极地动物如何应对连续数月的严寒黑暗

世界上高海拔和低海拔地区的冬季对任何人来说都不是件好事。北极和南极的极夜期间，太阳可能会消失数月，气温可能会骤降至零下 40 华氏度以下。食物难以获得，狂风猛烈而持续。

然而，有些动物坚持留在原地，而另一些动物则迁徙以逃离严寒和黑暗。尽管这片土地看起来很荒凉，但生命不会因为极夜降临而停止。在陆地、海洋和其间的冰面上，动物们继续进食、睡觉和交配。

“北极冬季的生物数量比人们想象的要多，”渥太华国家野生动物研究中心的研究科学家格兰特·吉尔克里斯特说，该中心由加拿大环境与气候变化部管理。“冰层下的生物往往比我们想象的更加活跃。”

近年来，科学家们对在黑暗中生存的顽强动物有了新的认识。但是，这些动物是如何在这里生存的呢？

土地

一些勇敢的动物在苔原上过冬。麝牛嗅出雪下的植物，它们长着比羊毛温暖八倍的厚厚内毛。驯鹿也依靠两层外毛来保暖。虽然它们的鼻子可能不会发光，但鼻子里充满了血管来温暖吸入的空气。它们甚至有应对黑暗的诀窍。阿拉斯加大学费尔班克斯分校的生理学家科里·威廉姆斯说：“在弱光条件下，驯鹿的眼睛具有这种特殊的适应能力，使它们能够比普通眼睛使用更多的紫外线。”能够看到紫外线光谱有助于驯鹿辨别雪中的植物。

北极熊依靠嗅觉在冬季寻找晚餐，同时依靠太阳落山后残留的微弱光线。“尽管我们认为这是持续的黑暗，但实际上并非持续的黑暗，”威廉姆斯说。北极狼可以在月光和星光下狩猎，并利用灵敏的鼻子在 1 英里外找到猎物，从而忍受四个月的冬季黑暗。

随着冬季的临近，其他生物会躲进地下。“雪下有一个完整的生态系统，我们在地上看不到任何东西，”威廉姆斯说。白鼬、旅鼠和田鼠会躲到积雪下面的空间。啮齿动物会钻过雪地寻找前一年留下的种子和植被。其他动物，比如威廉姆斯研究的北极地松鼠，则会在冬天冬眠。到 12 月，它们小洞穴周围的土壤会冻结，降至 -13 华氏度（风寒效应之前，地表温度可达到 -76 华氏度）。

冬季食物匮乏。“这绝对是食物匮乏的时期，”威廉姆斯说。“冬眠动物通过在夏季储存大量脂肪来应对这种情况。”其他动物则采取更激烈的措施。一些啮齿动物会在冬季缩小体型，以便减少能量需求；田鼠可以缩小部分内脏和肌肉质量，而鼩鼱实际上会缩小骨骼，威廉姆斯说。

尽管寒冷令人难以忍受，但它并不是决定极夜生命如何度过的关键因素。挪威特罗姆瑟北极大学的海洋生物学家 Jørgen Berge 在一封电子邮件中表示：“光照远比温度重要，尤其是在极地地区。”阳光意味着温暖和光合作用，但它也会设定我们的生物钟。

在北极地区南部，光线仍会在白天和晚上发生微妙的变化。“太阳从不升起，但会逐渐升起，”威廉姆斯说。但越往北走，维持昼夜节律就越困难。昼夜节律控制着睡眠模式、消化、体温和其他功能。在北极的冬季，许多动物完全不再遵守 24 小时的日常作息时间。北极地松鼠在北极夏季的恒定日照下保持昼夜节律，但在冬季冬眠时则不会。斯瓦尔巴驯鹿和旅鼠等啮齿动物采用较短的进食、消化和打盹周期。“它们不是每天都有固定的睡眠时间，而是在一天中的不同时间段分散睡眠，”威廉姆斯说。其他动物，比如类似于鸡的岩雷鸟，在冬季的睡眠和活动模式没有明显的节律。

对于人类来说，扰乱生物钟会扰乱新陈代谢，久而久之会增加患癌症和心脏病的风险。但科学家认为北极动物不会因为这种变化而受到损害。“它们已经很好地适应了这种情况，所以不会出现同样的问题，”威廉姆斯说。然而，极地生物在失去昼夜节律后如何避免健康问题尚不清楚。

大海

人们曾认为极夜下的海洋是一片荒芜、休眠之地。毕竟，没有阳光，浮游植物就不会生长。这些藻类和其他光合生物为磷虾等海洋动物提供食物，而磷虾又成为更大、更具掠食性的生物的食物。

