动物网络可以帮助拯救正在消失的野生动物

8月的一个星期三下午，生物学家马丁·威克尔斯基眼睁睁地看着他17年的职业生涯即将化为泡汤——因为一个电缆错误。

在距离地球约400公里的高空，宇航员奥列格·阿特米耶夫正在摸索着接通电源，而威克尔斯基则在莫斯科的指挥中心监控着整个行动。这位宇航员当时正漂浮在国际空间站(ISS)外面，试图用宇航服上又厚又硬的手套连接两根不匹配的电缆——但这是永远不会成功的。当国际空间站以每小时27000多公里的速度在太空中飞驰时，这位宇航员的任务却毫无进展。

威克尔斯基是位于德国拉多尔夫泽尔的马克斯·普朗克鸟类研究所的所长，他在莫斯科见证了一项研究的最终成果。这项研究耗费了他职业生涯的大部分时间，但有时也有可能使其偏离轨道。阿特米耶夫号在空间站外面安装了一个3米长的天线，这是追踪地球上野生动物系统的一部分。该项目将使科学家首次能够从太空监视动物，包括那些无法携带现有卫星跟踪设备的微小动物。

从长远来看，Wikelski希望该系统将连接如此多的个体——从大象、莺到海龟幼崽——从而创建一个“动物互联网”。它可以使用野生动物的运动和习性就像手机应用精确定位交通流量和照亮人们的社交网络一样。但首先，宇航员必须插上国际空间站上的天线。

8月15日的太空行走从一开始就令人痛苦。在莫斯科指挥中心的一个辅助室里，当他看到阿特米耶夫抓住120公斤重的天线，用手把它推出空间站的气锁，把脆弱的接收器撞到航天器的外部时，威克尔斯基吓了一跳。几个小时过去了，阿特米耶夫和他的宇航员同伴谢尔盖·普罗科比耶夫爬过国际空间站，费力地在杂乱的外观上系好缆绳。

最后，当俄罗斯人努力将天线连接到电源时，威克尔斯基被怀疑所困扰。他的团队是否在线路上犯了一个可怕的错误，给宇航员带来了麻烦?所有这些工作都注定要失败吗?

他和一小队来自德国航天局和他自己的研究所的工程师聚在一起，看着阿特米耶夫一次又一次地尝试连接，同时检查蓝图，以确保他没有让错误的电缆从哪里溜出去。Wikelski知道这个拖延已久的项目不会再有机会了。

几分钟后，阿特米耶夫终于找到了正确的电缆端，并将天线插入了空间站的电源。莫斯科的工程师们打开了天线的计算机。它的系统一个接一个地上线。当屏幕上的最后一行从红色变成绿色时，威克尔斯基终于可以放松下来了。

几天后，这位53岁的研究员回到了他领导了十年的马克斯·普朗克研究所，站在聚集在一起的工作人员面前。“名义上的操作应该在11月初开始，”威克尔斯基兴奋地宣布，并举起酒杯敬酒。“现在我们是宇航员了!”

飞的高

在过去的几十年中，利用无线电项圈和全球定位系统(GPS)发射器追踪野生动物改变了研究人员理解动物王国行为的方式。使用通过卫星、移动电话和无线电技术进行通信的标签，科学家可以跟踪从开阔海洋中的鲸鱼到丛林深处的美洲虎的一切。

但是世界上大多数物种的远距离移动对研究人员来说仍然是看不见的。体重不足100克的动物不能安全地携带最小的卫星标签。这使得75%的鸟类和哺乳动物物种——以及所有昆虫——都无法被这种方式追踪。而且每个标签都要花费数千美元，这使得大规模部署成为一个昂贵的提议。

Wikelski希望通过他的名为ICARUS(利用空间进行动物研究的国际合作)的项目来改变这一切，该项目远远超出了国际空间站的单一天线。他预测，在十年内，一个卫星网络将致力于实时跟踪数十万种动物。

Wikelski设想的动物网络将能够回答研究人员甚至不知道他们有的问题。他说，ICARUS可以解释为什么候鸟和蝙蝠物种正在消失，并绘制出禽流感和埃博拉等病原体的传播地图。它甚至可以提供虫害爆发的早期预警，甚至可能是地震的预警。他说:“通过将我们的视角提升到太空，俯瞰全球，它改变了研究生态学的方法。”

