藍色趣聞｜發生在海底的搬家故事

2011年4月底，著名科學雜誌Science曾刊發了我為聯合作者的一篇文章。文章主要講了海洋表面的漩渦對海洋深處的生物群落遷徙的影響，簡單地說，就是海底生物群落如何搭乘海洋表面漩渦的「順風車」搬家的故事。

大洋中脊——海底黑煙囪的發源地

這個故事先要從大洋中脊說起。大洋中脊是海洋深處的巨大山脈。這裡同時也是生成新的海洋洋殼的地方。在洋中脊火山口，灼熱的岩漿由地幔向上涌，逐漸冷卻，結合周圍已軟化的岩石形成新的洋殼。新生成的洋殼擠壓洋中脊兩邊已有的地殼，使之不斷向外擴張，最終在板塊的交界邊緣俯衝回地幔。因此，洋殼在洋中脊出生，在板塊與板塊的撞擊中消亡，如此代謝不止。

圖一：全球大洋中脊的分布位置（來源：USGS）

與大洋中脊相伴的有很多海底火山。有時候，這些火山會露出海面形成島嶼，最著名的便是冰島。儘管大洋中脊是如此巨大的地形結構，但直到20世紀50年代，通過大量的海洋調查，科學家們才對其分布有了比較全面的認識。

正因為大洋中脊深處岩漿不斷上升，所以中脊附近有一種特殊的地質奇觀——熱液出口。這種是一種類似陸地上的溫泉的結構。它是這樣形成的：冷的海水順著海底岩石的縫隙進入洋殼的深部，接觸到被岩漿灼熱的岩石後發生反應。反應後的海水變成高溫高壓富含礦物質的水，稱為「熱液」。上涌的熱液噴出洋殼頂部，與冰冷的海水相遇。熱液冷卻過程中，礦物從其中析出，並且就近沉澱在噴出口的四周，日積月累下來就形成了一個個高高低低的像煙囪般的噴口。「煙囪」噴出來的熱液如果有豐富的金屬離子和硫離子，當熱液與冷的海水混合時，黑色的金屬硫化物會迅速沉澱下來，由此形成「濃煙滾滾」的「黑煙囪」。也有一些小的煙囪噴出的熱液溫度稍低，流速較小，且其中含有較多的硅離子和鈣離子，由此就會成為冒出二氧化硅和石膏的「白煙囪」。

左圖:黑煙囪形成過程示意圖。①冰冷的海水通過縫隙滲到海底的地層中。②高溫的海水與海底地層的岩石發生一系列化學反應，海水變成了成分複雜的熱液。③熱液的密度較小，從而穿過海底岩層上升。④熱液離開了煙囪口與冰冷的海水混合，黑色的金屬硫化物迅速沉澱，形成黑色的「濃煙」（來源：WHOI）。右圖：正冒著黑煙的海底黑煙囪（來源：wikipedia）。

「玫瑰花園」——神奇的熱液生態圈

大洋中脊不僅孕育了海底黑煙囪這樣的地質奇觀，更令人驚奇的是，在這個被陽光「遺忘」的角落，還存在著一類特殊的生物群落。1977年，世界著名的載人潛水器阿爾文號（ALVIN）在東太平洋的加拉帕戈斯（Galapogos）群島洋中脊地帶考察熱液活動時，意外地發現了在熱液出口附近有一片甚至比熱帶雨林更為生氣勃勃的生物群落。那是一片很美麗的景色，有著如雪片般密集的微生物，如白色的貝、蟹和紫色的魚、蝦等。最奇妙的是，那裡有大片大片紅白相間的如同盛開的玫瑰一般絢爛的「花朵」。於是，科學家們給這裡取了一個美麗的名字——「玫瑰花園」。

熱液出口附近的玫瑰花園（來源：National Geographic, Photograph by Emory Kristof）

美麗的「玫瑰」即現在幾乎已經成為海底熱液生態系統典型代表的管狀蠕蟲（tubeworm）。管狀蠕蟲是一種大型環節動物，生活在熱液口附近溫度為15℃～20℃的地方（來源：WHOI）。

