守在海里的“眼睛”：一年130万张照片，看清浮游生物的秘密

如果把海洋比作一座城市，浮游生物就是这座城市的常住居民。它们小到肉眼看不见，大到可以堵塞工业管道；既是海洋食物链的起点，也是生态变化的“晴雨表”。

要想给这些“居民”做一次准确的人口普查，传统方法总有短板：用网捞，网眼大小决定能捞到什么；用瓶采，一瓶海水只是大海里的一滴；拿回实验室用显微镜数，样品在采集、固定、运输过程中，生物可能已经死了、烂了、颜色也褪了。

更关键的是，如果一个月才做一次“普查”，很可能错过它们暴发的全过程——有些藻类一周之内就能从零星出现到铺天盖地。等你发现时，赤潮已铺满海面，取水口已经堵塞，损失早已发生。

2022年9月，国际期刊《Journal of Sea Research》发表了一项由马里兰大学环境科学中心、清华大学深圳国际研究生院、深圳市绿洲光生物技术有限公司等多家单位联合完成的研究成果。该研究利用PlanktonScope在广东某近岸海域连续采集一整年（2021年1月至12月）的高频数据，系统分析了浮游生物的时间变化特征及其驱动机制。

2021年1月，研究团队将原位成像设备PlanktonScope搭载在广东某近岸海域。设备以0.05Hz的频率（每分钟3张）持续采集图像，全年共采集约130万张图像，结合环境传感器（水温、盐度、溶解氧、pH、浊度、叶绿素a等）数据，采用基于深度学习（Mask R-CNN和残差神经网络）的图像识别系统，对9类主要浮游生物进行自动分类和计数。

PlanktonScope被固定在水下3米深的位置，采用640纳米红光照明，以减少对生物的惊扰；曝光时间短至2微秒——水流再快也拍不糊；每20秒拍一张照片——频率足够高，能捕捉暴发过程，又不会数据爆炸。这些图像数据最终绘成科学家电脑里的分析图表，也变成工程师手里的一张“预警时刻表”。

当130万张图像变成数据，一些以前看不见的规律开始浮现。

第一，浮游动物有“夜生活”。桡足类、虾类、水母等6类浮游动物，每天的密度峰值都出现在夜间。这是它们的“昼夜垂直迁徙”——晚上游到表层觅食，白天沉到深水躲天敌。这是地球上规模最大的动物迁徙，但用传统方法很难观测到，而PlanktonScope的高频数据，随便截取一周就能画出这张“作息表”。

第二，台风来了，谁倒霉？ 2021年三次台风过境，带来暴雨，盐度骤降、浊度飙升。PlanktonScope却依然清晰记录了恶劣天气浮游生物的动态信息：大多数浮游动物被“冲垮”——水母没了，虾类没了，毛颚类也没了，但桡足类却在台风期间或之后出现峰值。说明不同生物对极端天气的反应完全不同，不能一概而论。

第三，暴发和消退，快得惊人。 棕囊藻（一种会堵塞滤网的藻类）——从零星出现到大规模暴发，只需1-2周；夜光藻（赤潮的主要元凶）——能持续2周到1个月。如果按传统方法一个月采样一次，很可能“完美错过”整个过程。

研究团队总结出原位成像系统的八大优势：

多指标同步测量：同时获取多类浮游生物数据，全面反映生态系统状态

近实时输出：结合AI识别，数据产出周期缩短至近实时

高时空分辨率：采样频率和精度大幅提升

突破采样限制：不受网目孔径和拖网速度影响，可捕获胶质生物等脆弱物种

形态特征提取：可测量体长、透明度等功能性状

自然状态记录：捕捉生物的自然姿态和行为

经济物种早期监测：如虾、蟹幼体，可用于补充量指标构建

快速生物暴发捕捉：不错过短周期的藻类暴发

实验数据证明，原位成像系统可以成为守在海里的“眼睛”。当AI识别出致灾生物密度即将达到阈值，预警信号自动发出，工作人员可及时启动预案，避免造成经济损失。同样的技术逻辑，也可以应用到更广阔的领域：海水养殖区的水质预警、海洋保护区的生物多样性监测、赤潮暴发的早期发现……

海洋监测的终极形态，也许就是遍布沿海的“眼睛”，通过物联网连成一张网，实时回传数据，AI自动识别异常，预警信息直达管理人员手中。对管理者来说，这意味着从“事后分析”到“近实时评估”的跨越。当生态系统即将发生剧烈变化时，及时的信息能为提前干预赢得时间。随着高频浮游生物数据的日益丰富，我们对生物与环境相互作用的理解将不断深入，综合生态系统评估的准确性和预测能力也将迈上新台阶。

参考文献

Bi, H., Song, J., Zhao, J., et al. (2022). Temporal characteristics of plankton indicators in coastal waters: High-frequency data from PlanktonScope. Journal of Sea Research, 189, 102283.