大海深處的危險與生機

大海深處的危險與生機
知識通訊評論第92期

海洋生物學家無意間碰上海底火山爆發，促使他們探究自然災難後海底生態世界的物種絕滅和驚人重生，這其中的複雜關聯影響，使科學家覺悟出對海洋認知的有限。

海底火山爆發

一九九一年四月，距墨西哥阿卡波可外海九百公里的海底火山突然爆發，攝氏一千兩百度的高溫熔岩瞬間注入攝氏二度海水，景象彷彿世界末日來臨。紐澤西州羅格斯大學的海洋生物學家盧茲(Richard Lutz)與他的同事，正在那海面下兩千五百公尺進行研究，親身經歷了這場「大風暴」。

研究人員的潛艇離爆發點有段距離，但微生物碎屑如「雪片」般在他們四周紛飛的景象，可知爆發造成的嚴重破壞。從海底熱泉持續冒出的硫化氫及其他化學物質，使得細菌在噴口滋生，細菌又進而滋養了蛤蜊、螃蟹、貽貝及龐大管狀蠕蟲等一些有機生物，造就生態多樣性。這次火山爆發使得生物幾無倖存。

然而這塊位於北緯九度五十分的東太平洋上升海床，並未就此生機滅絕，相反的，爆發讓一切重新開始。盧茲和研究同仁也因此得以觀察生態如何恢復舊觀。他們在海底熱泉噴口區裝設監控設備，定期回來檢視，詳細紀錄死後重生的真實海底戲碼。十五年後大自然再次上演同樣戲碼，研究人員口中對此處簡稱的「北九」，二○○六年再次的爆發。

同樣在那海區從事研究、麻薩諸塞州伍茲霍爾海洋學研究機構的生態學家穆里尼克斯(Lauren Mullineaux)表示，「這是全球深海火山噴發僅有的完整周期觀察紀錄」。「北九」讓海洋生物學家頭一次觀察到物種的重回海底噴發口，以及後續的生機盎然，上次爆發之後四年的觀察，研究人員終於可以針對這些物種「來自何方？」「如何遷徙？」、「族群數量隨時間有何變化？」等較困難問題提出解答。

「棲地替換推動演化過程，導致新物種誕生。」

——弗瑞仁霍克

管狀蠕蟲

但觀察所獲不止於此。加州蒙特利灣水族研究所的分子生態學家弗瑞仁霍克(Robert Vrijenhoek)指出，「棲地替換推動著演化過程，導致新物種誕生及基因多樣性。」藉在地球各處發掘的更多海底熱泉噴口，研究人員對散布於地形崎嶇海底中相距甚遠的生命之島，逐漸解開其間的複雜關聯性。這些地點的共通地質特性，是都有噴發礦物質的海底熱泉噴口及巨大山脊與谷地，但是所衍生的物種卻不一定相同。研究人員正試圖解開謎團。

快速延續

與盧茲一同進行研究的WHOI海洋生物學家鮮克(Timothy Shank)表示，從「北久」一眼就可看出當地生物族群正快速重建。一九九一年爆發後堆疊在火山周圍的層層微生物碎屑，最先吸引的蝦類、蟹類及魚類等囓食者，其中有原來生存於噴口的，也有來自他處的。爆發後不到一年，管狀蠕蟲也回來了，先是習於高濃度硫化物的耶利歌蟲(Tevnia jerichonana)，後幾年隨著硫化物濃度降低，就被一叢叢巨形管蟲取代。

數以千計的管狀蠕蟲，在海水展開一束束長達兩公尺的強韌管子，為其他有機體提供了營養豐富的棲身地。蝸牛、蟹類及蝦群跟著進駐。一幕幕都是外界從未見過的生物延續過程。但是在深海熱泉噴口周圍活動的有機物，究竟是出自當地，還是從遠方而來，此問題尚待釐清。鮮克表示，由於之前此區未有詳細研究，所以是否火山爆發改變了物種組成，還不清楚。

於深海熱泉噴口周圍的生物種苗，許多是固置於海床或依附其他有機體成長，但幼期大多隨洋流任意浮游到新居所。穆里尼克斯專精於海洋種苗研究，她的研究團隊從一九九一年「北九」爆發後就開始紀錄當地種苗生態，已在不同深海及海床蒐集了許多種苗，以了解深海熱泉噴口區的物種數目及組成。