“我们所有人，包括我自己，都曾经认为极夜是没有生物活动的时期，”伯杰说。“现在这种观点已经彻底改变了！” 2007 年，伯杰意外发现极夜期间海洋是多么繁忙。那年冬天，他的声学传感器捕捉到了浮游动物在斯瓦尔巴群岛附近海域来回游动的证据，斯瓦尔巴群岛位于挪威和北极之间。

这种大规模迁徙在世界各地的海洋中都有发生——这些微小的生物在夜间游到海面觅食，然后在白天撤退到更深的水域躲避捕食者。这被称为昼夜垂直迁徙，可能是地球上最大的每日迁徙。但没有人想到它可以在黑暗中继续进行。

此后，伯吉和同事们观察到，在冬季，这种迁徙取决于月光。他们在《当代生物学》杂志上写道：“就像神话中的狼人的狩猎行为受月光驱动一样，我们的数据揭示了月光驱动的现实。”然而，这些小动物以什么为食——以及它们为什么不断回到地面——还不完全清楚。

年复一年，伯吉和他的团队在极夜期间重返海洋，观察海洋动物的活动。在水面以下 20 至 40 码的深处，发光浮游动物发出的光芒足以盖过月光和任何微弱的太阳光。磷虾用它们灵敏的眼睛充分利用了冬季的黑暗。当没有新鲜的浮游植物时，扇贝靠吃漂浮的碎屑来保持稳定的生长速度。

这里还有大型动物，包括成群的水母、虾、北极鳕鱼和鱿鱼。科学家们甚至看到海鸟潜水觅食。更重要的是，它们的肚子很饱。“它们每天都要靠寻找食物为生，”伯杰说。“在我看来，看到一只小海雀或海鸠肚子里塞满了磷虾或桡足类动物，这些食物在几个小时内就被发现并吃掉了，这是系统全面运转的最有力证据。”

不管怎样，这些鸟儿们在黑暗中还是能捕猎。但这并不意味着它们在发现光亮时不会利用光亮——海鸠和海鸠似乎会被潜水灯和港口灯的光束所吸引。

然而，对于其他动物来说，人造光实际上是一种滋扰。伯奇和他的同事于 1 月 10 日在《科学进展》杂志上发表文章称，即使是小型研究船的柔和光线也足以让浮游动物逃走。“这是因为它们天生与环境紧密相关——它们适应了对光线哪怕最微小的变化做出反应，”他说。“这意味着它们‘天生’容易受到突然而明亮的人造光的影响！”

研究人员派出一艘机器人皮艇记录浮游动物在船发出的光亮内和远离光亮处的活动。结果表明，浮游动物试图逃离这种不自然的光线，潜入大约 80 码深的水下。这表明，极夜期间北冰洋中的生物数量比科学家迄今为止能够追踪到的还要多。

冰

随着冬季的到来，覆盖极地海洋的浮冰不断增多，开阔水域变得越来越难找。这对海鸟来说是个坏消息，因为它们需要潜入水面以下才能找到晚餐。墨西哥湾流使挪威海岸沿线的欧洲北极地区部分地区无冰，因此绒鸭和其他海鸟可以在这里过冬，但这只是例外，而不是常态。“大多数鸟类都在迁徙，想逃离那里，”吉尔克里斯特说。

不过，也有少数鸭子不会走远。哈德逊湾绒鸭在加拿大的贝尔彻群岛过冬。“这里位于北极圈以南，但气候和条件绝对像北极，”吉尔克里斯特说。白天只有几个小时，暴风雨期间气温可降至 -31 华氏度，风速为 75 英里/小时。

“但那里有海鸟，它们在黑暗中生活，”吉尔克里斯特说。这是因为岛屿的形状和强大的潮汐流使得冰层包围的开阔水域得以形成。这些被称为冰间湖的地貌成为绒鸭的家园。白天，它们在水下寻找贻贝和海胆。黄昏时分，它们回到冰层边缘，挤在一起以节省能量。“然后到了晚上，北极狐和北极熊就会飞来，吃掉弱者和栖息在群体边缘的鸟类，”吉尔克里斯特说。

事实上，冰面上散落着死去的绒鸭，但捕食者们却视而不见。“当它们冻成固体时，北极狐很难真正吞下它们，”吉尔克里斯特说。“那只狐狸宁愿杀死一只新鲜、温暖的鸟，然后迅速吃掉它。”

