大閘蟹背上的超聲波信號(hào)、海豹頭頂?shù)男l(wèi)星定位，科學(xué)如何追蹤生物的水下運(yùn)動(dòng)？

01

洄游者的環(huán)形軌跡

中華絨螯蟹往往會(huì)在圣誕節(jié)前的三個(gè)月里體驗(yàn)生命的熾烈奇魅和詭譎無(wú)常。一入秋，它們的性腺便開(kāi)始成熟、膨大、增重，儲(chǔ)存起越來(lái)越多的生命的基質(zhì)，那嵌著要熟不熟的精子的秋齡精巢、由黃變棕并繼續(xù)變豆沙色的豐碩卵巢，以及快速變化中的身體組織成分，與來(lái)自水體鹽分的刺激發(fā)生猛烈的交合呼應(yīng)，喚起了這些節(jié)肢動(dòng)物的奔走本能。

它們被鹽分牽引著，離開(kāi)幽暗的洞穴與河草叢，載著堅(jiān)硬寬闊的背甲奔向鹽度更高的海洋。游得越遠(yuǎn)，鹽分刺激越強(qiáng)，性腺成熟越快，機(jī)體內(nèi)那股原始的混沌越發(fā)得到滿(mǎn)足。

游行終點(diǎn)通常是長(zhǎng)江入海口的咸淡水混合區(qū)域，如九段沙水域和銅沙淺灘。

終點(diǎn)的產(chǎn)卵場(chǎng)是洄游者生命活力的頂點(diǎn)。中華絨螯蟹將幽居生活積攢的全部力量噴薄于這處江海交匯地——交配并產(chǎn)卵，雄蟹交配結(jié)束后即死亡，雌蟹則于產(chǎn)卵后的六七個(gè)月內(nèi)油盡燈枯。新生命將在未來(lái)一年內(nèi)生長(zhǎng)發(fā)育，游向淡水，最終再洄游繁殖，理所應(yīng)當(dāng)?shù)刈咄陱奈匆?jiàn)過(guò)的父輩曾走完的軌跡。

生死同源，舊去新來(lái)。它們的自然生命周期是如此契合生命循環(huán)的環(huán)形美學(xué)。

人們依據(jù)在九段沙等水域的動(dòng)態(tài)捕撈情況劃定出最利漁獲的蟹汛期：11月中下旬的十來(lái)天為初汛期，11月底至12月中旬為旺汛期，中旬到圣誕節(jié)前后則屬尾汛期，旺汛期的收獲常常超過(guò)全汛期所得的六成。

至于以噸為單位的每年捕獲量是多少，那就不好輕易回答了：20世紀(jì)60年代初的成熟中華絨螯蟹年產(chǎn)量據(jù)說(shuō)一度超過(guò)一百?lài)崳?969年，蟹黃鮮美、蛋白豐富的它們僅僅只有1.25噸，之后十余歲的大閘蟹年收又恢復(fù)至幾十噸，而從1983年開(kāi)始，數(shù)量不斷銳減，到1997年，人類(lèi)只網(wǎng)出了可憐的0.8噸毛蟹，糟糕狀況一直持續(xù)至2004年。

不過(guò)從2005年開(kāi)始，長(zhǎng)江口的成蟹資源得到顯著且持續(xù)的恢復(fù)，到2011年，年捕撈量又回到30噸以上，這與大規(guī)模的增殖放流行動(dòng)以及捕撈方式的改變分不開(kāi)。人類(lèi)在積極地恢復(fù)中華絨螯蟹資源。

02

放歸與追蹤

圣誕節(jié)也是水產(chǎn)研究所成員的重要工作節(jié)點(diǎn)，它們?cè)谶@一天放歸14只抱卵的中華絨螯蟹。一個(gè)多月前，他們從一網(wǎng)漁獲中選出兩百多只體格相近的健全雌蟹，均已有孕在身，接著先后在室內(nèi)的水泥池和水槽中飼養(yǎng)7天和一個(gè)月，每日定點(diǎn)投喂活食。

當(dāng)然，安穩(wěn)的陸上暫居和即將失而復(fù)得的水下自由需要體力活來(lái)交換。在從水泥池轉(zhuǎn)居水槽的當(dāng)兒，研究人員往45只蟹的背甲上各粘了一塊電子器件——產(chǎn)自加拿大科技公司的超聲波標(biāo)志，型號(hào)為MM-M-11-SO-TP，分a、b、c三個(gè)重量級(jí)，最沉的c級(jí)有11克。被“招募”的蟹兒自重約130克，倘使負(fù)上最沉的器件，外加本就不輕松的腹間生命的重量，未來(lái)的前行還是有一定壓力的。

顧名思義，超聲波標(biāo)志通過(guò)傳送超聲波信號(hào)來(lái)標(biāo)記自己所處的方位。如果你指望它去跟蹤某個(gè)水下生物的活動(dòng)，除了要想辦法把它妥帖牢固地附于目標(biāo)物，還需做好繁冗的配套服務(wù)工作。

