原來,南極洲並未與世隔絕

原來,南極洲並未與世隔絕
Photo Credit: Andrew Mandemaker@Wiki CC BY SA 2.5
我們想讓你知道的是

橫跨DNA分析和洋流動力學的合作研究顯示,外來物種還是有機會在南極洲落地生根。  

唸給你聽
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文:Johanna L. Miller
譯:朱家誼

南極的生命非常地與眾不同:除了我們熟知的企鵝、海豹和其他大型動物之外,這片地球上最南端的陸地和水域,也孕育了特有的苔蘚、地衣、水藻、魚類和無脊椎動物社群。這裡的生態系統可以說從1萬8000年前的末次冰盛期(Last Glacial Maximum)結束後,幾乎就與世界脫鉤了。

這樣的閉關修練非常不正常,就算南極大陸距離其他陸地真的不近,但其他遙遠的陸地和小島的生態系統也沒這麼孤僻。廣大的海洋通常不至於阻隔物種遷徙;生物體本身有足夠的能力在海上飄、在天空飛,或是莫名其妙被外帶到新的棲息地。

但南極大陸硬生生的被強風和洋流包圍住,這種特殊的環境使得北方暖水無法進入南極,也使生物無法藉由空中或海上漂移,成功登陸南極大陸的海岸線。(想知道更多關於南冰洋的洋流請參閱Adele Morrison、Thomas Frölicher和Jorge Sarmiento在Physics Today 2015年一月號第27頁的文章)這樣的物理屏障使得自然遷徙幾乎不可能發生,生物要移居南極大陸只能靠人類外送。為了避免物種偷渡成功,要去南極大陸的不管是研究員還是遊客都必須要經過很嚴格地檢查,以確保他們沒有挾帶任何外來的泥土、種子或昆蟲。

在澳洲國立大學(Australian National University)任職的凱麗溫德.弗雷澤(Ceridwen Fraser)、愛黛兒.莫里森(Adele Morrison)及他們的同事,證實了上述的推論其實不正確;就算有洋流和風的阻隔,低緯度的動植物三不五時就會被漂流到南極大陸。其實這些新物種不是不想定居下來,而是因為南極的氣候非常惡劣,在他們還沒成功之前就先成仁了。不過由於全球氣候變遷,南極洲的生態也可能會跟著改變。

流浪的海藻

智利康塞普西翁大學(University of Concepción)的海洋生物學家埃拉斯莫.馬卡亞(Erasmo Macaya)2017年初曾到南極大陸做科學研究,卻因為一些陰錯陽差使得他在考察站上好幾個禮拜無事可作。當他在喬治王島(King George Island,就位於細長的南極半島端點旁)的海灘上散步時,他發現了一株漂流上岸的南極公牛藻(southern bull kelp);很巧的,3個禮拜之後他的同事又發現另一株。

雖然南極公牛藻(見圖一)在南半球幾乎隨處可見,但是目前南極洲還沒聽說有。馬卡亞發現這個植物好像跑錯棚、也知道弗雷澤會感興趣,所以就寫信給弗雷澤。

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圖由埃拉斯莫.馬卡亞提供
圖一、南極公牛藻在開闊的海洋上可以用幾百天的時間漂浮幾千公里。不僅可以在冷水裡活得好好的,也已經佔據南半球許多離島,而且現在已經知道他們甚至可以跑到南極大陸。(圖由埃拉斯莫.馬卡亞提供)

弗雷澤研究南極公牛藻怎麼遷移、如何攜帶其他物種已經有十多年的時間了。這種水藻會在潮間帶的石頭上生長,因此必須面對潮間帶上的強浪和水流。當宿主石頭破碎後海藻就會飄走,不過海藻的浮力和生命力可以讓它繼續漂浮、生存且保持繁衍能力好幾年。南半球的海洋裡隨時大概都有7000萬珠海藻在漂流著,而其中超過四分之一的海藻上還有其他物種當乘客。寄宿在水藻上的軟體動物和其他貝類或甲殼類動物有機會繼續存活,甚至可能在海上繁殖好幾代。

來自智利、紐西蘭和很多小島的南極公牛藻基因上各有一些微小的差異,因此可以得知各株水藻的來源。弗雷澤說「但是要取到水藻好的DNA並不容易,因為他們凝膠狀的物質會影響基因反應。」弗雷澤的研究不僅僅是到處收集水藻樣品而已,她的工作也包含創造新的實驗方法採集DNA。

當發現喬治王島的水藻樣品時,弗雷澤的水藻基因差異資料庫已經頗完整了,在比對了1萬6000組DNA基對後,找到了這些新發現水藻的故鄉:一株來自大西洋的南喬治亞島(South Georgia Island),位於南美洲南端的東邊;另一株則是來自印度洋的凱爾蓋朗群島(Kerguelen Islands)。這是首次在南極岸邊發現來自亞南極的物種。

穿越洋流

不過這些海藻到底怎麼跑到南極大陸的?而且這些海藻是特例、還是已經有很多還未被察覺的偷渡成功案例?要調查這些事情,弗雷澤就找了經驗豐富的南冰洋建模學家莫里森。

根據傳統的模型,向東流的南極繞極流(Antarctic Circumpolar Current)北向分量足以阻隔任何北方來的漂浮物。不過更細緻的模型還放入了大型洋流之外可以帶著物體漂移的方式,而且就像莫里森發現的一樣,模擬中放入一些小規模的機制就可以定性上改變整個結果。

