浮游生物泵助力棘皮動物幼體的垂直分布研究

法國索邦大學科學家Morgane Guillam基于浮游生物泵原位大體積過濾的采樣方法，采集了法國布雷斯特灣和杜阿爾內灣兩個不同水動力環境條件下的棘皮動物幼體，并進行了系統分析，探索了棘皮動物幼體在垂直方向上的不同分布和擴散模式。

研究背景

棘皮動物在許多海洋生態系統的結構和功能中發揮著關鍵的作用，其種群密度的爆發和死亡易交替、周期性地出現，這種豐度迅速而劇烈的變化可能對生態系統的多樣性、恢復力和功能產生重要的生態后果，但目前人們對出現這種現象的原因知之甚少。一些人認為可能是由人為因素造成的，如水質退化，海洋資源的過度開發，甚至是引入入侵物種；也有人認為，棘皮動物物種本身的特定生活史（如體外受精、浮游營養化幼體發育）也可能介導了其成蟲種群豐度的變化。

棘皮動物幼體的擴散取決于水環境物理特性（主要是局部流體動力學）和不同的生物特性（產卵行為、浮游幼體持續時間、活躍幼體行為、幼體死亡率和定居行為等）之間復雜的相互作用。不同的幼體行為（如垂直位置的調節、主動垂直遷移、被動下沉）可能會導致其出現局地尺度水平分布的差異。目前，人們對棘皮類幼體的垂直遷移行為過程知之甚少。

本研究以水動力環境對比鮮明的杜阿爾內灣和布雷斯特灣作為研究地點，基于不同的水動力環境差異條件下，研究棘皮動物幼體在垂直方向上的不同分布和擴散模式。

研究過程

采樣工作于2014年7月16-17日和2015年7月16-17日進行，采樣地點分別位于布雷斯特灣和杜阿爾內灣的中心區域（圖1），采樣日期處于目標物種（蛇尾類幼體）的長時間繁殖期。

圖1 布列塔尼（法國）布列斯特灣（Br）和杜阿爾內灣（Dz）采樣點的位置。

每小時在3個不同深度（1.5-3m，10-12m和17-26m，分別對應表面、溫躍層和近底水層）采集棘皮動物幼體樣品，使用可潛入水中的浮游生物泵（圖2）進行采樣。本次研究使用的浮游生物泵來自KC Denmark A/S公司，型號為23.570，由泵和收集器兩部分組成。泵由不銹鋼制成，流量為300L/min。本研究采用80μm網目，可以收集所有目標物種的所有幼體階段。采集的樣品使用96%乙醇保存，以待后續分析。此外，使用ADCP、CTD、PAR等設備，并結合三維水動力模型MARS，研究了采樣區域的局部流體動力學。

圖2 KC Denmark A/S公司浮游生物泵，型號23.570

研究結果

兩個海灣的水溫垂直剖面存在差異。在杜阿爾內灣，整個調查過程中水柱分層，溫躍層位于8.9-15.6 m之間（圖3），水溫變化范圍為14.6（底部）-19.8°C（水表），日間最高。相反，在布雷斯特灣，沒有觀察到垂直分層，溫度在16.6 ~ 17.5℃之間變化。杜阿爾內灣的模擬流速范圍在2.10-5 ~ 0.27 ms-1之間，流速隨深度而變化，表層較高，向底部降低，且水流方向隨潮汐變化，夜間在9m深度觀察到動態分層，水流方向反轉；而布雷斯特灣的模擬流速范圍在2.10-5 ~ 0.48 ms-1之間，水流速度在垂直方向上是均勻的。

圖3 杜阿爾內灣（左欄）和布列斯特灣（右欄）環境參數的垂直剖面圖。

對蛇尾幼體進行實驗室分析后的結果顯示：在杜阿爾內灣，海蛇尾（Ophiocomina nigra）幼體占優勢，占總幼體豐度的82%；而在布雷斯特灣，脆刺蛇尾（Ophiothrix fragilis）幼體以78%的豐度占優勢。在杜阿爾內灣，海蛇尾幼體主要分布在水表（3 m）和中層水體（10-12 m），且晝夜有差異。夜間01:00至次日清晨，水表幼體濃度較高（圖4）；白天，海蛇尾幼體主要分布在溫躍層及以下。而在布雷斯特灣（圖5），幼體垂直分布均勻，夜間和白天的垂直分布沒有顯著差異。

圖4 杜阿爾內灣3種水深下棘皮類幼體的濃度與晝夜和潮汐的關系

圖5 布雷斯特灣3種水深下棘皮類幼體的濃度與晝夜和潮汐的關系

研究結論

本文在兩個對比鮮明的水動力環境中，研究了蛇尾類幼體的垂直分布情況，并發現在布雷斯特灣，由于強烈的垂直混合作用，所有幼體都均勻分布在水柱中；相反，杜阿爾內灣，觀察到海蛇尾幼體的晝夜垂直遷移現象，幼體在夜間上升到水表。兩個海灣中的這些不同模式證實了潮流對幼體通量的影響。

參考文獻

1. Guillam M, Bessin C, Blanchet-Aurigny A, et al. Vertical distribution of brittle star larvae in two contrasting coastal embayments: implications for larval transport[J]. Scientific Reports, 2020, 10(1): 12033.