首先，你得準(zhǔn)備好若干水聽(tīng)器——用于轉(zhuǎn)聲信號(hào)為電信號(hào)，信號(hào)接收器——處理并分析來(lái)自水聽(tīng)器的電信號(hào)，以及計(jì)算機(jī)——將超聲波信號(hào)里的水壓數(shù)據(jù)翻譯為水深信息。

其次，你必須把教科書(shū)里的追蹤體系靈活應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景：超聲波標(biāo)志的信號(hào)傳播范圍相當(dāng)有限，多則幾公里，少的也就幾百米，如果所處水域環(huán)境噪音大，實(shí)際范圍還會(huì)變小，作為標(biāo)志的跟蹤者，你要盡可能確保自己和各種路設(shè)備始終處于“竊聽(tīng)”范圍；

直接接收聲信號(hào)的水聽(tīng)器需固定于鋼管內(nèi)，同時(shí)把信號(hào)接收端露出來(lái)，鋼管的安置處為船舷兩側(cè)；追蹤工作很可能是為期數(shù)月的持久戰(zhàn)，你要和同事們定期掃描目標(biāo)們的坐標(biāo)、坐標(biāo)處的水壓和溫度，收集大量數(shù)據(jù)……

再者，當(dāng)繁雜的追蹤收集任務(wù)告一段落，沉浸式的數(shù)據(jù)分析工作就開(kāi)始了。研究者求助于統(tǒng)計(jì)學(xué)，開(kāi)展縝密的方差分析，繪制目標(biāo)在各水平區(qū)域出現(xiàn)的頻次分布，以及總頻次隨時(shí)間的變化曲線，此外還根據(jù)水壓數(shù)據(jù)分析了目標(biāo)在不同時(shí)間段更喜歡活動(dòng)于哪個(gè)水深。

研究者從45個(gè)候選者里挑選出14只，其直接目的就是試圖了解抱卵中華絨螯蟹在繁殖區(qū)的活動(dòng)習(xí)性：它們?cè)谀膫€(gè)月更喜歡移至哪片水域，體驗(yàn)?zāi)姆N鹽度，待在哪處水深，感受哪個(gè)溫度。知道了這些，我們或許能有法可循地構(gòu)建絨螯蟹人工生態(tài)系統(tǒng)，彌補(bǔ)天然棲息地破壞的問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)蟹資源恢復(fù)的目的，以人之力壯蟹之族。

雖然從放歸日到翌年５月上旬的10次追蹤顯示，越來(lái)越多的放歸者失去音訊——最后一次追蹤甚至只收到了兩只蟹的動(dòng)態(tài)，但研究團(tuán)隊(duì)還是得到了它們想要的結(jié)果，簡(jiǎn)要概括為這么幾條：

洄游絨螯蟹的主要活動(dòng)區(qū)域是深水航道南北兩側(cè)的堤壩附近水域。

它們?cè)?月份時(shí)更多在中游區(qū)域出沒(méi)，隨著時(shí)間推移，活動(dòng)重心東移，到4月，下游水域成為絨螯蟹更喜歡的地方。

1月上旬→2月上旬→2月下旬→４月上旬，絨螯蟹的棲息水深為8.25（±3.35ｍ）→11.10（±2.64ｍ）→6.35ｍ→9.89（±2.59ｍ）。由此可見(jiàn)水深偏好隨時(shí)間變化顯著。

03

水下遙測(cè)雙寶

借助遙測(cè)技術(shù)探索水下生態(tài)已成為如今科學(xué)界的一股熱潮。用在絨螯蟹身上的超聲波遙測(cè)，和另一種規(guī)格更高、成本更貴的衛(wèi)星遙測(cè)，并為水生生物遙測(cè)（aquatic telemetry monitoring）領(lǐng)域的雙子星，是研究者們?nèi)牒ほ櫟谋貍浞▽殹?/p>

據(jù)一篇于2015年發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的綜述，從1986到2014年的近30年間，基于水生動(dòng)物遙測(cè)技術(shù)的研究數(shù)量快速增加，尤其是后10年的增長(zhǎng)堪稱(chēng)爆炸式，足足漲了5倍；各大洲的水下群落都已被衛(wèi)星或超聲波設(shè)備觸摸。

衛(wèi)星遙測(cè)技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于時(shí)空不受限。覆蓋全球的Argos衛(wèi)星系統(tǒng)能定位廣闊海洋中的任一處角落，自然也可鎖定任一只攜有衛(wèi)星標(biāo)志的生物，追蹤目標(biāo)到千里之外；而且鑒于它可搭載續(xù)航能力極強(qiáng)的電池系統(tǒng)（如太陽(yáng)能電池），因此往往能跟隨某個(gè)生物長(zhǎng)達(dá)數(shù)年之久。

它的缺陷是標(biāo)志物尺寸偏大，難以附給某些小型生物，另外成本偏高，不適合追蹤目標(biāo)較多的研究。衛(wèi)星遙測(cè)的重點(diǎn)應(yīng)用對(duì)象包括哺乳動(dòng)物、爬行動(dòng)物、鳥(niǎo)類(lèi)以及部分軟骨魚(yú)（英文叫elasmobranch，與之相對(duì)的硬骨魚(yú)英文名teleost）。