他和同事还观察到，雪鸮会在冬季跟随鸭子出海并在冰面上栖息。加拿大北极地区的大多数雪鸮会在安大略省的草原上过冬。但“这些雪鸮中有些在冬季实际上是海鸟，它们以浮冰上的海鸟和海鸭为食，我猜它们会利用黑暗的优势，”吉尔克里斯特说。

有时，冰间湖会形成在足够靠北的地方，一旦极夜降临，动物们就有地方栖息。埃尔斯米尔岛和格陵兰岛西北部之间的北海冰间湖就是这样一个避风港。“那里的海洋哺乳动物会在完全黑暗的环境中过冬三个月，”吉尔克里斯特说。“关键是开放的、可预测的水域让它们能够呼吸到空气。”这吸引了海象、白鲸、独角鲸和海豹。

有一种鸟似乎确实会在极夜里停留，那就是象牙鸥，它们在加拿大和格陵兰岛之间的水域过冬。“它们大部分时间都在黑暗中度过，如何勉强维持生计真的很难知道，”吉尔克里斯特说。众所周知，象牙鸥以鱼和在冰上产仔的海豹胎盘为食。吉尔克里斯特说，这种相当灵活的饮食可能有助于象牙鸥利用任何觅食机会，即使在黑暗中。

在南极洲，帝王企鹅也必须忍受极夜。这些鸟类以勇敢面对漫长寒冬而闻名，雄性企鹅在孵蛋期间要禁食 100 多天。大多数企鹅会忍受这个冬天，撤退到内陆，但科学家本月早些时候报告说，一些帝王企鹅会呆在海冰边缘附近。这意味着它们有时间在产卵前潜水进食，而不必像同类那样禁食很长时间。圣地亚哥斯克里普斯海洋研究所的生物学家、合著者杰拉尔德·库伊曼告诉《大众科学》 ：“它们通常是视觉捕食者，但企鹅可以在夜间进食。我认为这只企鹅就是一个例子。”

神秘领土

伯吉目前正在进行第七次极夜研究考察，他希望在此期间找出需要多少光污染才能扰乱当地的浮游动物。几周前，他和同事驾驶一艘小船离开了大船，那是它们冬天的第二个家。一旦他们逃离人造灯光，生物发光就会令人叹为观止。“你可以看到你脚下生物光的奇迹——蓝绿色的光闪耀在任何地方，”他说。

事实证明，破冰船是研究极夜最舒适、最安全的地方。研究人员对冬季海洋中发生的事情的了解比对陆地或浮冰的了解要多。“科学家们在北极冬季夜间前往野生动物出没的地方时受到了限制，”吉尔克里斯特说。通常，他们能做的最好的事情就是在温暖的月份将卫星发射器安装在动物身上，并在冬季用它们来追踪它们的活动。

对于吉尔克里斯特来说，船只并不是一个选择。“北极许多对海洋鸟类来说很重要的沿海地区都是‘未知的’，隐藏着危险的水下暗礁和浅滩，”他说。“我试图去那些活动频繁的地方……狐狸、熊、绒鸭和海鸟聚集的地方，还有雪鸮，很多活动都发生在我们无法到达的浮冰上。”

因此，他与经验丰富的因纽特向导一起露营，并设置了胶合板观察棚，炉子可将温度升至 -4 华氏度。吉尔克里斯特说，这“就像坐在冰箱里一样。如果你犯了一个错误或被淋湿了，你可能会丧命；这是一项非常危险的工作。”

极夜生态系统及其周边地区虽然极端，但也很脆弱。北极的变暖速度比地球上任何其他地方都要快。这意味着极地海域的冰层将减少，冬季光线可以到达更深的水域。此外，航运路线将进一步向北推进，带来大量人造光。伯杰的研究表明，这对习惯于在极度黑暗中生存的海洋生物来说可能是一个问题。

科学家们还担心北极地区冬季降雨会变得更加普遍。当雨水落到地面并结冰时，它会封住啮齿动物、驯鹿和麝牛生存所需的植被。“它们不是挖雪，而是遇到冰，”威廉姆斯说。未来几年，麝牛可能不再能够生活在西伯利亚或阿拉斯加，可能只能在遥远的格陵兰岛北部找到。

关于动物如何度过极夜，我们仍有许多未解之谜，更不用说它们在气候变化面前有多脆弱。但黑暗和严寒的天气无法阻止身着防寒服的科学家重返这个恶劣的环境，或尽可能靠近它，以求一探究竟。