بزرگ‌ترین مهاجرت روی زمین هر روز زیر تاریکی اتفاق می‌افتد

هر روز عصر، در سراسر جهان تریلیون‌ها زئوپلانکتون که بسیاری از آن‌ها کوچک‌تر از یک دانه برنج هستند، صدها فوت زیر سطح دریا شناور می‌مانند و منتظر سیگنال خود هستند. دانشمندان مدت‌ها است این حیوانات کوچک را سرگردان درنظر می‌گیرند و تصور می‌کنند ذره‌های منفعل معلق در اقیانوس باشند که توسط جریان جزرومد و جریان‌های آب حرکت می‌کنند. بااین‌حال، درست قبل از ناپدید‌شدن خورشید، این دسته‌های بزرگ در سفری پنهان به سوی سطح ظاهر می‌شوند.

همان‌طورکه آن‌ها بالا می‌روند، دسته‌های زئوپلانکتون دیگر نیز به آن‌ها می‌پیوندند: پاروپایان، سالپ‌ها، کریل‌ها و لارو ماهی‌ها. این گروه عظیم در شب در نزدیکی سطح باقی می‌ماند؛ اما درست زمانی که اولین پرتوهای نور صبح وارد دریا می‌شود، به سمت اعماق دریا برمی‌گردد. آن‌ها در اقیانوس آرام، هند، جنوبی و اطلس، هر روز این سفر را تکرار می‌کنند.

انسان‌ها عمدتا از این سفر آبی روزانه بی‌اطلاع هستند؛ اما این بزرگ‌ترین مهاجرت روی زمین است که به‌طور منظم اتفاق می‌افتد. برآوردهای فعلی حاکی از آن است که روزانه حدود ۱۰ میلیارد تُن از جانوران این سفرها را انجام می‌دهند. برخی از آن‌ها از بیش از ۳ هزار فوت (۹۱۴ متر) زیر آب بالا می‌آیند. این شاهکاری حیرت‌انگیز است. برای لارو ماهی یک چهارم اینچی، انجام سفر عمودی یک طرفه به مسافت هزار فوت معادل شنا‌کردن انسان در مسافت بیش از ۵۰ مایل (۸۰ کیلومتر) فقط در عرض حدود یک ساعت است.

در طول سفر، این حیوانات از مناطق اقیانوسی عبور می‌کنند که شرایط آن‌ها به‌شدت متغیر است. در عمق هزار فوتی آب، دما تقریباً ۳۹ درجه فارنهایت (۳/۸ درجه سانتیگراد) است (شاید ۲۰ درجه فارنهایت سردتر از سطح) و فشار حدود ۴۶۰ پوند بر اینچ مربع (۳۲ کیلوگرم بر سانتی‌مربع) است که بیش از ۳۰ برابر فشار در سطح آب است؛ اما چرا تعداد عظیم از جانوران کوچک هر روز چنین سفر دشواری را انجام می‌دهند؟

پاسخ کوتاه این است که برای غذا‌خوردن و اجتناب از خورده‌شدن. در طول روز، زئوپلانکتون‌های آسیب‌پذیر از شکارچیانی مانند سرپاور (ماهی مرکب) و ماهی در اعماق تاریکی پنهان می‌شوند. با فرا رسیدن شب، آن‌ها به سمت سطح می‌روند تا زیر پوشش شب، از فیتوپلانکتون‌ها (گیاهان آبزی میکروسکوپی که در چند صد فوتی آب زندگی می‌کنند) تغذیه کنند.

اکنون با سونارهای پیشرفته، وسایل نقلیه زیرآبی خودگردان و پیشرفت در توالی‌یابی DNA پژوهشگران شروع به درک جزئیات این مهاجرت کرده‌اند. این جزئیات به پاسخگویی به سؤالاتی کمک خواهد کرد که پیامدهایی برای شبکه غذایی اقیانوسی، بودجه کربن جهانی و ماهیت حیات روی زمین دارد.

هر شب، تریلیون‌ها زئوپلانکتون از اعماق اقیانوس به سطح می‌آیند و سپس به‌ عمق آب مهاجرت می‌کنند. هر گونه الگوی مخصوص به خود را دارد که می‌تواند براساس سن، فصل و جنس متفاوت باشد.

