我校朱國平研究團隊揭示南極中層魚類關鍵種南極電燈魚耳石種群标記特性

近日，伟德BETVLCTOR海洋科學學院朱國平研究團隊與美國歐道明大學量化漁業生态學中心（Center for Quantitative Fisheries Ecology, Old Dominion University）Julian R. Ashford副教授、澳大利亞塔斯馬尼亞大學海洋與極地研究所（Institute for Marine and Antarctic Studies, University of Tasmania）Sophie Bestley博士和Andrea Walters博士等合作，在國際海洋學頂級期刊——湖泊與海洋（Limnology and Oceanography）在線發表了題為“Otolith chemistry of Electrona antarctica suggests a potential population marker distinguishing the southern Kerguelen Plateau from the eastward-flowing Antarctic Circumpolar Current”的研究論文。該論文是該團隊繼2018年在國際海洋環境科學領域主流期刊——海洋環境研究（Marine Environmental Research）之後再次利用耳石微化學技術揭示南極中層魚類關鍵種——南極電燈魚（Electrona antarctica）的種群标記特性，進一步夯實了耳石微化學技術在南極魚類種群結構劃分以及生物-物理相互作用的應用基礎，為相關研究提供了技術與操作标準。

與其他大洋相比，由于特殊的地理環境和惡劣的氣候條件限制，栖息在南大洋的魚類種類和數量十分有限，且這些魚類主要以低多樣性和高特有性為特征。考慮到這些魚種具有較高的生态作用和極高的科學研究價值，南極魚類受到了廣大科研人員的諸多關注，這其中就包括全球海洋中層魚類中資源量較高的魚種——燈籠魚科魚類。

南極電燈魚為栖息于南極的燈籠魚科中數量最多、資源量最為豐富且分布最廣的魚種，并具有一定的商業價值。該魚種因其體表大量的發光器而得名。該魚種仔魚分布于斯科舍海、東南極拉紮列夫海以及印度洋和太平洋扇區的高緯度海區，而成魚則主要分布于西南極斯科舍海南奧克尼群島及南設得蘭群島等周邊海域以及斯科舍海南側海域，東南極凱爾蓋朗海台周邊水域也有大量分布；仔魚及成魚重疊分布于南喬治亞島及布韋島交彙處（圖1）。從管控南大洋生态系統結構的主要流系——南極繞極流（Antarctic Circumpolar Current，ACC）角度來看，南極電燈魚種群分布區域北至亞熱帶鋒（SubTropical Front, STF），南至南極繞極流南鋒（Southern ACC Front，SACCF）和南極繞極流南界（Southern Boundary，SB）以南水域，種群結構與南極繞極流鋒面存在極為密切的關系。南極電燈魚在南大洋生态系統中有着極為重要的生态作用，尤其在南大洋生态系統關鍵物種——南極磷蝦（Euphausia superba）資源量分布較少的海區或資源量處于較低水平的年份，南極電燈魚在生态功能上可替代南極磷蝦的關鍵作用，為南極生态系統中的頂級捕食者，如海豹、企鵝、鲸魚以及飛鳥等提供能量來源。但相對于南極磷蝦而言，南極電燈魚因其商業價值較低等原因而受到較少的關注，這進一步導緻關于該魚種的種群動力學、生活史過程以及資源量等方面的研究極為有限。

圖1 南極電燈魚資源分布概率圖

魚類耳石是一種角霰石結晶，主要由碳酸鈣與有機質組成，其中碳酸鈣占耳石總質量的 90% 以上，有機質則占1%～9%等，另外耳石中還包含不到1%的微量元素。魚類耳石中微量元素的組成和含量與周圍環境水體中的元素密切相關，但水環境中的元素沉積在耳石中是一個極為複雜的過程。水體中的元素由魚類的鰓或消化道先吸收并進入血液，之後通過血液細胞轉運，使水體中的元素被血液攜帶進入内耳淋巴液，最後通過結晶作用使其沉積在耳石中。耳石中的微量元素沉積後就會穩定存在，沉積于耳石中的元素可以完整地記錄魚類出生至被捕獲時所經曆的環境變化（如溫度、鹽度以及化學元素組成等）。基于此，将耳石微量元素分析與水環境特征相結合，研究人員就可以賦予耳石元素的指紋圖譜以時間序列信息，用以還原魚類原有的栖息環境，以此研究魚類的早期生活史、和洄遊環境史，判别魚類種群結構，指征環境污染及生理指标等。

