你知道我们是怎么追踪生物的水下运动的吗

大闸蟹背上的超声波信号、海豹头顶的卫星定位，科学如何追踪生物的水下运动？

01

洄游者的环形轨迹

中华绒螯蟹往往会在圣诞节前的三个月里体验生命的炽烈奇魅和诡谲无常。一入秋，它们的性腺便开始成熟、膨大、增重，储存起越来越多的生命的基质，那嵌着要熟不熟的精子的秋龄精巢、由黄变棕并继续变豆沙色的丰硕卵巢，以及快速变化中的身体组织成分，与来自水体盐分的刺激发生猛烈的交合呼应，唤起了这些节肢动物的奔走本能。

它们被盐分牵引着，离开幽暗的洞穴与河草丛，载着坚硬宽阔的背甲奔向盐度更高的海洋。游得越远，盐分刺激越强，性腺成熟越快，机体内那股原始的混沌越发得到满足。

游行终点通常是长江入海口的咸淡水混合区域，如九段沙水域和铜沙浅滩。

终点的产卵场是洄游者生命活力的顶点。中华绒螯蟹将幽居生活积攒的全部力量喷薄于这处江海交汇地——交配并产卵，雄蟹交配结束后即死亡，雌蟹则于产卵后的六七个月内油尽灯枯。新生命将在未来一年内生长发育，游向淡水，最终再洄游繁殖，理所应当地走完从未见过的父辈曾走完的轨迹。

生死同源，旧去新来。它们的自然生命周期是如此契合生命循环的环形美学。

人们依据在九段沙等水域的动态捕捞情况划定出最利渔获的蟹汛期：11月中下旬的十来天为初汛期，11月底至12月中旬为旺汛期，中旬到圣诞节前后则属尾汛期，旺汛期的收获常常超过全汛期所得的六成。

至于以吨为单位的每年捕获量是多少，那就不好轻易回答了：20世纪60年代初的成熟中华绒螯蟹年产量据说一度超过一百吨，但到1969年，蟹黄鲜美、蛋白丰富的它们仅仅只有1.25吨，之后十余岁的大闸蟹年收又恢复至几十吨，而从1983年开始，数量不断锐减，到1997年，人类只网出了可怜的0.8吨毛蟹，糟糕状况一直持续至2004年。

不过从2005年开始，长江口的成蟹资源得到显著且持续的恢复，到2011年，年捕捞量又回到30吨以上，这与大规模的增殖放流行动以及捕捞方式的改变分不开。人类在积极地恢复中华绒螯蟹资源。

02

放归与追踪

圣诞节也是水产研究所成员的重要工作节点，它们在这一天放归14只抱卵的中华绒螯蟹。一个多月前，他们从一网渔获中选出两百多只体格相近的健全雌蟹，均已有孕在身，接着先后在室内的水泥池和水槽中饲养7天和一个月，每日定点投喂活食。

当然，安稳的陆上暂居和即将失而复得的水下自由需要体力活来交换。在从水泥池转居水槽的当儿，研究人员往45只蟹的背甲上各粘了一块电子器件——产自加拿大科技公司的超声波标志，型号为MM-M-11-SO-TP，分a、b、c三个重量级，最沉的c级有11克。被“招募”的蟹儿自重约130克，倘使负上最沉的器件，外加本就不轻松的腹间生命的重量，未来的前行还是有一定压力的。

顾名思义，超声波标志通过传送超声波信号来标记自己所处的方位。如果你指望它去跟踪某个水下生物的活动，除了要想办法把它妥帖牢固地附于目标物，还需做好繁冗的配套服务工作。

首先，你得准备好若干水听器——用于转声信号为电信号，信号接收器——处理并分析来自水听器的电信号，以及计算机——将超声波信号里的水压数据翻译为水深信息。

其次，你必须把教科书里的追踪体系灵活应用于现实场景：超声波标志的信号传播范围相当有限，多则几公里，少的也就几百米，如果所处水域环境噪音大，实际范围还会变小，作为标志的跟踪者，你要尽可能确保自己和各种路设备始终处于“窃听”范围；

直接接收声信号的水听器需固定于钢管内，同时把信号接收端露出来，钢管的安置处为船舷两侧；追踪工作很可能是为期数月的持久战，你要和同事们定期扫描目标们的坐标、坐标处的水压和温度，收集大量数据……

再者，当繁杂的追踪收集任务告一段落，沉浸式的数据分析工作就开始了。研究者求助于统计学，开展缜密的方差分析，绘制目标在各水平区域出现的频次分布，以及总频次随时间的变化曲线，此外还根据水压数据分析了目标在不同时间段更喜欢活动于哪个水深。

研究者从45个候选者里挑选出14只，其直接目的就是试图了解抱卵中华绒螯蟹在繁殖区的活动习性：它们在哪个月更喜欢移至哪片水域，体验哪种盐度，待在哪处水深，感受哪个温度。知道了这些，我们或许能有法可循地构建绒螯蟹人工生态系统，弥补天然栖息地破坏的问题，最终实现蟹资源恢复的目的，以人之力壮蟹之族。

