牛奶海之谜终于被解开

O1864年1月30日，美利坚联盟国军舰CSS 阿拉巴马号驶入其船长描述为“非凡的海域”的地方。阿拉巴马号沿着非洲之角向西南方向航行，是美国内战期间在世界海洋上巡航的几艘南方邦联船只之一，通过袭击联邦商船来削弱联邦。尽管船长拉斐尔·塞姆斯和他的船员是可怕的海盗，但他们被一月份那个晚上遇到的海洋吓坏了。“大约晚上八点，当时没有月亮，但天空晴朗，星星闪烁，我们突然从我们一直在航行的深蓝色海水中，进入一片如此白色的水域，这让我大吃一惊，”塞姆斯在回忆录中回忆道。

起初他认为这种苍白而持续的光芒表明水下有一条山脊，但船员从舷墙上放下的加重绳索下沉了 600 英尺，没有触底。“在地平线周围，有一种柔和的眩光或红晕，仿佛远处正在进行照明，而头顶则是阴森森的、黑暗的天空，”塞姆斯写道。“整个自然界面貌似乎都改变了，只要稍加想象，阿拉巴马号可能会被认为是幽灵船，被幽灵海病态而不自然的眩光照亮。”阿拉巴马号在这片诡异的水域中航行了几个小时，最终像进入时一样突然地离开了这片区域。

塞姆斯的亲身描述是关于这种海洋的最早可靠记录之一，它已成为对科学的宝贵贡献，尽管是无意的。现在，在将数十份历史报告与最先进的卫星数据相结合后，研究人员即将解开海洋中最持久的谜团之一——其广阔而短暂的幽灵般生物光显示。

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无声的恐惧

萤火虫、某些真菌物种和各种海洋生物发出的冷光被称为生物发光。尽管它是最古老的科学研究课题之一，但它也是最难以捉摸的课题之一。许多文化的古代诗歌和歌曲中都提到了动物发光。公元前三世纪，亚里士多德注意到，如果他用杆子敲击海面，水有时会发出明亮的蓝色闪光。三百年后，老普林尼描述了发光的软体动物、水母和蘑菇物种，并补充说，据传中欧的黑森林会发出生物发光的鸟类（尽管这些传言经常被重复，但不幸的是从未得到证实）。

大约在 1370 年，埃及动物学家达米里在他的动物学词典中收录了生物发光的昆虫。在 1492 年，哥伦布在前往巴哈马群岛的命运攸关的航行中，观察到海洋中闪烁着光芒——科学家现在推测，这种现象是由Odontosyllis属的生物发光海生蠕虫产生的，它们周期性地大量上升到水面，进行圆形交配“舞蹈”。在 19 世纪后期，经过几个世纪的推测，科学家们证实，生物发光是动物和植物细胞内酶与其底物之间氧化反应的结果。然而，基本问题仍然存在：没有人知道是什么促使不同的生物发光，也不知道光可能有什么用途。

关于陆地和海洋生物发光的大多数描述都描述了蓝绿色的闪光和微光，有时会受到干扰而激发，就像亚里士多德的杆子一样。但塞姆斯船长等人的报告表明，这是一种非常不同的现象。水手们航行的海水中弥漫着稳定的白光，而不是蓝色的爆发，而且这种光芒通常绵延数英里。“牛奶海”非常罕见且足够奇怪，以至于人们普遍认为它们是无稽之谈——可能比美人鱼的遭遇更可信，但也仅此而已。赫尔曼·麦尔维尔在他 1851 年的史诗巨著《白鲸记》中，将它们描绘成不祥之兆，描述了一位水手在进入“午夜牛奶般白色的大海”时的“无声的、迷信的恐惧”，仿佛“成群的白色北极熊在他周围游泳”。在儒勒·凡尔纳的小说《海底两万里》中，这部小说 написана 近二十年后写成，虚构的海洋生物学家皮埃尔·阿罗纳克斯对他穿越孟加拉湾牛奶海的航行并不那么不安，他平静地告诉他的助手，“令您惊讶的白色只是由无数的纤毛虫引起的，这是一种发光的小蠕虫，呈凝胶状且无色。”*