穆里尼克斯研究團隊在二○一○年發表論文，指出二○○六年火山爆發以後，「北九」深海熱泉噴口周圍的生物種苗組成明顯變化。爆發前當地常見的物種，爆發後竟然絕跡，即便是在方圓數公里內就有可的再定殖區。相反的，原本少見的物種，爆發後卻族群繁盛。

海洋生物學家盧茲

該團隊並在「北九」區海底熱泉噴口的北方三百公里，發現一個從未見過的生物種苗，一種攀附在岩壁上名為Ctenopelta porifera的蝸牛，穆里尼克斯表示，「這說明了生物種苗在海底熱泉噴口外移動的範圍，超乎我們的想像」。

穆里尼克斯與研究團隊在二○○一年已計算，出生命週期為一個月的種苗，從「北九」外移範圍絕大多數在方圓六十公里內，最遠可達一百公里處。縱使種苗生命週期長於一個月，移動區域並不會更廣，因為洋流每幾個星期就會沿著海底山脊回流，限制了物種移動範圍。所以為何Ctenopelta porifera蝸牛可以遷徙三百公里，令人費解。

複雜的洋流

研究人員是以測量在海底山脈頂端某一定點洋流流動來作計算，並假設整個區域中洋流的方向及速度均相同。紐約哥倫比亞大學拉蒙特-多爾蒂地球觀測站的海洋物理學家桑海爾(Andreas Thurnherr)指出，「在全球海洋的許多地方都可以做這樣的假設，但『北九』崎嶇地形完全打亂洋流的流動」。

為了對洋流做更精確的評估，桑海爾、穆里尼克斯及研究同仁在海底山脈的頂端及兩翼，放置了十五個洋流觀測器，同時放出兩具活動式洋流測量儀，在海床及山頂間來回移動，一路紀錄數值。結果發現近山頂洋流流速比起遠離山頂處來得快，山脈東翼的洋流向南流，山脈西翼的洋流向北流。

讓研究人員意外的是，接近海床的洋流強勁，每秒移動約十公分。桑海爾表示，這與他們在其他深海海底觀察的較弱以及較寬洋流明顯不同，這或許也解釋了，為何Ctenopelta porifera物種可以移動這麼遠的距離。

穆里尼克斯指導過的研究生亞當斯(Diane Adams)揭開了另一個奧秘。她注意到在「北九」，當海水密度不同與地球自轉相互作用而產生旋轉水流的海面漩渦從上面經過時，種苗數目就會變少。

研究人員並不認為海面漩渦可以通達海底，但是在海面漩渦流經後短時間內，就能接受到旋轉水流的訊號，穆里尼克斯認為，海面漩渦其實可以將物種掃離山脈，這正是物種散布的重要因素。

過去數十年來，化能合成生命研究者對地質與洋流的互相作用一直相當著迷。佛羅里達州邁阿密大學海洋生物學家寇文(Robert Cowen)就說，「這對天然災害後的再定殖，以及海洋生物的演化連結性都相當重要」。

研究人員還想了解，為何位於海洋不同地區的維生化學物質存在處，可以養活截然不同但也相互重疊的物種聚合。到底這些物種來自何方？他們誕生於海底熱泉噴口，還是來自地底滲出硫化氫與碳氫物質(例如甲烷)的淺水冷泉口？有機物，例如有的專吃鯨魚屍體散發的硫化物質，在化能合成生命族群間關聯產生何種作用？

生物學家在海底熱泉發現一種名為Ctenopelta porifera的蝸牛

數百萬年來，這些海洋物種演化路徑的趨同及趨異，取決於種苗適應洋流、地理阻礙及海床地形變化的能力，期間若有少數物種能突破地理阻礙移動到他處，就有與其他生物族群基因交換的機會。在賓州州立大學海洋生物學家費雪(Charles Fisher眼中，這種關聯影響層面「甚為驚人」。