虽然从放归日到翌年５月上旬的10次追踪显示，越来越多的放归者失去音讯——最后一次追踪甚至只收到了两只蟹的动态，但研究团队还是得到了它们想要的结果，简要概括为这么几条：

洄游绒螯蟹的主要活动区域是深水航道南北两侧的堤坝附近水域。

它们在1月份时更多在中游区域出没，随着时间推移，活动重心东移，到4月，下游水域成为绒螯蟹更喜欢的地方。

1月上旬→2月上旬→2月下旬→４月上旬，绒螯蟹的栖息水深为8.25（±3.35ｍ）→11.10（±2.64ｍ）→6.35ｍ→9.89（±2.59ｍ）。由此可见水深偏好随时间变化显著。

03

水下遥测双宝

借助遥测技术探索水下生态已成为如今科学界的一股热潮。用在绒螯蟹身上的超声波遥测，和另一种规格更高、成本更贵的卫星遥测，并为水生生物遥测（aquatic telemetry monitoring）领域的双子星，是研究者们入海寻踪的必备法宝。

据一篇于2015年发表在《科学》杂志上的综述，从1986到2014年的近30年间，基于水生动物遥测技术的研究数量快速增加，尤其是后10年的增长堪称爆炸式，足足涨了5倍；各大洲的水下群落都已被卫星或超声波设备触摸。

卫星遥测技术的最大优势在于时空不受限。覆盖全球的Argos卫星系统能定位广阔海洋中的任一处角落，自然也可锁定任一只携有卫星标志的生物，追踪目标到千里之外；而且鉴于它可搭载续航能力极强的电池系统（如太阳能电池），因此往往能跟随某个生物长达数年之久。

它的缺陷是标志物尺寸偏大，难以附给某些小型生物，另外成本偏高，不适合追踪目标较多的研究。卫星遥测的重点应用对象包括哺乳动物、爬行动物、鸟类以及部分软骨鱼（英文叫elasmobranch，与之相对的硬骨鱼英文名teleost）。

超声波标志不能离开固定在陆上的信息接收器太远，因此声学遥测研究往往落在沿海、江河口或其他淡水生态系统，以鱼类和虾蟹为主要追踪目标。但它们小巧灵便（最小的声发射器重量不到1.4克，可标记刚出生的迷你小鱼儿）且成本更低，能在群体遥测方面大显身手——很多研究团队在沿海区域分布高密度的超声波遥测阵列，搭建移动追踪平台，致力于长期有效的大规模生物监测。

当然，“生物监测”一词的含义在人类灵活变通的应用技巧之下不光可以是“去监测生物们”，也能变作“用生物们去监测”。有的科学家尝试以海洋动物为媒介去监测海洋本身，如给南极海豹戴上卫星标志，然后派它们去南极西部的冰川水域收集水温和盐度数据，用以分析那一带的冰盖融化速率。

04

南极边缘海里的数据采集大师

科学界一直都很关注南极洲西南边缘海阿蒙森海的冰盖，因为那里有两处流失严重的脆弱冰川——松岛冰川和思韦茨冰川几乎每天都在以肉眼可见的速率变薄变少，裂缝变多变长。研究人员预计南极洲西边地界的冰川融化可能导致海平面上升3.2米，而松岛和思韦茨冰川的流失将是此过程的两大主力推手。

要想建立对阿蒙森海的冰川消融情况的全面认知，免不了系统性地采集大量的、贯穿全年的温度-盐度-深度数据。夏季时的收集工作相对简单，然而到了冬天，厚重的海冰会挡在研究者的船只面前，使其难以探查海面区域的情况。（只能通过固定在海底的系泊设备获得某几个特定水下位置的信息。）

于是科学家将能游善潜的南极海豹招至麾下。

“招募”过程并不轻松，零下九度的南极海面寒风扫荡，恶浪汹涌，用某位招募者的话说，行船遇浪时的感觉就像是“在某个主题公园游乐设施上蹦蹦跳跳时，有人将一桶冰水泼你脸上了”。不过艰苦不白费，个别海豹可能会发现这些勇闯极地的学者，并对它们显示出浓厚兴趣，开始跟随；兴趣一浓，身心便难免荡漾——这是动物中招麻醉剂后的必然表现，麻醉以后就要贴标签：研究人员将海豹后颈处的皮毛通过环氧树脂胶水与卫星标志紧密粘接。待它快恢复清醒时，招募者悄然离去。

当苏醒后的它们重回冰山附近的海域游弋，当它们把头探出水面呼吸，当它们深潜抵达海床以寻找食物，当它们在数月内穿梭于十几万平方公里的区域，合计潜水上万次，那些头颈上的精密设备会把采集到大量的水温和盐度数据发送给计算机前的科学家，用于分析阿蒙森海域的水流及冰架特性。

随着日久年深，卫星标志将不可避免地脱离海豹，散落深海。或许后世的某些探险家、历史家和小说家会称它们为“前代海洋学的残骸碎片”。

“世界科学”联合“赛先生”微信公号，在上海市科学技术委员会资助下，开辟本专栏——“走近科学”栏目，对获得国家及上海市科技奖励的成果进行科普化报道。

编辑：jq