寂寞的海底因為有了「玫瑰花園」從而熱鬧了起來。

和我們常見的基於光合作用的生態系統不同，熱液出口處的生態系統是基於化能合成作用的。在這個小系統中，能夠利用熱液裡面的硫化物獲取能量的細菌是最基本的生物。在這些細菌提供的能量的基礎上，熱液出口處還生活著多種其他生物。2007年，我也有幸乘坐阿爾文號下到2400多米的東太平洋中脊。在那裡，我親眼目睹了長達2米的管狀蠕蟲、貝類、白色大螃蟹以及粉紫色的大丑魚等。它們都是一派活得很愜意的樣子。

中尺度渦——搬家的順風車

美麗的事物總是短暫的。同樣，靠抽熱液出口的「煙」活著的玫瑰花園並不長久。熱液出口不穩定，有時候會突然大規模地噴發。隨著研究的不斷深入，海洋學家們發現了一個奇怪的現象：發生比較大型的噴發時，熱液出口附近的所有生物幾乎都會死亡，但等噴發過去後，生物群落很快又會重新出現在新的熱液出口。

也許你會覺著新群落的出現是很自然的現象，但其實海底生物群落中與化能合成細菌共生、處於最基礎營養級的管狀蠕蟲要「搬個家」並不那麼容易。首先，海底的溫度非常低。在我們觀測的東太平洋海底，水溫大概為2℃，而管狀蠕蟲的幼蟲在這麼低的溫度下，並不能存活很久，大概只能活一個月。另外，這些生物幼蟲幾乎沒有游泳的能力，所以它們不可能自己游到新的熱液出口。科學家曾經認為的一個比較可能的原因是大洋中脊附近的海流把幼蟲帶了過去。不過，後來科學家們觀測海底的海流非常弱，距離我們觀測到的噴發後又有生物出現的熱液出口最近的生物群落也有300多公里。非常弱的海流是不可能在幼蟲死亡之前把它們運到這麼遠的地方的。

那麼，還會有什麼具有更強大力量的「順風車」呢？

大洋中的中尺度渦一般是指水平直徑為百公里量級的海面凸起或下凹。伴隨著這些海，表面特徵會有比較強的海流，而這些海流大多圍著凸起或下凹的中心做順時針或逆時針運動。中尺度渦會是接下來幾十年海洋學的研究熱點。它不但對海洋的熱量、動量傳輸有貢獻，而且影響海洋的生產力等，因為伴隨著這些渦會有較強的上升或者下降流，而這對營養物質的垂向輸運相當重要。

2004—2005年，我們在東太平洋中脊區域放置了十幾個海流計，把它們都掛在錨定在海底的浮子上面。這樣，它們就能測量海底不同深度的海流變化。此外，我們還布放了可以測量生物幼蟲數目及沉積物的儀器。通過觀測，我們發現，大多數時候，大洋中脊附近的流場比較弱，也很穩定，但在某段時間流速會突然反向並強度明顯增強。當分析同時期的衛星資料時，我們發現，在海底流速變化的時候，有一個直徑300多公里的中尺度渦旋正好經過我們的觀測點。然後，結合數值模型及生物幼蟲和沉積物的觀測數據，我們推測出：正是海面的那個大渦旋影響到了幾千米深的海底，由它導致的海流讓熱液口的蠕蟲幼蟲搭上了搬家的順風車。

研究區域的地理位置，圖中白色五角星顯示的是研究觀測點。由特旺特佩克地峽海灣和帕帕加約海灣產生的中尺度漩渦影響著東太平洋海隆。East Pacific Rise: 東太平洋海隆。Mexico:墨西哥。Gulf of Tehuantepec: 特旺特佩克地峽海灣。Gulf of Papagayo:帕帕加約海灣。（來源：Adams et al., 2011, Science。）

我們的工作除了解釋了熱液出口生物群落的遷徙問題，還發現了另外一個問題——在太平洋東部的這些中尺度渦旋的強度和數量跟給人類帶來眾多災難的厄爾尼諾現象之間有一定關係。也就是說，當厄爾尼諾現象發生時，不但我們人類會受到影響，連躲在海底幾千米的生物也會通過這些大渦旋受到間接的影響。這也告訴我們：地球是一個高度耦合的系統，真算得上「牽一髮而動全身」。

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