大閘蟹背上的超聲波信號、海豹頭頂的衛星定位，科學如何追蹤生物的水下運動？

01

洄游者的環形軌跡

中華絨螯蟹往往會在圣誕節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，那嵌著要熟不熟的精子的秋齡精巢、由黃變棕并繼續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生猛烈的交合呼應，喚起了這些節肢動物的奔走本能。

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，機體內那股原始的混沌越發得到滿足。

游行終點通常是長江入海口的咸淡水混合區域，如九段沙水域和銅沙淺灘。

終點的產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——交配并產卵，雄蟹交配結束后即死亡，雌蟹則于產卵后的六七個月內油盡燈枯。新生命將在未來一年內生長發育，游向淡水，最終再洄游繁殖，理所應當地走完從未見過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的環形美學。

人們依據在九段沙等水域的動態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量據說一度超過一百噸，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，數量不斷銳減，到1997年，人類只網出了可憐的0.8噸毛蟹，糟糕狀況一直持續至2004年。

不過從2005年開始，長江口的成蟹資源得到顯著且持續的恢復，到2011年，年捕撈量又回到30噸以上，這與大規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

圣誕節也是水產研究所成員的重要工作節點，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，接著先后在室內的水泥池和水槽中飼養7天和一個月，每日定點投喂活食。

當然，安穩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據翻譯為水深信息。

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，同時把信號接收端露出來，鋼管的安置處為船舷兩側；追蹤工作很可能是為期數月的持久戰，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，收集大量數據……

再者，當繁雜的追蹤收集任務告一段落，沉浸式的數據分析工作就開始了。研究者求助于統計學，開展縝密的方差分析，繪制目標在各水平區域出現的頻次分布，以及總頻次隨時間的變化曲線，此外還根據水壓數據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建絨螯蟹人工生態系統，彌補天然棲息地破壞的問題，最終實現蟹資源恢復的目的，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，但研究團隊還是得到了它們想要的結果，簡要概括為這么幾條：

洄游絨螯蟹的主要活動區域是深水航道南北兩側的堤壩附近水域。

它們在1月份時更多在中游區域出沒，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

借助遙測技術探索水下生態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，和另一種規格更高、成本更貴的衛星遙測，并為水生生物遙測（aquatic telemetry monitoring）領域的雙子星，是研究者們入海尋蹤的必備法寶。

據一篇于2015年發表在《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的研究數量快速增加，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星或超聲波設備觸摸。

衛星遙測技術的最大優勢在于時空不受限。覆蓋全球的Argos衛星系統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星標志的生物，追蹤目標到千里之外；而且鑒于它可搭載續航能力極強的電池系統（如太陽能電池），因此往往能跟隨某個生物長達數年之久。

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系統，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模生物監測。

當然，“生物監測”一詞的含義在人類靈活變通的應用技巧之下不光可以是“去監測生物們”，也能變作“用生物們去監測”。有的科學家嘗試以海洋動物為媒介去監測海洋本身，如給南極海豹戴上衛星標志，然后派它們去南極西部的冰川水域收集水溫和鹽度數據，用以分析那一帶的冰蓋融化速率。

04

南極邊緣海里的數據采集大師

科學界一直都很關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，免不了系統性地采集大量的、貫穿全年的溫度-鹽度-深度數據。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域的情況。（只能通過固定在海底的系泊設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，個別海豹可能會發現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，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氧樹脂膠水與衛星標志緊密粘接。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，當它們在數月內穿梭于十幾萬平方公里的區域，合計潛水上萬次，那些頭頸上的精密設備會把采集到大量的水溫和鹽度數據發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，衛星標志將不可避免地脫離海豹，散落深海。或許后世的某些探險家、歷史家和小說家會稱它們為“前代海洋學的殘骸碎片”。

“世界科學”聯合“賽先生”微信公號，在上海市科學技術委員會資助下，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