凡尔纳的领航员走对了路，但科学界在一百多年后才开始赶上科幻小说。1985 年 7 月，美国海军一艘研究船在阿拉伯半岛附近遇到了一片牛奶海。船上的科学家正在进行一项广泛的海洋生物发光研究，他们为这次幸运的遭遇做好了准备，并迅速收集了海水样本进行检查。除了与常见的闪光显示相关的腰鞭毛虫、桡足类动物和其他类型的浮游生物外，样本中还含有生物发光细菌。研究人员认为，牛奶海是在水面上的藻类群落大量繁殖并死亡后出现的。当死亡的藻类细胞破裂时，它们释放出脂类，随后被细菌消耗，然后细菌迅速繁殖，最终浓度足以产生持续的光芒。

最终，牛奶海已被确立为一种具有生物学原因的科学现象。但是，要了解它们发生在哪里、何时发生以及确切原因，研究人员需要比偶然性能够提供更多的数据。

在雪上航行

对于美国海军来说，海洋生物发光是一个实际问题，因为一片明亮的海水可以勾勒出潜艇的轮廓，使其成为容易攻击的目标。在 21 世纪初，当时在加利福尼亚州蒙特雷海军研究实验室的大气科学家史蒂文·米勒开始怀疑卫星传感器是否可以从上方探测到生物发光。唯一能够在夜间观察可见光的传感器是美国空军卫星上运行的作战线扫描 (OLS) 系统中的传感器。米勒知道，大多数海洋生物发光的地表显示都太小，无法在传感器上记录下来，因此，他一时兴起，在互联网上搜索了有关广泛生物发光的提及。他在 Science Frontiers 网站上找到了一份关于牛奶海的描述，这是一个由物理学家威廉·R·科利斯维护的“不寻常和无法解释”事件的特殊目录。

米勒的好奇心被激起，开始收集目击者报告。其中包括英国商船SS 利马号的相对较新的报告，该船于 1995 年 1 月 25 日沿着非洲之角航行穿过一片牛奶海。“生物发光似乎覆盖了整个海域，从地平线到地平线，”利马号的航海日志写道，“而且看起来好像船只在雪地上航行或在云层上滑行。”

当米勒调出利马号当天位置的 OLS 图像时，他最初什么也没看到。但是当他放大时，他看到了一片微弱的逗号状污迹。“它看起来像手指污迹，但当我移动图形时它会移动，”他回忆道。米勒发现，污迹的边缘与船舶航海日志中记录的进入和离开牛奶海的坐标相符，牛奶海覆盖了近 5,500 平方英里。当他检查利马号遭遇事件前后几天的 OLS 图像时，他发现了相同的污迹，与当地洋流协调一致地逆时针旋转。“好吧，”米勒心想，“我们可以从太空看到生物发光。”

米勒与附近蒙特雷湾水族馆研究所 (MBARI) 的海洋生物学家史蒂文·哈多克取得了联系，分享了他的发现。像米勒一样，哈多克从未亲眼见过牛奶海，但他对这种现象很熟悉，尤其因为他的导师之一，海洋生物学家彼得·赫林（现已退休）编录了数百份关于牛奶海的描述，可以追溯到塞姆斯船长和阿拉巴马号。哈多克主要研究水母的生物发光，他一生中的大部分时间都在尝试使用载人或遥控深海潜水器尽可能接近生物发光生物。他和米勒开始合作。

尽管 1995 年的 OLS 探测在某种程度上是侥幸——米勒的坚持和卫星的幸运位置的产物——但米勒希望一种新的、更灵敏的低光可见光谱仪器，称为昼夜频段 (DNB) 传感器，能够对牛奶海进行系统调查。该传感器于 2011 年发射，现在搭载在两颗距离地球表面 500 多英里的卫星上，每颗卫星每天绕地球运行。DNB 的灵敏度是 OLS 的 100 多倍，可以轻松捕捉到牛奶海的光芒。但它也可以捕捉到高层大气中紫外线吸收产生的微弱“气辉”，其中一部分被云层反射。“到处都是云。气辉向上发射，有时会形成非常弥漫的、广泛的光幕，”米勒解释道。他补充说，区分生物发光和这些其他现象“花了我们多年的时间来观察看似非常嘈杂的图像”。

