聚合效应？拉格朗日相干结构在塑造海洋食物网中的作用
海洋中捕食者与猎物关系错综复杂，不同营养级的物种之间存在动态相互作用。拉格朗日相干结构被定义为流体流动中随时间推移倾向于捕获或浓缩颗粒的特征，在海洋食物网的组织和行为中发挥着关键作用。近日，一项里程碑式研究发表在《Nature》上，量化了拉格朗日相干结构如何影响小尺度海洋食物网的空间结构。
什么是拉格朗日相干结构
拉格朗日相干结构（Lagrangian Coherent Structures, LCSs）在2000年首次被提出，将其描述为拉格朗日粒子动力学中最为排斥、吸引和剪切物质表面。在流体中，单个流体粒子的轨迹对初始条件的变化非常敏感，这使得基于单个粒子轨迹的流动模型和观测结果不可靠。然而，在这些复杂且敏感的轨迹模式背后，存在一种稳健的物质表面拉格朗日相干结构，它们不受单个轨迹不确定性的影响，能够框架化、量化甚至预测物质输运的关键方面。
2022年的一项研究，探讨了由大规模洋流水平搅动引起的拉格朗日锋面在食物网中的作用，研究表明，拉格朗日锋面在浮游生物的积累中起着结构性的作用，影响着远洋鱼类、鱿鱼、海鸟、象海豹、企鹅和鲸鱼的觅食策略。
之前的大部分研究都是在较大的远洋生态系统下进行的，在这些大尺度上，通常利用卫星观测到的海洋颜色追踪大型浮游植物斑块的演变，而全球定位系统标签则用于追踪大型海洋动物相对于从卫星测高或远程雷达等计算出的拉格朗日相干结构的运动。然而，捕食者和猎物斑块之间的相互作用可能比这些系统测量的尺度小得多。
❓趣味问答：以下哪项最能反映拉格朗日相干结构在海洋生态学中的作用？（想挑战一下？点击试试看吧）
A. 拉格朗日相干结构有助于解释流体中物质的传播路径和传输阻碍。
B. 拉格朗日相干结构仅影响海洋的热力学特性，与生物物种无关。
C. 拉格朗日相干结构用于预测风暴潮的风向变化。
D. 拉格朗日相干结构只能用于物理学领域，无法评估生物学或气象学。
正确答案（想好答案就点击看看吧~~~）：
A.
解析：拉格朗日相干结构对海洋生态学的作用主要体现在其能够揭示流动中物质的输运路径，拉格朗日相干结构通过标志流动中主要的“屏障”或“界面”，有助于分析物质的运动和区域集中，从而影响生态系统中的物种分布和食物链结构。其他选项则未能准确描述拉格朗日相干结构的实际作用。
拉格朗日相干结构对小尺度海洋食物网的影响
为了探究小尺度的表层海流是否通过拉格朗日相干结构影响了海洋食物网的空间结构，特别是浮游植物、磷虾和企鹅的分布，研究人员在南极帕尔默深海峡谷部署了高频雷达来测量每小时的海面流，使用有限时间李雅普诺夫指数（Finite Time Lyapunov Exponents，FTLE）作为度量来识别吸引性的拉格朗日相干结构，研究人员结合现场光学数据集检测浮游植物斑块、主动声学观测磷虾以及GPS标记的企鹅，观察食物网的三个层次并分析它们与拉格朗日相干结构的关系。
研究发现，浮游植物斑块倾向于出现在拉格朗日相干结构的高值区域，表明浮游植物通过水平海流运输集中。与随机分布的浮游植物斑块相比，观察到的浮游植物斑块的FTLE值显著更高，浮游植物斑块的FTLE值分布峰值约为0.3hr⁻¹，而随机分布的浮游植物斑块的FTLE值分布峰值约为0.22hr⁻¹。
磷虾群也倾向于出现在拉格朗日相干结构较高的区域，与随机分布的磷虾群相比，观察到的磷虾群的FTLE值显著更高。磷虾群的FTLE值分布峰值约为0.35hr⁻¹（混合层上方）、0.33hr⁻¹（混合层下方）和0.35hr⁻¹（所有磷虾群），而随机分布的磷虾群的FTLE值分布峰值约为0.25hr⁻¹。
阿德利企鹅和巴布亚企鹅的觅食地点也倾向于出现在拉格朗日相干结构的高值区域，企鹅的潜水地点与拉格朗日相干结构的高值区域显著相关，表明企鹅在这些区域更容易找到集中的猎物。
图（点击查阅）：FTLE的密度分布
图示说明：a与观测到的浮游植物斑块（黑线）和随机浮游植物斑块（灰线）相关的 FTLE 密度分布，先前发表于 Veatch 等人中。与随机浮游植物斑块相比，浮游植物斑块 FTLE 值密度分布偏向更高值（KS 检验，p = 0.01187）。b与观测到的磷虾群（实线）相关的FTLE密度分布，位于混合层深度上方（虚线）和下方（点线）。所有这三个分布都偏向比随机磷虾群（灰线）更高的 FTLE 值（KS 检验，p = 9.57e-14、0.0028、5.56e-12）。c阿德利企鹅和（d）巴布亚企鹅的 FTLE 值以实线显示，随机企鹅的 FTLE 值以虚线显示。如果将单个鸟类系统地排除在分析之外，灰色区域代表阿德利企鹅或巴布亚企鹅的分布。这样做是为了确定是否是单个鸟类推动了结果。与模拟企鹅的 FTLE 值相比，阿德利企鹅和巴布亚企鹅的 FTLE 分布都偏向更高的值（KS 检验，p = 2.7e-5，p < 1.66e-15）。所有曲线都是使用R 统计包中的密度函数计算的核密度估计值，其中核平滑器的带宽设置为 0.03。这些密度曲线可视化了基础数据的频率。
研究结果表明，拉格朗日相干结构通过小尺度海流对食物网的空间结构产生了聚焦效应，集中了浮游植物、磷虾和企鹅的分布，这种聚焦效应在帕尔默深海峡谷生态系统的维持中起到了关键作用。
❓问答题：以下哪种海洋生物最可能受到拉格朗日相干结构的影响？（想挑战一下？点击试试看吧）
A. 鲨鱼
B. 磷虾
C. 海龟
D. 海星
正确答案（想好答案就点击查看吧~~~）：
B.
解析：磷虾作为中上层浮游动物，其分布受到海洋运输特征的影响。研究表明，磷虾群倾向于出现在拉格朗日相干结构的高值区域，表明它们被海流集中。而鲨鱼、海龟和海星的运动能力较强，受海流影响较小。
参考文献：Jacquelyn M. Veatch, Matthew J. Oliver, Erick Fredj, Hank Statscewich, Kim Bernard, Ashley M. Hann, Grant Voirol, Heidi L. Fuchs, William R. Fraser & Josh T. Kohut ，Lagrangian coherent structures influence the spatial structure of marine food webs. Communications Earth & Environment volume 6, Article number: 127 (2025) ，doi：10.1038/s43247-025-02101-x