سوابق اولیه مهاجرت روزانه به زمان جنگ جهانی دوم برمی‌گردد. در آن زمان، کشتی‌ها و زیردریایی‌هایی که از سونار برای تجسس زیردریایی‌های دشمن استفاده می‌کردند، متوجه مورد عجیبی شدند: به‌نظر می‌رسید بخش‌هایی از کف دریا بالا و پایین می‌رود و لایه پراکنده‌شونده‌ای را ایجاد می‌کند که سیگنال‌های سونار را منعکس می‌کند.

این لایه دو بار در روز تا ۳ هزار فوت نوسان می‌کرد و این تغییرات منطقی به‌نظر نمی‌رسید. در سال ۱۹۴۵، مارتین جانسونِ اقیانوس‌شناس، سفر با کشتی پژوهشی را آغاز کرد تا از پلانکتون‌ها در زمان‌های مختلف و اعماق مختلف در طول ۲۴ ساعت نمونه‌برداری کند. جانسون نوشت: «از این مشاهدات اولیه به‌نظر می‌رسد ارتباط مستقیمی بین این جانوران پلانکتونی و لایه پراکنده‌شونده وجود داشته باشد.»

با‌این‌حال، این پیشنهاد که این لایه از موجودات زنده تشکیل شده است، پیش از اینکه پاسخ داده شود، موجب ایجاد سؤالات بیشتری شد. پاسخ دادن به این سؤالات دشوار بود. حیوانات درگیر بسیار کوچک هستند، سفر آن‌ها در تاریکی اتفاق می‌افتد و دسترسی به اعماق اقیانوس دشوار است. ردیابی دسته‌های موجودات به اندازه کَک در اعماق عاری از نور دشوارتر از دنبال‌کردن نهنگ‌های مهاجر در سطح اقیانوس‌ها است.

در دهه ۱۹۹۰، پژوهشگران مهاجرت روزانه را به‌عنوان ابری از موجودات توصیف کردند که به‌طور هماهنگ بالا و پایین می‌روند. سونار دارای وضوح بالاتر، خوشه‌های انفرادی از جانوران و حرکات بالا و پایین آن‌ها را با دقت بالاتری آشکار کرد. اگرچه، حتی امروزه بررسی‌های مبتنی‌بر سونار نمی‌توانند تشخیص دهند که کدام حیوانات کوچک در حال حرکت هستند.

نمونه‌برداری از زئوپلانکتون‌ها، همان‌طور که جانسون انجام داد، می‌تواند ارگانیسم‌ها را برای نمونه‌گیری جمع کند تا پژوهشگران آن‌ها را شناسایی کنند اما زمان و مکانی را که می‌تواند نشان دهد هر حیوان در کجای سفر خود بوده است، نشان نمی‌دهد.

با وجود این چالش‌ها، پژوهش‌های جدید در حال آشکار‌کردن پیچیدگی‌های پنهان این مهاجرت جمعی است. برای مثال، مشخص شده است این فرایند ارتباط تنگاتنگی با آنچه در آسمان رخ می‌دهد، دارد. وقتی در طول زمستان‌های قطبی، خورشید برای چندین هفته غایب است، برخی از این حیوانات مهاجرت خود را با چرخه‌های ماه تنظیم می‌کنند. خورشیدگرفتگی می‌تواند موجب شود که آن‌ها شنا‌کردن به سمت سطح را آغاز کنند.

دبورا اشتاینبرگ، رئیس گروه علوم زیستی در مؤسسه علوم دریایی ویرجینیا توضیح می‌دهد، زئوپلانکتون‌هایی که زیر هزار فوت آب زندگی می‌کنند که در آن شدت نور فقط ۰/۰۱۲ درصد شدت نور در سطح آب است، ممکن است با تغییر مقدار اندک نوری که به آن‌ها می‌رسد، تا ۲۰۰ فوت موقعیت عمودی خود را تغییر دهند.

اشتاینبرگ این موضوع را طی سفری پژوهشی متوجه شد، حتی با اینکه تغییرات نور در سطح برای او یا همکارانش محسوس نبود. او و همکارانش در مقاله‌ای که سال ۲۰۲۱ منتشر شد، خاطرنشان کردند: «از چشم‌انداز ما روی کشتی، هر روز سفر دریایی ابری، خاکستری و بارانی بود.» اما زئوپلانکتون‌ها تغییرات ظریف در نور را در اعماق آب درک می‌کردند.