圖2 南極電燈魚耳石截面（a）以及全耳石（b）

為了探究魚類耳石微化學技術在南極魚類，尤其是南極電燈魚種群結構上的适用性和應用前景，朱國平教授研究團隊首先利用耳石對南極電燈魚的年齡進行了判定。不同于其他海域的魚類，南極魚類耳石因水溫較低、夏季較短以及光照時間較短等因素影響而使得輪紋的沉澱規律不明顯。此外，魚類耳石樣本的獲取也是開展相關研究的重要障礙。為此，研究團隊與澳大利亞塔斯馬尼亞大學科研團隊合作，利用廣泛接受的耳石信息分析手段，挑戰了國際上普遍認為“南極電燈魚僅能存活3年”的結論，研究認為南極電燈魚甚至可以存活到8年以上，相關工作已在海洋學領域著名期刊——深海研究II：海洋學專題研究（Deep-Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography）上在線發表。為了進一步夯實相關結論，目前研究團隊繼續與來自波蘭、澳大利亞、美國以及南非等國的科研人員開展深入合作研究。

圖3 耳石微化學指标對南極凱爾蓋朗海台不同海區南極電燈魚種群的指示

在此基礎上，研究團隊對東南極凱爾蓋朗海台周邊水域南極電燈魚耳石微化學開展研究。在結合物理海洋學、生物海洋學以及魚類生物學與生态學等學科知識，研究團隊分析了南極繞極流主要鋒面——南極繞極流南鋒、南極繞極流南界、南極陸坡鋒以及凱爾蓋朗海台本地的小鹿海槽流對南極電燈魚種群的隔離作用，并進一步探究環極深層水（Circumpolar Deep Water，CDW）對南極電燈魚生活史過程産生的影響。研究結果表明，結合南極電燈魚耳石微化學與采樣區域的海洋學環境數據，可以确定不同屬性水體的南極電燈魚耳石微化學特征，耳石微化學特征信息可作為南極電燈魚種群結構劃分的标記。研究結果進一步顯示，南極陸坡鋒有效地将南極繞極流流域與南極陸坡區域的南極電燈魚種群隔離開來，而南極繞極流流域與凱爾蓋朗海台上的南極電燈魚種群結構存在較為明顯的差異，并由此推斷凱爾蓋朗海台存在南極電燈魚自我維持的産卵場和産卵群體。耳石中鎂鈣元素比值（MgCa^-1）為南極電燈魚種群劃分提供了良好的化學标記（圖3）。研究團隊認為，在南極繞極流管控南大洋生态系統的背景下，魚類耳石微化學技術有助于解析南大洋魚類種群結構的異質性以及環極連通性，并進一步在闡析南極海洋生物-物理相互作用上發揮作用，有效拓寬了生物海洋學的研究範疇。評審專家對該研究給出了極高的評價，“該研究為影響凱爾蓋朗海台南側水域南極電燈魚種群結構和連通性的生物-物理參數提供了令人興奮的探索，為當地海洋學提供了極好的背景知識，也為所設定的假設提供了先進的生物-物理驗證”。

該研究團隊碩士研究生段咪為論文第一作者，朱國平教授為通訊作者，美國歐道明大學量化漁業生态學中心（Center for Quantitative Fisheries Ecology, Old Dominion University）Julian R. Ashford副教授、澳大利亞塔斯馬尼亞大學海洋與極地研究所（Institute for Marine and Antarctic Studies, University of Tasmania）Sophie Bestley博士和Andrea Walters博士、研究團隊成員碩士研究生尉曉英為共同作者。該研究工作得到了國家自然基金項目（41776185）、國家重點研發計劃項目（2018YFC1406801）、中國科協中澳青年科學家交流項目（2020ZZGJB060926）、澳大利亞南極科學計劃項目（AAS4344）、澳大利亞研究理事會南極門戶夥伴關系特别研究動議（SR140300001）以及澳大利亞研究理事會發現早期職業生涯研究員獎計劃項目（DE180100828）等的資助。

論文來源

Mi Duan, Julian R. Ashford, Sophie Bestley, Xiaoying Wei, Andrea Walters, Guoping Zhu. Otolith chemistry of Electrona antarctica suggests a potential population marker distinguishing the southern Kerguelen Plateau from the eastward-flowing Antarctic Circumpolar Current. 2020. http://dx.doi.org/10.1002/lno.11612

Guoping Zhu, Mi Duan, Julian Ashofrd, Lian Wei, Sophie Bestley. Otolith nucleus chemistry distinguishes Electrona antarctica in the westward-flowing Antarctic Slope Front Current and eastward-flowing Antarctic Circumpolar Current off East Antarctica. Marine Environmental Research, 2018, 142: 7-20. https://doi.org/10.1016/j.marenvres.2018.09.010.

Guoping Zhu, Mi Duan, Lian Wei, Rowan Trebilco, Sophie Bestley, Andrea Walters. Determination and precision of otolith growth zone estimates of Electrona antarctica in the Southern Kerguelen Plateau region in the Indian sector of the Southern Ocean. Deep-Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 2020, 174: 104778. https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2020.104778