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用高科技工具研究鲸鱼

斯坦福大学的研究人员用手持天线扫描蒙特雷湾的电波,聆听蓝鲸的声音——或者,更准确地说,他们聆听他们贴在蓝鲸身上的吸吸标签。第一声“哔”声响起,船长把船划向航线,按照加速的信号寻找浮出水面的巨人。三名工作人员必须在它消失在海底、从雷达上看不见它之前找到它,并对它进行10分钟的研究。[注:本研究在新型冠状病毒大流行之前进行,并根据目前的研究操作指南暂停。]

这支快节奏的追逐队伍来自斯坦福大学霍普金斯海洋站人文与科学学院生物学助理教授杰里米·戈德伯根的实验室。在蒙特雷湾和世界各地,Goldbogen和他的团队使用无人机、声音测绘设备和传感器包装的标签,来揭示罗尔角鲸的生活和生物学特征——这种大型鲸鱼通过扑向成群的猎物和通过须鲸片过滤水来进食。这些动物包括座头鲸、小须鲸、鳍鲸,当然还有蓝鲸,它们身长近100英尺,是已知的最大的生物。

“有史以来最大的动物不可能呆在大楼里的实验室里,所以我们一直在开发技术,在了解动物如何在公海上活动方面,突破了极限,”戈德伯根说。

即使是科学家们能够捕捉到的关于鲸鱼的最基本的信息,也能帮助提高保护工作,并为启发鲸鱼的技术提供信息,比如更灵活的船只。他们对揭示如此巨大的动物的生命是如何运作的特别感兴趣,这让他们提出了一个令人惊讶的简单问题:鲸鱼吃多少?它们在进食上要消耗多少能量?它们能长到多大?它们是如何运动的?他们的心率是多少?

“鲸鱼甚至比恐龙还要大,它们能在我们所在的地球上长到这么大,真是太神奇了,”Goldbogen实验室的研究生Shirel Kahane-Rapport说。“我们研究它们是因为,就它们的体型而言,它们要面对所有其他动物从未经历过的复杂的行为和环境相互作用。”

多年来,实验室的研究方法已经详细说明了鲸鱼是如何觅食的,为蓝鲸容易与货船相撞提供了解释,并揭示了以前从未有记录的座头鲸游泳时的划水行为。

全方位研究

在水面上,这个研究小组由大约40人组成,分散在一个小型、混杂的船队中,船队包括大型研究船和小型刚体充气船。这些科学家代表了许多合作机构,包括莫斯兰丁海洋实验室、卡斯卡迪亚研究集体、国家海洋和大气管理局以及加州大学圣克鲁兹分校。这些人一起表演一种复杂的数据收集舞蹈,第一步是观看鲸鱼。

坐在其中一艘大型船只上,观测者引导小船寻找鲸鱼并做标记。如果一切顺利,这艘小船就会停靠在一头浮出水面的鲸鱼旁边,一名研究人员就会用一根6米长的碳纤维杆子在鲸鱼身上贴上标签。吸盘附着标签的设计可以持续12-24小时,但通常可以持续几天。不过,这个过程说起来容易做起来难。航行速度很快,起伏不定,做标记的研究人员必须爬上一个突出船头的小金属讲坛,才能到达鲸鱼。

蓝鲸以明显的模式起起伏伏——通常在水下10分钟,在水面上3分钟——有时会提前通知研究人员,这要归功于它们的蓝色光芒。相比之下,座头鲸更具挑战性,移动速度更快,更不容易预测。

“我们很幸运能做这个标签;能够如此接近这些雄伟的动物,”Goldbogen实验室的前研究生戴维·凯德(David Cade)说。“你只有很短的一秒钟,但你记得每一个,每次你拿出标签。”

理想情况下,当标签被贴上时,小船上的另一名研究人员会同时用一支低强度弩射出的特殊箭对这头鲸鱼进行穿刺活检。箭头的头部会收集一小块鲸脂,而不是标准的尖端。几乎在它接触之后,箭立刻落入水中,研究人员把它捡了起来。如果活组织检查没有在标签放置的同时进行,研究人员可以利用标签的信号再次追踪鲸鱼——最好是有来自同一头鲸鱼的标签和活组织检查数据,而不是来自两头不同的鲸鱼。