وسایل نقلیه خودران مجهز به دوربین‌ها و دستگاه‌های جمع‌آوری که به پژوهشگران اجازه می‌دهد تصاویر را در کنار آثار شیمیایی ستون آب قرار دهند، دیدگاه جدیدی از چشم‌انداز حیوانات مهاجر ارائه می‌دهد. برای مثال، کلی جی بنوا برد از مؤسسه‌ تحقیقات آکواریوم خلیج مونتری (MBARI) در کالیفرنیا و مارک مولین از دانشگاه دلاویر وسیله نقلیه زیرآبی خودگردان را به عمق ۱۰۰۰ فوتی درون حوضه کاتالینا در سواحل کالیفرنیای جنوبی فرستادند تا اندازه‌گیری‌های مبتنی‌بر سونار را از مهاجرت عمودی زئوپلانکتون‌ها جمع‌آوری کند.

پژواک‌هایی که دستگاه بازمی‌گرداند، حیرت‌انگیز بود: آن‌ها نشان دادند که زئوپلانکتون‌ها در خوشه‌های کاملاً مشخصی سازماندهی شده بودند، به شکل گروه‌های منظم گرد هم جمع شده بودند و به‌طور هم‌زمان مهاجرت می‌کردند. بنوا برد درمورد مهاجرت عمودی می‌گوید: «باید درمورد این پدیده نه به‌عنوان یک فرایند توده‌ای بلکه به‌عنوان فرایندی فردی و گونه به گونه فکر کنیم.»

زئوپلانکتون‌های ماجراجو در رفت‌و‌آمد شبانه تنها نیستند. بنوا برد می‌گوید: «بسیاری از حیوانات از این نوع مهاجرت به‌عنوان یک استراتژی استفاده می‌کنند.» اختاپوس، فانوس‌ماهی، لوله‌داران و دیگر موجودات متنوع اعماق دریا نیز برای دوری از شکارچیان و پیدا‌کردن غذا سفرهای شبانه انجام می‌دهند.

حیوانات ممکن است تنها موجوداتی نباشند که مهاجرت‌های عمودی منظم انجام می‌دهند. کای ویرتس، استاد و مدل‌ساز اکوسیستم در مؤسسه سیستم‌های ساحلی هلمهولتس زنتروم هرئون در آلمان است. در سال ۲۰۱۶، ویرتس و همکارانش به‌دنبال توصیف این مسئله بودند که چگونه توزیع فیتوپلانکتون‌های مختلف با محیط‌های مختلف اقیانوس سازگار می‌شود؛ اما او متوجه شد که گردش آب اقیانوس به‌تنهایی نیتروژن و فسفر کافی را از اعماق برای تغذیه فیتوپلانکتون‌هایی که در سطح قرار دارند، نمی‌آورد.

دانشمندان برای دهه‌ها می‌دانستند بسیاری از گونه‌های فیتوپلانکتون‌ها می‌توانند حرکت کنند. برخی این کار را با تغییر توانایی شناور بودن خود ازطریق دفع چربی یا ازطریق تغییر ابعاد خود و برخی دیگر با حرکت دادن تاژک‌های خود انجام می‌دهند.

ویرتس با نگاهی گسترده‌تر به خصوصیات اقیانوس به این موضوع فکر کرد: در سطح اقیانوس پر از نور خورشید است؛ اما مواد مغذی کمی در آنجا وجود دارد. بخش پایین اقیانوس نور کافی دریافت نمی‌کند تا موجودات فتوسنتزکننده بتوانند در آن زندگی کنند، با‌این‌حال، مواد مغذی فراوانی در آنجا وجود دارد. او فکر کرد، بنابراین، چرا این گیاهان از توانایی‌های حرکتی تکامل‌یافته خود برای رفت‌وآمد بین این دو فضا استفاده نمی‌کنند؟

مطالعات آزمایشگاهی نه‌تنها تأیید می‌کند که گیاهان دریایی به صورت عمودی حرکت می‌کنند، بلکه همچنین نشان می‌دهد رفتار آن‌ها پیچیده‌تر از چیزی است که تصور می‌کردیم. گروهی از پژوهشگران در دانشگاه ایالتی واشنگتن فیتوپلانکتون‌های گروه داینوفلاژله‌ها را به مخازن آب شور ۶/۵ فوتی اضافه کردند و سپس پاروپایان شکارچی را به یکی از مخازن وارد کردند. زمانی که دانشمندان چرخه‌های نوری معمولی شب و روز را شبیه‌سازی کردند، پاروپایان گرسنه مثل حالت عادی هنگام شب بالا می‌رفتند و هنگام روز پایین می‌رفتند.