由于水手们长期以来的目击记录，米勒和哈多克知道牛奶海的发生高峰期在冬季和夏季，而且它们最常在西北印度洋被报告，阿拉巴马号和利马号都在那里遇到过它们，以及印度尼西亚周围，尤其是在爪哇岛附近和班达海。米勒将搜索范围缩小到这些季节和地点，分析了 2012 年至 2021 年在无月之夜收集的 DNB 数据，最终确定了十几个事件，这些事件不是云或气辉，在白天是不可见的，并且在多个夜晚随着洋流漂移。2019 年发生在爪哇岛南部的一个事件，至少持续了 45 个夜晚，覆盖了近 40,000 平方英里——面积相当于肯塔基州。其持续数周的存在表明，DNB 传感器可用于派遣研究人员及时前往新形成的牛奶海，以便在其中进行潜水。“[从]星载测量中，您只能做这么多，”米勒说。“您无法进入水中，您看不到水中光芒的垂直结构，您无法对生物进行采样，您无法测量详细的化学成分。[对于]所有这些事情，您都需要身处其中才能真正理解。”

在米勒等待有机会身处牛奶海中心时，他继续扩大他的目击记录收集范围。最近的一个新增记录来自萨姆·凯克·斯科特，他在 2010 年夏天帮助驾驶一艘修复后的荷兰克丘克帆船从马耳他航行到新加坡，穿越阿拉伯海。七月下旬的一个晚上，当斯科特开始值班时，他注意到空气中有一种奇怪的光芒。几分钟后，他意识到，即使天空完全黑暗，他也能看到船的帆和船体；整个海洋都变亮了，似乎是从内部发光。斯科特和他的船员在这片牛奶海中航行了大约四个小时，离开时比进入时更加突然。“我们知道这是一种生物发光，但它的规模非常狂野，与我以前见过的任何东西都不同，”斯科特回忆道。

防盗警报

从远处，科学家们已经提出了关于牛奶海如何形成的各种假设。1985 年海军探险队的调查人员推测，他们收集到的生物发光细菌聚集在藻类大量繁殖的周围。其他侦探后来提出，稳定的光芒是“群体感应”的结果，即细菌通过化学信号进行交流的能力。一旦它们的密度足够高以产生可感知的集体光芒，它们就会持续发光。但为什么呢？一些生物学家认为，其他海洋生物的生物发光可以帮助它们吸引食物或配偶，或者起到一种防盗警报的作用，当它们受到攻击时闪烁，希望吸引捕食者的捕食者。细菌中群体感应的光芒可能起到不同的邀请作用：当一个菌落在开阔水域中食物不足时，它可能会发光以鼓励附近的鱼类前来吞噬细菌，从而在它们的肠道中维持细菌的生存。

DNB 十年的数据使牛奶海最常发生在冬季和夏末的想法变得复杂。当冬季和夏季季风通过将深层、寒冷、富含营养的水带到海面来触发浮游植物大量繁殖时，牛奶海形成的高峰期确实似乎在西北印度洋最强。然而，在更东的地方，牛奶海可能是由印度洋偶极子造成的，这是一种类似于厄尔尼诺现象的海面温度模式，与 5 月至 10 月印度洋东部的凉爽、干燥条件和强风有关。卫星数据还暗示了解释为什么光芒有时似乎延伸到一定深度，从而使水手们产生他们的船只突然漂浮在光线中的感觉：米勒发现，几个牛奶海发生在大型海洋涡流之间的相对平静中，在那儿，洋流和温度梯度的结合可以将一列海水与周围海洋隔离，使其处于静止状态。他推测，这种条件可能促进超密集的细菌种群，其群体感应在垂直和水平方向上都延伸到相邻的菌落，从而扩大了由此产生的牛奶海的深度和广度。

米勒和哈多克希望 DNB 传感器检测——并且及时地，也许可以预测——牛奶海的能力将使研究人员能够迅速前往海洋并收集样本以检验假设。在那之前，牛奶海不太可能放弃它们挥之不去的谜团。

