追踪大自然的旅者：稳定同位素技术解密动物的迁徙

原创 Keith A. Hobson 同位素地球化学 2023-08-19 13:55 发表于江苏

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 动物迁徙是自然界最具代表性的现象之一，人类对动物能够在广阔距离内、通常在恶劣条件下导航的能力感到惊叹不已。定期来回迁徙是最为熟悉的形式，而鸟类以其明显的年度运动和洲际间的到来，显然在这方面引起了我们的想象力。然而，动物如何成功地以这种方式移动仍然没有得到充分的认识，完全理解这一点最终将涉及各个学科领域的专业知识。

 除了作为复杂进化的迷人例证外，动物跨越边界的迁徙现象对负责其保护和保护的政府提出了相当大的挑战。一旦动物离开一个政治辖区，它们就进入另一个辖区，该辖区的保护水平、栖息地可用性以及自然和人为危害会发生相应的变化。通过政府间的合作，为迁徙动物提供了各种级别的保护（例如在北美的《候鸟公约法案》）。然而，很明显，许多迁徙物种的数量正在下降，下降速度比它们的非迁徙同类要快，整个分类群的迁徙动物实际上被忽视了。

因此，虽然所有动物都面临着由于不断变化的世界带来的日益增加的挑战，但远距离动物迁徙的附加挑战使得迁徙物种成为特别关注的类别。可以说，在历史上，受到最多关注的是迁徙猎物物种（例如北美水禽管理计划）。然而，对于非游戏物种来说，它们占据了绝大多数迁徙动物，保护和管理在本质上更具挑战性。毫无疑问，这里面的主要挑战是我们对迁徙连接性的普遍无知，即某个地方的一个物种群是否与世界另一地区的另一个空间相连。

图1. 收集迁徙鸟类的羽毛，利用它们羽毛中稳定同位素的比例来了解繁殖、迁徙和越冬季节种群之间的联系。这种“连通性”是我们对移民基本生态学和进化生物学知识的一个关键空白，填补这一空白对于制定有效的管理和保护计划至关重要。（University of Oklahoma Animal Migration Research Group）

• 我们如何追踪动物迁徙？

  当涉及使用外部标记技术跟踪个体动物在迁徙期间的情况时，人类的创造力似乎是无限的。使用独特识别标记标记个体动物，并在其他地方找回该标记，可以提供直接的空间联系。欧洲和北美的大规模标记计划涉及了数百万只迁徙鸟类。甚至小小的帝王蝶在美国和加拿大被标记上带有编号的轻质翅膀标记，它们在墨西哥栖息地的被找回为我们提供了大量的信息（蝴蝶观察）。可以与卫星通信的设备提供令人印象深刻的实时位置信息，小型的“地理定位仪”现在可以用来从日长和太阳正午时间下载位置信息。小型VHF射频跟踪装置现在可以附加在较小的动物身上，这些装置可以与北美的MOTUS系统等专用接收塔网络进行通信。趋势是朝着越来越小的电子装置发展，而结果变得令人印象深刻！

不幸的是，所有外部装置都有被热衷者常常忽视的缺点。首先，除了传输标记外，外部标记需要两次捕获，一次是为动物配备标记，第二次是检索标记。未标记个体不可能提供任何信息。其次，所有发射或接收标记都有最低重量，主要受电池要求限制，并且必然昂贵。最后，外部标记可以改变携带它们的动物的行为。

出于这些原因，人们对使用自然存在的内在标记的可能性产生了相当大的兴趣。这些标记由动物携带，只需要一次捕获，所有捕获都提供信息。在过去的30年里，Hobson的研究一直在探索这个目标，具体涉及使用稳定同位素。

图2. 氢同位素比值可以与遗传标记相结合，以提高连通性的分辨率;就像我们在斯温森画眉画里画的那样。

• 稳定同位素比例与动物信息

  自然界中的元素通常以不止一种稳定形式存在，该元素的同位素在化学上是相同的，但质量不同。元素的重同位素很少见，但较重同位素与较轻同位素的比例一旦测量，就可以提供大量信息。在被迁移动物使用的食物链中，元素C、N、H、O、S（同位素表示为δ13C、δ15N、δ2H、δ18O、δ34S）对饮食和位置提供关键信息。

对于动物迁徙而言，在新陈代谢不活跃或“固定”组织（如毛发、羽毛、鳞片或昆虫翅膀）中同位素比例的测量一旦形成就不会改变，并且可以指示动物移动后的源地。降水中的H的稳定同位素比例被忠实地传递给消费者的发现，彻底改变了使用稳定同位素追踪陆地动物迁徙的方式。这是因为跨大陆的平均降水δ2H值形成了可重复的模式或等值线。 

图3.这些因素形成了降水中长期平均同位素比率的可预测模式。请注意，在北美洲北部，同位素比率有一个陡峭的梯度。这种梯度对理解候鸟的连通性非常有用。

  上世纪90年代中期，加拿大萨斯卡通的加拿大环境部研究团队首次证明，可以通过测量这些组织中的δ2H值，将迁移动物概率性地与不活跃组织生长的来源（即脱毛地点、出生地点）相关联。这项早期的工作是在迁移的帝王蝶和热带迁移鸟类上进行的，引发了对迁徙动物进行法医追踪的复兴。因此，现在可以通过测量一次对未标记个体的单一组织测量来获得有关其来源的信息。

图4. 鸟类羽毛中的大部分氢来自它们所吃的食物。在野外，这种食物(在夏季)是生长季节降水的直接产物。这种关系导致当地生长季节降水的同位素比率与生长在该地点的雀形鸟羽毛的同位素比率之间存在很强的因果关系（（University of Oklahoma Animal Migration Research Group）

同位素追踪的研究

   Hobson的研究团队已将同位素追踪技术应用于许多动物迁徙，从迁移的蝴蝶和蜻蜓到一系列迁徙鸟类，包括鸣禽和猎物物种。他们在非洲创立了多同位素（C、N、H）等值线模式，有助于使用该大陆进行鸟类迁徙研究。现在，已经开发出了一种可行的同位素工具，用于跟踪野生动物部件的非法贸易和疾病媒介物（例如禽流感病毒）的传播。未来也展望可通过对个体分子化合物与大量组织进行稳定同位素测量，以提高对来源的确定和了解迁移动物的营养。

更多信息，请阅：

Hobson, K. A. (2023). Tracking animal migration with stable isotopes. Open Access Government, April 2023, pp. 458-459. Retrieved from https://www.openaccessgovernment.org/article/tracking-animal-migration-stable-isotopes/155074/ (Accessed: August 19, 2023).