فیتوپلانکتون‌ها در هر دو مخزن برعکس این کار را انجام می‌دادند: در طول روشنایی به سمت بالا و هنگام شب درجهت پایین شنا می‌کردند. آن‌ها این کار را احتمالاً به‌منظور به حداکثر رساندن مواجه خود با نور خورشید و به حداقل رساندن خطر خورده‌شدن توسط زئوپلانکتون‌هایی که در شب فعال هستند، انجام می‌دادند.

اگرچه، در کمال شگفتی پژوهشگران، آن‌ها مشاهده کردند که گیاهان تک‌سلولی درون ستون آب که به همراه پاروپایان بودند، به‌طور معمول هنگام شب در عمق بیشتری عقب‌نشینی می‌کردند و فاصله بیشتری بین خود و دشمنانی که بالا قرار داشتند، ایجاد می‌کردند.

کسی نمی‌داند فیتوپلانکتون‌ها چگونه رفتار شکارچیان خود را احساس می‌کنند؛ اما همان‌طور که پژوهشگران در مقاله خود در مجله Marine Ecology Progress Series خاطرنشان می‌کنند: این واکنش رفتاری می‌تواند پیامدهای اکولوژیکی مهمی داشته باشد.

زئوپلانکتون‌ها شامل مجموعه وسیعی از حیوانات کوچک است. در جهت عقربه‌های ساعت از بالا سمت چپ: لارو خرچنگ از اقیانوس اطلس؛ پلانکتون آبی و نارنجی از جزایر قناری؛ پروانه دریایی از جزایر قناری؛ کرم‌ پیکانی که از سطح تا عمق تمام اقیانوس‌ها یافت می‌شود؛ پلانکتون زیست‌تاب آبی از اقیانوس منجمد شمالی و پاروپای حشره‌مانند از آب‌های عمیق اطلس که در مناطق گرمسیری فراوان است.

یکی از پیامدهای مهاجرت فیتوپلانکتون‌ها وسعت تغییرات اقلیمی است. در سال ۱۹۹۵، اشتاینبرگ و دانشمندان دیگر در تلاش بودند تا بودجه کربن جهانی را محاسبه کنند: یعنی مقدار کربن‌دی‌اکسیدی که وارد اتمسفر می‌شود و مقداری که از آن خارج می‌شود. اعداد جور درنمی‌آمدند و نسبت‌به محاسبات پژوهشگران، کربن بیشتری از سطح اقیانوس ناپدید می‌شد. سپس اشتاینبرگ تاریکی را بررسی کرد.

اشتاینبرگ به‌عنوان بخشی از پژوهش‌های خود در مؤسسه علوم اقیانوسی برمودا، اغلب در طول روز غواصی می‌کرد و به‌خوبی درمورد جانداران محلی اطلاع داشت؛ اما سپس مجبور شد هنگام شب غواصی کند. او از کنار قایق کوچکی بالای ۱۳ هزار فوت آب تاریک شیرجه زد و به‌زودی متوجه جامعه کاملاً متفاوتی شد. آن شب، سرنخ او برای تغییر جهت و شروع مطالعه مهاجرت روزانه بود. او تصور می‌کرد این پدیده ممکن است بخشی از پاسخ کربن را در خود جای داده باشد.

در سطح اقیانوس، فیتوپلانکتون‌ها مقدار عظیمی از کربن‌دی‌اکسید را از اتمسفر می‌گیرند؛ اما بیشتر آن را اغلب طی چند روز دوباره به هوا برمی‌گردانند. هنگامی که زئوپلانکتون‌های مهاجر در شب به سمت بالا شنا می‌کنند و این گیاهان دریایی را می‌خورند، مانند نوعی ناقل زیستی عمل می‌کنند و کربن را به اعماق آب می‌برند. کربن برای صدها یا هزاران سال در اعماق اقیانوس ذخیره می‌شود.

