢的巨型動物類羣,主要生活在水深超過200米的海底或海山上。每個冷水珊瑚就像一棵樹一樣,可爲許多生物(如蛇尾、鎧甲蝦等)提供附着生境,是海山等深海生態系統的關鍵物種。

當前的過度捕撈已造成嚴重的海山生境破壞和生物多樣性喪失。以長壽魚爲例,它的學名叫大西洋胸棘鯛,生活在水深500-1500米的海山區及大陸坡上的岩石區。長壽魚的漁獲量已從上世紀90年代的9萬噸,急劇下降到現在的1萬噸左右。

此外,海山還是價值昂貴的紅珊瑚的重要棲息地,過度捕撈導致了許多原來的棲息地已經見不到它們的蹤影了。

海底拖網作業方式往往對海山生境造成毀滅性影響。在海底拖網作業頻繁的地方,海山岩石表面光禿禿的,幾乎見不到珊瑚或其他大型動物。

當前,已有數據顯示,海山生物羣落具有對捕撈活動的脆弱性、對底拖網擾動的高敏感性和低恢復力。海山及其冷水珊瑚已被列入脆弱海洋生態系統,納入聯合國主導的國家管轄海域外生物多樣性養護與可持續利用國際協定談判議題中。

科學規範海山系統的資源開發活動,保護海山生態系統已經日益受到國際社會的關注。對海山生物本底資源的調查和認識,是進行海山生物資源有序開發利用和保護的先行基礎。

深海生物趣事

偕老同穴

偕老同穴其實是一種玻璃海綿,在西方也被稱作“維納斯的花籃”。一種名爲“儷蝦”的小蝦從小就成雙結對地經偕老同穴的篩板孔進入中空的中央腔,待到小蝦長大,它們就在海綿體內出不來,成對相伴直至壽終。故而偕老同穴被認爲是永恆愛情的象徵,其標本在一些地方被作爲結婚禮物,用來祝福新人白頭偕老。

長壽海葵

雖然海葵看上去很像花朵,但其實是捕食性動物。海葵多數不移動,有的偶爾爬動,或以翻慢筋斗方式移動。科學家還發現,海葵的壽命大大超過海龜、珊瑚等壽命達數百年的物種,是世界上壽命最長的海洋動物之一。有研究者對三隻採自深海的海葵進行測定,發現它們的年齡竟高達1500歲至2100歲。

深海小飛象

“深海小飛象”是一種人們瞭解不多的特殊章魚,是菸灰蛸屬Grimpo teuthis章魚。因其外貌酷似迪斯尼動畫片中的小飛象而得名,俗稱“深海小飛象”或“小飛象章魚”。其胴部具有一對較大的肉鰭,在水中游泳時猶如小飛象扇動耳朵在水中搖曳,憨態可掬。它有八條腕,每條腕上具吸盤1行,可以讓它們在海底爬行、捕食等。

“活化石”翁戎螺

翁戎螺的棲息地是水深80米至數百米的海底礁石縫中,被認爲是軟體動物腹足綱中最原始的類羣之一。科學家已確認,翁戎螺是在5.7億年前寒武紀時就出現在地球上的海洋生物之一,發現有大量的化石種,而現生種較少。由於翁戎螺歷經數億年演變,依然保留了和祖先相同的形態,生物學家將翁戎螺譽爲海洋貝類中的“活化石”。

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