每天傍晚，当暮色让位于黑暗之后，成群的海洋生物——从微小的浮游动物到巨大的鲨鱼——从深海升起，在海面附近度过夜晚。它们在上层水域中尽情享乐，觅食和交配，然后在黎明前撤退回深海。
这种大规模运动被称为昼夜垂直迁徙，通常被誉为地球上最大的同步迁徙。随着地球在其轴线上自转，海洋区域转向或背离太阳光，它在世界各地不断发生。
这种迁徙最早在19世纪初被记录下来，当时博物学家乔治·居维叶注意到，被称为水蚤的浮游生物——水蚤——在一个浅水淡水湖中以每日周期消失和重新出现。然后，在第二次世界大战期间，出现了“深海散射层”的发现：海洋中的一个区域，意外地偏转了海军声纳的信号，并在每晚神秘地消失，就像幽灵般的海床。
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斯克里普斯海洋研究所的科学家马丁·约翰逊提出了一个解释：深海散射层可能是海洋动物迁移到海面。1945年6月，他在加利福尼亚州洛马岬附近的水域进行了一次夜间考察，验证了这个想法。他在一系列14次捕捞中捕获的浮游动物、水母和各种甲壳类动物证实，移动层确实是由进行夜间迁徙的生物组成的。
从那时起，科学家们几乎在他们观察过的每个水体中都发现了这种有规律的通勤。“这在栖息地中是普遍存在的，”挪威北极大学的海洋科学家坎查纳·班达拉说，“无论是海洋、淡水还是微咸的海岸。它在地理位置上是普遍存在的，从热带到极地，并且在分类学群体中也是普遍存在的，从小型的浮游动物或浮游植物到大型鲸鱼和鲨鱼。”
尽管如此普遍，谜题仍然存在。研究表明，光线变化会触发夜间迁徙，因此尚不清楚地球两极附近水域中的动物——那里有几个月是持续阳光或完全没有阳光——如何知道何时迁徙。研究人员正在努力理解这一点，以及确定各种生物何时进行迁徙——以及为什么有些生物选择根本不迁徙。
科学家们说，理解这些细微差别很重要，因为昼夜垂直迁徙就像一个巨大的传送带，将地表水中被啃食的碳输送到深海——这些碳否则可能只是停留在海洋表面或返回大气层。这是一个代价高昂的习惯：估计表明，仅浮游动物每年集体通勤所消耗的能量就相当于美国一年的能源消耗量。
班达拉说：“这是一个难以想象的能量量。”
月光下的昼夜迁徙
科学家们普遍认为，对于包括像水蚤这样的浮游动物在内的许多生物来说，迁徙有助于它们避免被吃掉。白天，更深、更黑暗的水域为它们提供了躲避捕食者目光的庇护所。在食物更丰富的海面进行的访问，在夜幕的掩护下是最安全的。
佛罗里达国际大学的海洋生物学家希瑟·布拉肯-格里索姆说，科学家们也一致认为，光照强度的变化是迁徙者的主要环境线索。当光线开始减弱时，这会触发它们上升到海面。
但这并非全部。科学家们长期以来一直认为，在光线追踪模型下，日常迁徙会在北极冬季停止，因为那时有几个月没有日光。
但在2008年，研究人员报告说，浮游动物确实在漫长的极夜期间，在斯瓦尔巴特群岛附近的北极水域参与了夜间迁徙。最近的更多研究证实，这种模式是普遍存在的——并且可以由月光驱动。2016年，来自挪威和英国的一个科学家团队调查了冬至前后几个月北极周围的水域，当时太阳总是低于地平线。该团队使用水声采样技术发现，这些微小的海洋生物已经改变了它们的迁徙，将它们与月光而非阳光同步。除了每日周期外，还有一个每月信号：动物们在满月明亮的光线下定期移动到更深的水域。