当这一切都发生在小船上时,大船正在进行他们自己的项目。他们部署了一架大型无人机从上方记录鲸鱼的活动,同时启动基于声波的设备来绘制鲸鱼下方捕食的鱼类和磷虾。

仅从标签上,研究人员就可以看到鲸在潜水和觅食过程中如何移动的视频、音频和3-D痕迹,它们可以将这些痕迹与声音猎物地图相匹配。活组织检查可以提供每只鲸鱼的性别、它们之间的关系以及它们的激素水平等信息。先前的鲸鱼大小记录依赖于搁浅和捕猎,而无人机调查的样本更能代表当前的鲸鱼数量。

“我使用的数据来自古老的挪威捕鲸公报,它很酷,但只记录鲸鱼被杀,”kahan - rapport说。“他们可能猎杀最大的鲸鱼,所以这可能改变了鲸鱼的数量。我们想知道它们现在的尺寸。”

总而言之,这些研究人员的工作构建了一幅活生生的鲸鱼个体如何在水中生长、移动、捕食和维持自身生存的画面。

“你需要像杰里米这样的团队,才能以这种方式进入这个不可思议的生态系统,”戈德伯根实验室的博士后学者马修·萨弗卡(Matthew Savoca)说。“你让人们衡量所有这些不同的方面,他们会一起制作一个真正完整和不可思议的故事。这是一次奇妙的经历,一个人是无法完成的。”

这是一个肮脏的工作……

马修·萨弗卡(Matthew Savoca)收到鲸鱼粪便的新鲜样本,这可能是世界上最快乐的事了。Savoca是Goldbogen实验室的一位博士后学者,他正在收集这些看起来令人不安地类似于莓汁的样本,以验证鲸鱼吃什么来评估它们的健康和生态系统的健康。具体来说,他对微小的塑料碎片感兴趣,这些碎片通常是塑料在海洋中浸泡和翻滚时分解而形成的。如果磷虾和鱼类食用了这些微塑料,鲸鱼最终可能会吃到含有塑料的猎物。

“这些塑料会聚集污染物。它们可以庇护病原体,”Savoca说。“所以,即使它们看起来很小、无害,这些塑料实际上可能是疾病和污染的媒介,远远超过塑料本身的物理危害。”

除了他的粪便学研究,萨瓦卡还分析脂肪活检。如果鲸鱼吃的是塑料,鲸脂可能含有能说明问题的化学物质,如阻燃剂或增塑剂——添加到材料中使其更有弹性的物质。除了了解对鲸鱼的影响外,这项研究还可以揭示海洋中塑料的总体含量。

萨瓦卡说:“一只蓝鲸一天可以过滤2500万升水,相当于10个奥林匹克游泳池的水。”“因为他们每天都要对海洋进行大量采样,所以他们为我们做了很多工作。所以,为什么我们不让他们告诉我们,我们的水域被塑料污染得有多严重?”

艺术和工艺

多年来,实验室定制标签的复杂性不断增加。为了快速、实惠地尝试新标签,该实验室采取了Goldbogen所说的“工艺美术”方法。他们几乎总是依靠现成的传感器和一个简单的3d打印外壳,他们还与澳大利亚的一家标签制造公司密切合作,将所有部件组装在一起。来自过去研究的标签,现在已经损坏或过时,在被称为“鲸鱼标签墓地”和“鲸鱼标签名人堂”的实验室的架子上赢得了一席之地。

该实验室最新的标签创新是一个心率监测器,它通过植入吸盘中的两个电极检测心脏电信号。这台监视器在蓝鲸第一次外出时就开始工作了,研究人员首次记录了蓝鲸在潜水、进食和浮出水面时的心率。

其中一艘小船也是一种改进型捕食声纳的试验场。通常情况下,这种声纳是在较大船只的船体上部署的,但如果他们能在较小的船只上使用这种技术,他们就能评估离鲸鱼更近的猎物,从而更详细地了解鲸鱼的进食行为。

在发明新技术、收集水上数据和对鲸鱼进行重大发现的兴奋中,戈德伯根最珍视的工作是如何让他的学生受益。

“对我来说最有意义的事情是看到学生们承担起这些角色和责任,做着如此出色的工作,”Goldbogen说。“通常,我能做的一件事就是站到一边,让他们开始领导并承担起这些责任。看到一个多年来一直致力于这个项目的学生脸上的笑容,真的很有意义。”

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