برای مطالعه این حرکت حیاتی کربن، مایکل استوکل، پژوهشگر پلانکتون‌ها و بیوژئوشیمی دریایی در دانشگاه ایالتی فلوریداU زمان زیادی را صرف مطالعه مدفوع زئوپلانکتون‌ها زیر میکروسکوپ کرده است. مواد دفعی هریک از آن‌ها اندک است؛ اما در مقیاس عظیم، ازنظر بیوژئوشیمیایی جهانی اهمیت پیدا می‌کند. مواد دفعی حاصل از این مهاجران عمودی که غنی از کربن است، در ستون آب پایین می‌آید. آن‌ها به ذرات زیستی دیگری که در حال فرود‌‌آمدن هستند، می‌پیوندند و برف دریایی را ایجاد می‌کنند که به آرامی به کف دریا می‌ریزد.

استوکل می‌گوید همراه با زئوپلانکتون‌های شناکننده که غذای سرشار از کربن خود را با خود پایین می‌آورند، این ترسیب جهانی کربن به این معنا است که اگر آن‌ها نبودند، سیاره داغ‌تر بود. تخمین مقدار کربنی که توسط این موجودات مهاجر ترسیب می‌شود، به‌طور گسترده‌ای متغیر است؛ زیرا ناشناخته‌های زیادی درباره این مهاجرت روزانه وجود دارد. داده‌های بهتر مدل‌های اقلیمی را بهبود می‌بخشند که به‌نوبه‌ خود درک ما از این موضوع افزایش می‌دهند که تغییرات اقلیمی چگونه رفتار این ارگانیسم‌ها و متعاقبا اقلیم را تغییر خواهد داد.

کن بوسلر، دانشمند ارشد مؤسسه اقیانوس‌شناسی وودز هول می‌گوید: «با سؤالات بزرگی برای بشریت و اقلیم مواجه می‌شوید که نمی‌توانیم به آن‌ها پاسخ دهیم و تعداد زیادی از آن‌ها مربوط به این مهاجران است.»

پاسخ سؤالات بزرگ باقیمانده درمورد این مهاجران احتمالاً از پژوهش‌هایی مانند آنچه در آزمایشگاه کاکانی کاتیا در مؤسسه تحقیقاتی آکواریوم خلیج مونتری انجام می‌شود، حاصل می‌شود. او دوربین‌های استریوسکوپی و الگوریتم‌های بینایی را به وسایل نقلیه خودران اضافه می‌کند تا حرکات مهاجران خاص را ردیابی کنند. او اکنون می‌تواند یک وسیله نقلیه را آموزش دهد و آن را رها کند تا حیوانی را پیدا کند و ساعت‌ها آن را دنبال کند.

تیم کاتیا در حال آموزش این فناوری برای دنبال‌کردن موجودات ژلاتینی مانند لوله‌داران است که شبیه کرم‌های شبح‌مانند هستند. ازآنجا که این حیوانات بافت نیمه‌شفافی دارند و به‌سرعت و به‌طور غیرقابل‌پیش‌بینی حرکت می‌کنند، برای وسیله خودمختار سخت است که لوله‌داران را تحت‌نظر داشته باشد؛ اما این چیزی است که کاتیا می‌خواهد: «در تلاش هستیم تا بفهمیم چگونه این سیستم‌ها را قوی‌تر کنیم.»

برای ثبت تصاویر و ویديوهای قابل استفاده، تیم به رباتی نیاز دارد که بتواند شنا کند و نور تولید کند که هر دو به‌راحتی می‌توانند در رفتار سوژه‌ها اختلال ایجاد کنند. کاتیا تصدیق می‌کند که این موضوع نگرانی بزرگی است. یکی از استراتژی‌های پنهان استفاده از نور قرمز است که بیشتر این موجودات نمی‌توانند آن را ببینند و همچنین استفاده از یک حالت گشت‌زنی است که میزان آشفتگی را به حداقل می‌رساند.