科学家们还在更多地了解浮游动物对光线变化的极度敏感性。一个团队在北太平洋工作，使用类似声纳的声学采样来探测包括桡足类动物、介形类动物、樽海鞘和磷虾在内的生物的日常运动。记录的天气始终是阴天、灰色和毛毛雨，但该团队在8月份的PNAS中报告说，浮游动物仍然可以检测到云层厚度的变化并调整其深度。仅亮度差异为10%到20%就足以促使50英尺的微型迁徙——对于这些微小的动物来说，这绝非小事。
极地夏季的持续日光似乎也没有阻止浮游动物的夜间朝圣。在南极西部海岸附近的水域进行的多年研究中，研究人员使用了专门的网，这些网在特定深度收集样本。通过检查内容物，该团队发现，即使在夏季的持续光照下，这些生物也保持着它们的迁徙，尽管对于某些生物来说，当白天较长时，通勤距离较短。
研究报告的共同作者，罗德岛大学的浮游生物生态学家帕特里夏·蒂博多说，即使没有黑暗，这些微小的海洋动物也保留了它们的每日周期，这一事实表明，某些其他信号独立地或与光线结合触发了它们的迁徙——也许是一个内在的生物钟。通过基因研究以及实验室和实地实验，科学家们最近确定，这样的时钟确实指导着一些迁徙者的日常周期，包括桡足类动物Calanus finmarchicus和南极磷虾Euphausia superba。
研究表明，由于风险如此之高——迁徙或被吃掉——进化有利于昼夜迁徙的内在生物钟的发展，作为对环境线索依赖的后备。
捕食者可能会影响迁徙的决定
日常迁徙周围的高风险似乎也影响着生物在其通勤期间的行为方式。研究发现，加利福尼亚州圣卡塔利娜岛附近的迁徙者在旅行时倾向于聚集在一起，形成连贯的群体或鱼群，这可能会降低被吃掉的风险。诸如鱼类等较大、更显眼的动物比小型、不太显眼的动物迁徙得更晚——大约在日落后80分钟——后者在日落前最多20分钟开始迁徙。
捕食者的存在也会促使一些迁徙者推迟它们的旅程。例如，当以鱿鱼为食的瑞氏海豚在该区域时，研究人员观察到鱿鱼在更深的水域等待，将其旅程推迟了大约40分钟。
有些个体在某些日子里似乎完全跳过了通勤。研究人员怀疑，它们可能并不总是饿到觉得这次旅程值得冒险。这种被称为“饥饿/饱腹假说”的观点认为，种群中的个体受到自身饥饿水平的驱动。
包括新星东南大学海洋生态学家特蕾西·萨顿在内的一个团队对这一理论进行了检验，他们利用了墨西哥湾深水地平线漏油事件后的拖网调查。在七年的时间里，自动化网系统从海湾各处的采样站收集了深水和表层水域的样本。其中，588个生物被送到实验室，以便该团队可以“剖开它们的胃，看看它们吃什么，”萨顿说，他是2017年海洋科学年度评论中深海食物网概述的合著者。
科学家们发现，那些没有迁徙的生物的胃里仍然有食物，这表明它们选择不进行迁徙是因为它们仍然对前一天晚上感到饱腹。迁徙的个体更有可能有空空的胃。但例外情况仍然存在——一种鱼类和两种甲壳类动物没有遵循这种模式，这表明种群内的个体“选择”是否迁徙，研究人员在2月份的海洋科学前沿中报告说。迁徙模式不一致的鱼类物种的迁徙深度也较浅，并且可能比其他物种具有更快的代谢率——萨顿说，这些变量可能会相互作用，使得难以得出任何普遍结论。
饥饿、光线、遗传学等等——科学家们正在继续探索这些以及其他影响这种伟大通勤的因素，包括盐度、温度和紫外线照射。萨顿说，研究这些变量，以及哪些动物何时移动以及谁在吃谁，是理解地球碳循环以及这种大规模通勤如何帮助长期封存碳的关键。
他说，如果你真的在追踪碳，那么迁徙“或多或少就是一切”。
10.1146/knowable-110421-1