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

01

洄游者的環(huán)形軌跡

中華絨螯蟹往往會在圣誕節(jié)前的三個月里體驗生命的熾烈奇魅和詭譎無常。一入秋，它們的性腺便開始成熟、膨大、增重，儲存起越來越多的生命的基質(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，與來自水體鹽分的刺激發(fā)生猛烈的交合呼應，喚起了這些節(jié)肢動物的奔走本能。

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

游行終點通常是長江入?？诘南痰旌蠀^(qū)域，如九段沙水域和銅沙淺灘。

終點的產(chǎn)卵場是洄游者生命活力的頂點。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)卵后的六七個月內(nèi)油盡燈枯。新生命將在未來一年內(nèi)生長發(fā)育，游向淡水，最終再洄游繁殖，理所應當?shù)刈咄陱奈匆娺^的父輩曾走完的軌跡。

生死同源，舊去新來。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。

人們依據(jù)在九段沙等水域的動態(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60年代初的成熟中華絨螯蟹年產(chǎn)量據(jù)說一度超過一百噸，但到1969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至幾十噸，而從1983年開始，數(shù)量不斷銳減，到1997年，人類只網(wǎng)出了可憐的0.8噸毛蟹，糟糕狀況一直持續(xù)至2004年。

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

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，它們在這一天放歸14只抱卵的中華絨螯蟹。一個多月前，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天和一個月，每日定點投喂活食。

當然，安穩(wěn)的陸上暫居和即將失而復得的水下自由需要體力活來交換。在從水泥池轉(zhuǎn)居水槽的當兒，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志，型號為MM-M-11-SO-TP，分a、b、c三個重量級，最沉的c級有11克。被“招募”的蟹兒自重約130克，倘使負上最沉的器件，外加本就不輕松的腹間生命的重量，未來的前行還是有一定壓力的。

顧名思義，超聲波標志通過傳送超聲波信號來標記自己所處的方位。如果你指望它去跟蹤某個水下生物的活動，除了要想辦法把它妥帖牢固地附于目標物，還需做好繁冗的配套服務工作。

首先，你得準備好若干水聽器——用于轉(zhuǎn)聲信號為電信號，信號接收器——處理并分析來自水聽器的電信號，以及計算機——將超聲波信號里的水壓數(shù)據(jù)翻譯為水深信息。

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

直接接收聲信號的水聽器需固定于鋼管內(nèi)，同時把信號接收端露出來，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們的坐標、坐標處的水壓和溫度，收集大量數(shù)據(jù)……

再者，當繁雜的追蹤收集任務告一段落，沉浸式的數(shù)據(jù)分析工作就開始了。研究者求助于統(tǒng)計學，開展縝密的方差分析，繪制目標在各水平區(qū)域出現(xiàn)的頻次分布，以及總頻次隨時間的變化曲線，此外還根據(jù)水壓數(shù)據(jù)分析了目標在不同時間段更喜歡活動于哪個水深。

研究者從45個候選者里挑選出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)的活動習性：它們在哪個月更喜歡移至哪片水域，體驗哪種鹽度，待在哪處水深，感受哪個溫度。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)，彌補天然棲息地破壞的問題，最終實現(xiàn)蟹資源恢復的目的，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態(tài)，但研究團隊還是得到了它們想要的結(jié)果，簡要概括為這么幾條：

洄游絨螯蟹的主要活動區(qū)域是深水航道南北兩側(cè)的堤壩附近水域。

它們在1月份時更多在中游區(qū)域出沒，隨著時間推移，活動重心東移，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）。由此可見水深偏好隨時間變化顯著。

03

水下遙測雙寶

借助遙測技術(shù)探索水下生態(tài)已成為如今科學界的一股熱潮。用在絨螯蟹身上的超聲波遙測，和另一種規(guī)格更高、成本更貴的衛(wèi)星遙測，并為水生生物遙測（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》雜志上的綜述，從1986到2014年的近30年間，基于水生動物遙測技術(shù)的研究數(shù)量快速增加，尤其是后10年的增長堪稱爆炸式，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)星遙測技術(shù)的最大優(yōu)勢在于時空不受限。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)星標志的生物，追蹤目標到千里之外；而且鑒于它可搭載續(xù)航能力極強的電池系統(tǒng)（如太陽能電池），因此往往能跟隨某個生物長達數(shù)年之久。

它的缺陷是標志物尺寸偏大，難以附給某些小型生物，另外成本偏高，不適合追蹤目標較多的研究。衛(wèi)星遙測的重點應用對象包括哺乳動物、爬行動物、鳥類以及部分軟骨魚（英文叫elasmobranch，與之相對的硬骨魚英文名teleost）。

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

當然，“生物監(jiān)測”一詞的含義在人類靈活變通的應用技巧之下不光可以是“去監(jiān)測生物們”，也能變作“用生物們?nèi)ケO(jiān)測”。有的科學家嘗試以海洋動物為媒介去監(jiān)測海洋本身，如給南極海豹戴上衛(wèi)星標志，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

科學界一直都很關(guān)注南極洲西南邊緣海阿蒙森海的冰蓋，因為那里有兩處流失嚴重的脆弱冰川——松島冰川和思韋茨冰川幾乎每天都在以肉眼可見的速率變薄變少，裂縫變多變長。研究人員預計南極洲西邊地界的冰川融化可能導致海平面上升3.2米，而松島和思韋茨冰川的流失將是此過程的兩大主力推手。

要想建立對阿蒙森海的冰川消融情況的全面認知，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)。夏季時的收集工作相對簡單，然而到了冬天，厚重的海冰會擋在研究者的船只面前，使其難以探查海面區(qū)域的情況。（只能通過固定在海底的系泊設(shè)備獲得某幾個特定水下位置的信息。）

于是科學家將能游善潛的南極海豹招至麾下。

“招募”過程并不輕松，零下九度的南極海面寒風掃蕩，惡浪洶涌，用某位招募者的話說，行船遇浪時的感覺就像是“在某個主題公園游樂設(shè)施上蹦蹦跳跳時，有人將一桶冰水潑你臉上了”。不過艱苦不白費，個別海豹可能會發(fā)現(xiàn)這些勇闖極地的學者，并對它們顯示出濃厚興趣，開始跟隨；興趣一濃，身心便難免蕩漾——這是動物中招麻醉劑后的必然表現(xiàn)，麻醉以后就要貼標簽：研究人員將海豹后頸處的皮毛通過環(huán)氧樹脂膠水與衛(wèi)星標志緊密粘接。待它快恢復清醒時，招募者悄然離去。

當蘇醒后的它們重回冰山附近的海域游弋，當它們把頭探出水面呼吸，當它們深潛抵達海床以尋找食物，當它們在數(shù)月內(nèi)穿梭于十幾萬平方公里的區(qū)域，合計潛水上萬次，那些頭頸上的精密設(shè)備會把采集到大量的水溫和鹽度數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機前的科學家，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)星標志將不可避免地脫離海豹，散落深海?；蛟S后世的某些探險家、歷史家和小說家會稱它們?yōu)椤扒按Ｑ髮W的殘骸碎片”。

“世界科學”聯(lián)合“賽先生”微信公號，在上海市科學技術(shù)委員會資助下，開辟本專欄——“走近科學”欄目，對獲得國家及上海市科技獎勵的成果進行科普化報道。

編輯：jq