همچنین، پژوهشگران به ماهواره‌ها در فضا روی می‌آورند که می‌توانند تراکم حیواناتی را که هنگام شب در جست‌وجوی غذا بالا می‌آیند، بدون خطر ایجاد مزاحمت رصد کنند. ماهواره‌ها که به لایدار (فناوری سنجی از راه دور مبتنی‌بر لیزر) مجهز هستند، می‌توانند تا عمق ۶۵ فوتی آب را رصد کنند. دانشمندان برای تعیین اینکه کدام گونه‌ها در چه زمانی و کجا حرکت می‌کنند، ستون آب را برای آثار ژنتیکی موجودات عبوری جست‌وجو می‌کنند.

گروهی از پژوهشگران بطری‌های بزرگ نمونه‌برداری از آب دریا را از کشتی تحقیقاتی خود به اعماق مختلف آب‌های خلیج مکزیک انداختند. در همین حین، پژوهشگران خوانش‌های سونار از حیات زیر آب را ثبت می‌کردند. آن‌ها با استفاده از این نمونه‌ها، رشته‌های DNA را توالی‌یابی کردند تا مشخص کنند چه ارگانیسم‌هایی در کجا و چه زمانی حضور داشته‌اند. نتایج که سال ۲۰۲۰ منتشر شد. اگرچه داده‌های سونار نشان می‌داد ماهی‌ها و سایر اهداف نسبتاً بزرگ بیشتر زیست‌توده متحرک را تشکیل می‌دهند، تجزیه‌و‌تحلیل DNA نشان داد پاروپایان و زئوپلانکتون‌های ژلاتینی حضور بسیار بزرگ‌تری دارند.

آنچه پژوهشگران بیش از همه به آن نیاز دارند، شبکه‌ای جهانی از پایشگرهای اقیانوس است که می‌توانند این فرایندها را به‌طور مستمر رصد کنند تا پیش اینکه انسان‌ها بیشتر از این، سیستم‌های اقیانوسی را مختل کنند، این سیستم‌ها را درک کنند. برای مثال، ماهیگیری در مقیاس بزرگ عمدتا در لایه سطحی اقیانوس انجام می‌شود؛ اما اکنون برخی از کشورها ازجمله نروژ و پاکستان در حال صدور مجوزهای ماهیگیری برای بخش میانی اقیانوس هستند و یکی از اهداف آن‌ها صید این مهاجران و تبدیل آن‌ها به غذایی برای ماهی‌های پرورشی و تولید روغن ماهی است.

گسترش مناطق مرده و افزایش مناطق دارای اکسیژن بسیار اندک در آب اقیانوس، این حیوانات را از زیستگاه‌های زیست‌پذیر در روز بیرون می‌راند. علاوه‌بر‌این، تغییرات اقلیمی اختلاط لایه‌های آب‌ اقیانوس‌ها را کاهش می‌دهد و موجب می‌شود آب مواد مغذی کمتری برای فیتوپلانکتون‌ها بیاورد. فیتوپلانکتون کمتر به معنای غذای کم‌تر برای زئوپلانکتون‌های مهاجر است. همه این‌ها بدان معنا است که دانشمندانی که این حیوانات را مطالعه می‌کنند، تحت فشار فزاینده‌ای قرار دارند. بنوا برد می‌گوید: «معمولاً این فرصت برای ما پیش نمی‌آید که سیستمی را پیش از استثمار آن درک کنیم. احساس می‌کنم به‌نوعی در حال مسابقه دادن با زمان هستیم.»

برای درک بهتر حرکت تریلیون‌ها پاروپا، کریل و دیگر مهاجران گریزان، این تابستان بنوا برد و همکارانش به دریا بازخواهند گشت. او امیدوار است این سفر پژوهشی با ربات‌های زیر آب، سونار، تصویربرداری و DNA محیطی بتواند به آن‌ها کمک کند تا متوجه شوند چگونه این موجودات ریز در طول روز خود را سازماندهی می‌کنند، بالا و پایین می‌روند، در دسته‌های بزرگ جمع می‌شود و پراکنده می‌شوند یا شبکه‌های گونه‌های دیگر در ارتباط می‌مانند.

در همین حین، خورشید به طلوع و غروب خود ادامه خواهد داد و در طول آن، تعداد بی‌شماری از حیوانات جریان تاریک و روشنایی زیر آب را دنبال می‌کنند، غذا می‌خورند، دفع می‌کنند و تعادل عناصر در سیاره ما را حفظ می‌کنند.