处处发光

牛奶海的秘密之所以持续存在，部分原因是关于生物发光本身的性质、功能和范围的更大问题仍然存在。由于大多数生物发光生物生活在海洋中，许多生活在深海，因此亲身观察生物发光需要相当大的资源——以及不小的风险。海洋生物学家伊迪丝·威德于 2005 年创立了海洋研究和保护协会，她在 20 世纪 80 年代开始了她的开创性生物发光研究。她在 2021 年出版的著作《黑暗边缘之下》中回顾了她无数次有时令人毛骨悚然的潜水器经历——包括在 350 英尺深处发生的危及生命的泄漏。“我职业生涯的大部分时间都在潜水器中度过，在黑暗中操作”，因为直到最近，相机才能够感知生物发光的光线和颜色，她告诉我。“这绝对令人叹为观止，而且最终 [其他人] 也能看到了。”

威德和其他设法进行深海航行的研究人员几十年来一直知道生物发光是一种常见的能力。但是，对其发生率的第一个可靠估计是在 2017 年得出的，当时哈多克和 Séverine Martini（当时是 MBARI 的博士后研究员，现在在地中海海洋学研究所）发表了一项对遥控车辆在加利福尼亚海岸附近收集的 17 年视频观测资料的分析。在超过 350,000 次观测中，包括超过 500 组生物，在从地表下方到近 13,000 英尺的深度进行，Martini 和 Haddock 得出结论，至少四分之三的生物具有生物发光能力。在不同的海洋深度，这一比例保持了惊人的一致性。在 2019 年的一项研究中，他们发现生活在海底的生物中约有三分之一是生物发光的。Martini 鉴定出一种肉食性海绵，它不仅是科学界的新发现，而且是其门中生物发光的首个记录案例。

鉴于海洋是地球上最大的生物栖息地，这两项分析表明，生物发光是地球上主要的生态特征之一。“这不是您一生中永远看不到的遥远的东西，”Martini 说。“在海上，一切都在发光——您只需要注意。”对于 Martini、Haddock、Widder 和其他少数海洋生物发光研究人员来说，普遍存在的光芒只会增加他们对其生态功能、进化历史、化学和遗传学的兴趣——以及他们对高清水下摄像头和先进的基因测序的兴奋，这些技术为进入曾经几乎无法进入的世界提供了新的途径。

人类从生物发光物种中获益匪浅。医学和生物学研究人员经常使用绿色荧光蛋白，生物学家在 20 世纪 60 年代从生物发光水母中分离出绿色荧光蛋白，作为蛋白质和活细胞成分的视觉标记。威德正在使用生物发光细菌来识别佛罗里达州印第安河泻湖的污染热点，印第安河泻湖是北美最多样化的河口之一。来自农场和草坪的肥料和杀虫剂径流，以及来自污水和化粪池系统的泄漏，已经污染泻湖数十年，污染已在其沉积物中积累。由于大多数污染物会干扰细菌呼吸，因此也会干扰细菌生物发光，因此威德和她的同事从泻湖中提取了沉积物，并在实验室中将它们与生物发光细菌混合，以确定整个泻湖中污染物的相对浓度——这种知识有助于监测、缓解和恢复工作。

尽管应用正在扩展，但海洋生物从自身生物发光能力中获益的能力正受到威胁。从海底开采贵重金属预计将对海底以及整个深海产生巨大影响，在深海中，水通常足够清澈，生物发光生物可以在数百英尺的范围内相互交流。当机器人采矿车辆刮擦海底时，它们会扬起沉积物云。在机器将收集的材料泵送到地表并去除拳头大小的富含金属的结核后，它们会将剩余的泥浆和淤泥倒回海中，再次使曾经透明的水变得浑浊——不可避免地扰乱了生物发光生物之间的交流，并干扰了它们寻找食物和配偶的能力。

“在海洋生态和海洋健康的背景下，重要的是要了解 [生物发光] 是多么普遍和广泛使用，”哈多克说，他是关于深海采矿生态影响的2020 年论文的合著者。“如果您做一些会影响该过程的事情，它将产生所有这些连锁反应，而我们现在才刚刚开始意识到。”世代水手如此恐惧的发光海洋没有造成任何受害者，也没有留下任何痕迹；然而，人类造成的浑浊海洋可能会永久性地使海洋的光芒黯淡。

*编者注（2022 年 10 月 7 日）：此句子在发布后经过编辑，以更正对虚构人物皮埃尔·阿罗纳克斯的描述。