長途載送

費雪研究團隊發現，生活於墨西哥灣冷泉口的和生活於非洲奈及利亞西岸的某些管狀蠕蟲及蚌類物種，雖分隔兩地但彼此基因相關，顯示相距一萬公里遠也阻擋不了兩地基因交換。雖然研究人員還不清楚，這種相互關聯性在物種世代交替過程中如何發展，但他們推論可能是大西洋赤道區深層環流，其流向會隨著海水深度改變為向西或向東，因此帶著物種雙向移動。

有的種苗因地形阻礙，移動一小段距離後停留，而形成種化。位於東北太平洋長達四百五十公里的布朗哥變形斷層，在華盛頓州及奧勒崗州外海分隔了胡安德富卡及戈達山系個兩板塊。弗瑞仁霍克研究團隊發現，在胡安德富卡及戈達兩個版塊區出現外形相似的蝸牛，牠們基因互相關聯卻屬不同物種，物種趨異的演化時間約達一千一百萬年，和布朗哥斷層形成時間一致。

物種族群的基因流動從北區到達南區，與該區洋流流向相穩合，例如生活於該斷層兩端的管狀蠕蟲，他們的基因雖稍有不同，卻是相同物種。弗瑞仁霍克指出，「地理阻礙並非對所有動物有相同影響，以管狀蠕蟲而言，只要其物種生命期夠長或是停留水層位置適宜，都可能突破地理阻礙」。

在其他地點，地理變化可能導致物種區隔。例如位於東加勒比海的婁戈契夫海底熱泉噴口，是大西洋中脊區唯一已知的vesicomyid蛤類存活地，但是該蛤類在太平洋各區十分常見。有些研究人員因此認為，該種蛤類可能來自太平洋，是巴拿馬地峽五百萬年隆起以前，由北美及南美之間的一條古代水道遷徙至大西洋。

北卡杜克大學海洋研究室深海生物學家范多佛(Cindy Van Dover)和其他海洋生物學家認為，該蛤類物種可能以前在大西洋區相當常見，未必來自太平洋，「只是未蒐得足夠證據支持這個論點」。這突顯了此一相對來說較新研究領域目前的限制：科學家對化能合成生命分佈僅有粗淺認知，遑論了解其關聯運作機制及物種。

至目前為止，世界上僅發現約兩百個海底熱泉及數十個冷泉噴口。英國國家海洋學中心的海洋生物學家，同時擔任國際海洋生物普查計劃深海化學合成生態系統生物地理學議題主席的泰勒(Paul Tyler)表示，「絕大部分的海洋還未探索，為解答物種演化謎團，在某些地點卻碰到關鍵性難題」，譬如北極和南極的厚冰層及險惡海象，都是探索上的極大挑戰。

科學家也注意到，三個地殼板塊在智利三叉點(Chile triple junction)交會，造成智利海底山脈的隱沒。泰勒認為，「此處有海底熱泉和冷泉噴口相互臨近的情形，是研究熱泉和冷泉噴口周圍生存動物間演化關係的最佳地點」。

巨大的未知

許多研究者認為，加勒比海區，特別是臨近大開曼島的中開曼海底隆起，幾乎未被探索，困擾深海生物學界的部分問題，或許可以在此找到答案。位於此區域海平面下約五千公尺海底的熱泉噴口，周遭存有未曾紀錄的極端環境狀況，也可能存有新的物種。要研究巴拿馬地峽在海底熱泉噴口生存物種的關聯性及演化趨異扮演的角色，該處是個理想地點。

vesicomyid蛤類

研究人員很想了解，中開曼海底隆起的動物群，究竟是和巴拿馬地峽另一邊的東太平洋海底隆起接近，或是和大西洋中脊區的關係較接近。WHOI海洋地球化學家、同時擔任深海化學合成生態系統計畫共同主持人的裘曼(Chris German)，二○○九年十月帶領一探測隊伍，在中開曼海底隆起附近偵測到熱液流訊息。隨後到達的英國國家海洋學中心探索人員，在海面下五千公尺深處發現了海底熱泉噴口，這是目前發現最深的一個。

雖然研究人員未說明在該處還發現了什麼，但是裘曼預告大家隨時等待新發現，「幾年前，我們自以為已經完全瞭解了地理阻礙與洋流的知識，足以預知將有的發現，但是每次我們都發現許多未知的東西」。