南極的地質學家

企鵝

在這地球的“盡頭”，矗立著人類自然探索歷程上的一座豐碑：麥克默多站，位于南極點的南極科考站。麥克默多站的科學家們觀察到，每年4月25日左右，阿德利企鵝（Pygoscelis adeliae）會從南向北遷徙，以適應即將到來的冬季（南半球的冬季為6-8月）海冰擴張帶來的食物短缺問題。為記錄這一自然現象，4月25日被確立為世界企鵝日。

圖1 世界企鵝日

圖2 秘魯企鵝

企鵝屬于企鵝目（Sphenisciformes）企鵝科（Spheniscidae），是一類不會飛的鳥類。它們主要分布在南半球。不同于人們的刻板印象，并非所有企鵝都生活在南極。實際上，環企鵝屬的秘魯企鵝（洪堡企鵝，Spheniscus humboldti）、南美企鵝（麥哲倫企鵝，Spheniscus magellanicus）與南非企鵝（非洲企鵝/斑嘴環企鵝，Spheniscus demersus）分布在緯度較低的溫帶地區，至于加島企鵝（加拉帕戈斯企鵝，Spheniscus mendiculus）的分布則更接近赤道；完全生活在極地的只有帝企鵝（Aptenodytes forsteri）及阿德利企鵝兩種。

在此我們僅探討南極企鵝與南極的故事。

企鵝見證了南極繞極流的誕生

早年的南極大陸并非今天這般模樣。南極洲曾是超級大陸岡瓦納的一部分，氣候溫暖，覆蓋森林（化石證據顯示存在蕨類、針葉樹甚至恐龍）。距今約1.8億年前，岡瓦納大陸逐漸解體，南極洲南移，企鵝目與它們的近親鹱形目走上了不同的演化道路。

企鵝的祖先，威瑪努企鵝（Waimanu），首先在六千萬年前的新西蘭出現，那時地球剛經歷了恐龍大滅絕，大量的生物重新洗牌，其中出現了碧絲巨鳥企鵝（Kumimanu biceae）、懷帕拉橫谷企鵝（Crossvallia waiparensis）等多種多樣的巨型企鵝。它們中的一支進化出了遠洋跋涉的能力，并在距今約4000萬年前的南極半島與南美洲的分離事件后，登陸了南極半島，久居在了這片嶄新的大地上。

圖3 威瑪努企鵝，帝企鵝，碧絲巨鳥企鵝，懷帕拉橫谷企鵝體型圖

南極半島與南美洲逐漸分離后，南大洋逐漸形成。南大洋是世界第五個被確定的大洋, 是世界上唯一完全環繞地球卻未被大陸分割的大洋, 由南太平洋、南大西洋和南印度洋各一部分, 連同南極大陸周圍的威德爾海、羅斯海、阿蒙森海、別林斯高晉海等組成。

在南大洋, 除南極沿岸一小股流速很弱的東風漂流外, 其主流就是自西向東運動的南極繞極流(Antarctic Circumpolar Current, ACC) 。ACC的別名是西風漂流, 它是南大洋最為重要的環流。ACC位于南半球35°S—65°S區域, 與西風帶平均范圍一致;南極大陸附近的海水密度小于外部海域, 由此生成由西向東的地轉流, 因此ACC是西風漂流與地轉流合成的環流。ACC是南大洋中最顯著的流動, 也是世界上唯一環繞全球的海流。雖然其流速并不是很快, 平均流速為15 cm·s–1左右, 但隨深度減弱很慢, 而且厚度很大, 因此具有巨大的流量。通過德雷克海峽的年平均流量估計為100—150 Sv (1 Sv=106m3·s–1) , 堪稱世界海洋最強流。

圖4 南極繞極流

乘著南極繞極流，一部分企鵝遷徙到非洲、澳大利亞等地，奠定了今天企鵝種群的分布局面，而南極大陸上的企鵝們，則見證了南極冰蓋從無到有，逐漸發展到如今的局面。

圖5 企鵝遷徙路線

企鵝也見證了南極冰蓋的形成

早期的南極大陸還沒有冰蓋覆蓋，然而自從南美洲與南極半島分離，德雷克海峽形成，南極繞極流出現，隔絕暖流，南極開始降溫。此時始新世的全球變暖事件終結，大氣CO?濃度下降（從~1000 ppm降至~600 ppm），全球氣溫大幅下降，南極洲沿海首次出現冰川。

冰川出現后，冰蓋也逐漸形成。冰川是規模較小的流動冰體，通常存在于山地或谷地中，受地形限制流動；而冰蓋是覆蓋大陸或廣闊地區的巨大冰層（面積超過5萬平方公里），厚度可達數千米，不受地形約束。冰蓋對全球海平面和氣候的影響遠大于冰川。

圖6 冰川（上）；冰蓋（下）

冰蓋最早在橫貫南極山脈地區形成，隨后向低地擴展。約1400萬年前，南極冰蓋接近現代規模，東南極冰蓋（基巖高于海平面）穩定存在，西南極冰蓋（基巖低于海平面）波動較大。