這其中的一個機制就是加入直徑大約幾十公里渦流型(eddy current)的亂流。「我們本來以為只要模擬中加入渦流就有辦法看到往南的漂移,」莫里森繼續說道「我們很訝異這個機制的效應如此微弱。」就如圖二a裡褐色軌跡顯示的,這些從南喬治亞釋放的粒子雖受渦亂流影響依然一路向北,根本連接近南極大陸的機會都沒有。

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圖片來源:1. C. I. Fraser et al., Nat. Clim. Change 8, 704(2018). https://doi.org/10.1038/s41558-018-0209-7
圖二、海洋環流模擬位於大西洋南喬治亞島的測試漂浮物是否有機會被送到南極大陸上。褐色的軌跡是沒有飄流到南極大陸的軌跡,而藍色的則是有到達的。這三張圖分別是加入(a)渦流但沒有司徒克漂送(b)有司徒克漂送但沒有渦流(c)同時有渦流和司徒克漂送的情形。

其實離解開謎團只缺了另一個效應,一種被稱為司徒克漂送(Stoke drift)的非線性波現象。一般對表面波的描述都是他們只傳遞能量,不會傳遞物質;但是這並不完全正確。司徒克漂送就是一種順著表面波傳播方向緩慢但穩定地輸送水的現象。

海洋模型沒有精緻到可以把表面波的所有性質都考慮進去,而通常司徒克漂送都被認為是可忽略的現象。不過由於南冰洋的海浪都很大,在有暴風雨的情形下出現10~15公尺高的巨浪都很稀鬆平常,所以莫里森就決定嘗試加入司徒克漂送看會有什麼影響。

但就像圖二(b)顯示的,只考慮司徒克漂送依然無法使粒子突破南極繞極流而向南移;不過如果同時考慮渦流和司徒克漂送事情就很不一樣了,就如圖二(c)所示,許多模擬中的粒子開始可以登陸南極大陸。到達的比率雖然不高,例如從南喬治亞釋放的粒子只有0.2%成功、從凱爾蓋朗群島和另外兩個亞南極的地方釋放的更是只有0.0001%~0.01%,但是每年會有上百萬株南極公牛藻在海上漂流,這小部分經年累月累積起來也是不得了的數量。

而且這有可能是被低估的比率,莫里森說:「我們還沒有考慮風力的影響,這些風可以像推動帆船一樣推動漂浮物。」風力的影響或許沒有這麼重要,畢竟這些水藻大部分都潛在水裡;不過風吹的方向通常和水的表面波傳地方向是同向的,任何風造成的影響都可能增加司徒克漂送的效應,換句話說可以把更多粒子往南極大陸推。

不確定的未來

根據莫里森的粗估,任何時刻可能都有100株海藻停留在南極大陸的海岸上,換算起來就是沿著海岸線每200公里就有一株。這樣的數量其實早已可以入植(ecological colonize)南極了,但是由於太稀疏所以不太會被注意到。「有趣的是,去年發現的海藻並不是唯一一次的事件,」弗雷澤說「當我們的文章發出去後加州大學柏克萊分校(University of California, Berkeley)植物標本館的研究員就聯絡我們,他告訴我們他們的收藏品裡就有一株1989年在南極大陸找到的南極公牛藻,只是當時並不知道這發現的重要性。」

這麼多海藻入侵南極大陸卻沒有形成聚落,最有可能的原因還是環境因素──這些海藻和它們帶的乘客無法承受這麼寒冷的氣候。這個看法可能會影響我們對南極大陸歷史的理解和未來的預測。這個大陸上獨特的動植物演化並非如過去所想的是因為沒有和其他物種有接觸,而是因為只有它們能適應南極環境。

但是南極洲是全球暖化最快的地方之一,也因為這樣的環境變化,南極的動植物會同時面臨兩種威脅:不僅僅是要努力讓自己適應較溫暖的環境,還要和其他已經適應暖環境的外來新物種競爭。推測改變最大的地方會是在南極的潮間帶,目前這區還沒有什麼生物存在,連石頭也被冰刷洗的乾乾淨淨。南極公牛藻一旦進駐就可以為非常多種物種提供足夠的食物和掩蔽,也會大大改變當地的生態系統。

重要的是弗雷澤、莫里森和他們的同事所作的結論只是個描述、並非預測而且還存在非常多未知數。「我們的模型可以用來解釋正在發生的事情,」弗雷澤說「但是對於未來會發生的事情時只能給個大方向而已。」譬如說這些研究並沒有說什麼樣的外來物種最有機會在南極生存下來或是哪個南極本地物種最容易被消滅。南冰洋的風、洋流和暴風也會因氣候變遷而改變,但是現在還不知道這會增加還是減少物種南向漂移。這些問題得先解決才有辦法對南極生態的未來有更清楚的圖像。

本文感謝Physics Today(American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, September 2018 雜誌內(Physics Today 71, 9, 14(2018); https://doi.org/10.1063/PT.3.4012);原文作者:Johanna L. Miller。中文編譯:朱家誼 博士,國立中興大學物理系 博士後。
Physics Bimonthly(The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today(American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Johanna L. Miller, and are published on Physics Today 71, 9, 14(2018);https://doi.org/10.1063/PT.3.4012). The article in Mandarin is translated and edited by Dr. Chia-Yi Ju, working on Department of Physics, National Chung Hsing University.

本文經物理雙月刊授權刊登,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航

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