超聲波標(biāo)志不能離開(kāi)固定在陸上的信息接收器太遠(yuǎn)，因此聲學(xué)遙測(cè)研究往往落在沿海、江河口或其他淡水生態(tài)系統(tǒng)，以魚(yú)類(lèi)和蝦蟹為主要追蹤目標(biāo)。但它們小巧靈便（最小的聲發(fā)射器重量不到1.4克，可標(biāo)記剛出生的迷你小魚(yú)兒）且成本更低，能在群體遙測(cè)方面大顯身手——很多研究團(tuán)隊(duì)在沿海區(qū)域分布高密度的超聲波遙測(cè)陣列，搭建移動(dòng)追蹤平臺(tái)，致力于長(zhǎng)期有效的大規(guī)模生物監(jiān)測(cè)。

當(dāng)然，“生物監(jiān)測(cè)”一詞的含義在人類(lèi)靈活變通的應(yīng)用技巧之下不光可以是“去監(jiān)測(cè)生物們”，也能變作“用生物們?nèi)ケO(jiān)測(cè)”。有的科學(xué)家嘗試以海洋動(dòng)物為媒介去監(jiān)測(cè)海洋本身，如給南極海豹戴上衛(wèi)星標(biāo)志，然后派它們?nèi)ツ蠘O西部的冰川水域收集水溫和鹽度數(shù)據(jù)，用以分析那一帶的冰蓋融化速率。

04

南極邊緣海里的數(shù)據(jù)采集大師

科學(xué)界一直都很關(guān)注南極洲西南邊緣海阿蒙森海的冰蓋，因?yàn)槟抢镉袃商幜魇?yán)重的脆弱冰川——松島冰川和思韋茨冰川幾乎每天都在以肉眼可見(jiàn)的速率變薄變少，裂縫變多變長(zhǎng)。研究人員預(yù)計(jì)南極洲西邊地界的冰川融化可能導(dǎo)致海平面上升3.2米，而松島和思韋茨冰川的流失將是此過(guò)程的兩大主力推手。

要想建立對(duì)阿蒙森海的冰川消融情況的全面認(rèn)知，免不了系統(tǒng)性地采集大量的、貫穿全年的溫度-鹽度-深度數(shù)據(jù)。夏季時(shí)的收集工作相對(duì)簡(jiǎn)單，然而到了冬天，厚重的海冰會(huì)擋在研究者的船只面前，使其難以探查海面區(qū)域的情況。（只能通過(guò)固定在海底的系泊設(shè)備獲得某幾個(gè)特定水下位置的信息。）

于是科學(xué)家將能游善潛的南極海豹招至麾下。

“招募”過(guò)程并不輕松，零下九度的南極海面寒風(fēng)掃蕩，惡浪洶涌，用某位招募者的話(huà)說(shuō)，行船遇浪時(shí)的感覺(jué)就像是“在某個(gè)主題公園游樂(lè)設(shè)施上蹦蹦跳跳時(shí)，有人將一桶冰水潑你臉上了”。不過(guò)艱苦不白費(fèi)，個(gè)別海豹可能會(huì)發(fā)現(xiàn)這些勇闖極地的學(xué)者，并對(duì)它們顯示出濃厚興趣，開(kāi)始跟隨；興趣一濃，身心便難免蕩漾——這是動(dòng)物中招麻醉劑后的必然表現(xiàn)，麻醉以后就要貼標(biāo)簽：研究人員將海豹后頸處的皮毛通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂膠水與衛(wèi)星標(biāo)志緊密粘接。待它快恢復(fù)清醒時(shí)，招募者悄然離去。

當(dāng)蘇醒后的它們重回冰山附近的海域游弋，當(dāng)它們把頭探出水面呼吸，當(dāng)它們深潛抵達(dá)海床以尋找食物，當(dāng)它們?cè)跀?shù)月內(nèi)穿梭于十幾萬(wàn)平方公里的區(qū)域，合計(jì)潛水上萬(wàn)次，那些頭頸上的精密設(shè)備會(huì)把采集到大量的水溫和鹽度數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)前的科學(xué)家，用于分析阿蒙森海域的水流及冰架特性。

隨著日久年深，衛(wèi)星標(biāo)志將不可避免地脫離海豹，散落深海。或許后世的某些探險(xiǎn)家、歷史家和小說(shuō)家會(huì)稱(chēng)它們?yōu)椤扒按Ｑ髮W(xué)的殘骸碎片”。

“世界科學(xué)”聯(lián)合“賽先生”微信公號(hào)，在上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助下，開(kāi)辟本專(zhuān)欄——“走近科學(xué)”欄目，對(duì)獲得國(guó)家及上海市科技獎(jiǎng)勵(lì)的成果進(jìn)行科普化報(bào)道。

編輯：jq