東南極和西南極的冰蓋差異也反映在企鵝種群的分布上。西南極（南極半島及附近海域）受暖流影響，冬季海冰較少，海域生產力高，磷蝦豐富，能夠支撐龐大企鵝種群。雖然西南極面積較小，但卻生活著大量的企鵝，60%以上的阿德利企鵝和絕大多數帽帶企鵝（Pygoscelis antarctica）分布于此。南極半島的喬治王島、南設得蘭群島等地有密集繁殖群，單地可達數萬繁殖對。東南極（包括羅斯海，威爾克斯地等）的企鵝種類和數量較少但分布廣泛，以帝企鵝和阿德利企鵝為主，原因是東南極冬季海冰更厚、溫度更低，適合耐寒物種生存，如帝企鵝依賴穩定海冰繁殖。

圖7 以橫貫南極山脈為分界線，靠近印度洋部分為東南極，靠近太平洋部分為西南極

近年因氣溫上升，西南極部分區域（如南極半島北部）的阿德利企鵝數量下降，而巴布亞企鵝（Pygoscelis papua）（適應無冰環境）向北擴張。東南極受氣候變化影響較小，企鵝種群相對穩定（但局部區域如托滕冰川附近因冰架崩解受影響）。

企鵝——認識南極的鑰匙

由于企鵝與南極的緊密聯系，對企鵝的研究很大程度上推進了人類認識南極的進程。

古生物研究表明，最早登陸南極半島的企鵝在溫暖的始新世演化出了巨大的體型，誕生了史上體型最大的企鵝：卡氏古冠企鵝（ Palaeeudyptes klekowskii）。這一化石證據充分說明了南極曾經歷一段時間的溫暖時期，大批體型巨大的生物得以繁榮。

圖8 卡氏古冠企鵝

對企鵝的食物中氮/磷的比例研究也助推了對南極生態的認識。企鵝的主要食物為磷蝦和魚類，當磷蝦占食物的比例上升，其胃容物中的磷比例上升；當魚類占食物的比例上升，則氮比例上升。對企鵝食物的研究有力支撐了對南極生態的研究，同時間接證明了人類活動對鯨類等生物的影響（因為鯨與企鵝屬于競爭關系，通過對企鵝食源的分析可以推斷鯨魚數量的變化）。

就連企鵝的糞便都大有研究價值。根據近年來的監測結果，生態環境學家發 現企鵝數量出現明顯的波動，企鵝數量的增多或減少可能與目前劇烈的氣候變化 有密切的關系，是理想的環境變化的“生物指示計”。在企鵝聚居區，大量企鵝糞便的堆積會形成一層厚厚的糞土層，糞土層具有海洋沉積、湖泊沉積、生物沉積三重屬性，通過對不同厚度糞土層中Sr，F，P，Se等元素含量的分析，可以推斷企鵝種群數目的代際變化，從而揭示南極的溫度變化、降水量等重要氣候指標。

圖9 一只小企鵝噴射出它的便便

例如，有科研人員對采自拜爾斯半島的一根長55 cm的企鵝糞土沉積柱進行了元素和同位素地球化學分析，并與長城站區阿德雷島、東南極戴維斯站加德納島企鵝糞土沉積物的標型元素特征比較，發現上述三個地區的標型元素組合大體上一致，反映了整個南極地區企鵝糞土沉積物生物標型元素組合的共性。研究結果為進一步恢復南極地區的企鵝種群數量演化，及其對氣候變化的響應提供了可能。

與此同時，企鵝糞便富含來自海洋的氮、磷等元素，這些元素在貧瘠的南極大陸滋養了地衣和苔蘚等生物。企鵝每天往返海洋與棲息地的固定路線上，排泄物中的蝦青素（來自磷蝦）經氧化形成永久著色，形成“粉雪”奇觀。每平方米粉雪中含有2.8萬只線蟲、4000只緩步動物（水熊蟲），生物密度是普通雪地的170倍。也就是說企鵝糞便滋養了許多的微生物，為南極的生態平衡作出不可磨滅的貢獻。

圖10 企鵝糞便將積雪染色

企鵝不僅憨態可掬，還富有研究價值，可謂南極大陸最靚的仔，也是地球科學和生命科學的寵兒。適逢2025年是世界冰川保護年，讓我們共同保護冰川，保護可愛企鵝的棲息地，保護人與自然和諧共處的美麗世界。

Reference

孫立廣,劉曉東.南極無冰區生態與環境變化在糞土層中的記錄[J].氣候變化研究進展,2006,(02):57-62.

馬小榮,聶亞光,劉曉東,等.南極拜爾斯半島企鵝糞土沉積物元素地球化學特征[J].極地研究,2014,26(02):201-211.DOI:10.13679/j.jdyj.2014.2.201.

陳紅霞,林麗娜,潘增弟.南極繞極流研究進展綜述[J].極地研究,2017,29(02):183-193.DOI:10.13679/j.jdyj.2017.2.183.

來源：石頭科普工作室

編輯：二分

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