为了让ICARUS升空，Wikelski花费了他职业生涯的大部分时间。早在2001年，他就提出了在国际空间站上安装无线电接收器的想法。从那以后，他就一直在向投资人和其他生物学家推销他的想法，同时等待技术——以及其他人——赶上他的设想。

这并不容易。国际空间站任务执行基地约翰逊航天中心的NASA官员嘲笑他离开了休斯顿。他最终为ICARUS在俄罗斯国际空间站模块赢得了一个位置，但多年来一直担心国际政治冲突会毁掉这个机会。他把大量精力都放在了ICARUS上，以至于他在马克斯·普朗克鸟类研究所的职位一度岌岌可危。即使在他已经将ICARUS发展成为一个涉及数十人、来自五个国家和八个主要资助机构的合作伙伴的项目之后，Wikelski在1月份告诉同事，他处于放弃的边缘，不愿将更多的研究生涯浪费在一个不切实际的梦想上。

但他没有，或者说不能，放手。纽约伊萨卡市康奈尔大学的鸟类学家大卫·温克勒说:“仅仅是凡人是做不到这一点的。”“他为此付出了这么多心血，值得称赞。这是一项巨大的投资。”

事实证明，真正的工作可能才刚刚开始。

在空中

在巴伐利亚乡下的自家谷仓里，小时候的威克尔斯基会花好几个小时盯着屋檐下的燕子和家燕。当一位老师告诉他，这种小鸟每年都能飞到南非的时候，这激发了他的想象力。在他十几岁的时候，他拍摄鸟类，并被训练成一名鸟类绑带师，给羽翼未丰的燕子固定小金属条，当它们多年后回到同一个巢穴时，他感到非常惊讶。他说:“当你给一只动物绑上带子，它在全球旅行后回来，这真的令人难以置信。”

这一发现开启了一项毕生的探索，即尽可能接近迁徙动物。在20世纪80年代初服兵役期间，威克尔斯基自愿担任早班运输司机，早上5点起床，下午早些时候结束一天的工作。一下班，威克尔斯基就拖着悬挂式滑翔机向巴伐利亚阿尔卑斯山的高处飞去。他说:“一年来，我每天都有机会进行悬挂滑翔。”

他被悬在离地面很高的地方，能够感觉到把鸟类和蝙蝠带到空中的气流。“这是变革性的，”威克尔斯基说。“我想了解鸟类在做什么，如果你不亲自做，你是无法理解的。”

Wikelski在德国获得了行为生态学博士学位，然后在美国攻读博士后，很快进入巴拿马的史密森尼热带研究所，之后在伊利诺伊大学香槟分校任职。在美国中西部的平坦平原上，他把自己的悬挂式滑滑机换成了一辆破旧的奥兹莫比尔(Oldsmobile)，车上有紫色天鹅绒座椅，车顶有一个突出的天线。他的研究生们称这个装置为蝙蝠车。

它可能看起来不怎么样，但在了解候鸟方面，蝙蝠车是最先进的。自20世纪60年代以来，研究人员就一直在使用类似的装置，当时美国生物学家先驱威廉·科克伦使用微型无线电标签跟踪迁徙的鸣禽，如斯温森画眉。Catharus ustulatus)．发射机很轻，适合小鸣禽携带，但代价是距离很短:科克伦和后来的威克尔斯基必须在距离鸣禽几公里的范围内跟踪，才能接收到无线电信号。

由于斯温森画眉在夜间飞行，在风向适宜的情况下可以以每小时112公里的速度移动，因此追踪这些鸟需要赛车司机的技能和马拉松运动员的耐力。Wikelski说:“飞机会在黄昏到凌晨2点之间起飞，一旦哔哔声改变，你就会开始疯狂驾驶，因为你不想跟丢了那只鸟。”蝙蝠车提供了必要的加速。这辆装有特殊天线的奇特汽车在凌晨3点高速行驶，每晚都会被当地警察拦下两三次。

2004年，Wikelski和Cochran与生物学家Henrik Mouritsen合作，研究画眉鸟在天黑后是如何航行的。他们把圈养的鸟放在磁化的笼子里，人工调整它们的方向，然后释放它们。一夜又一夜地跟在它们后面奔跑——包括穿越美国大平原1100公里的长途跋涉，以追逐一只比握紧的拳头还小的鸟——他们能够证明，这些鸟结合了磁感应和光线线索来校准它们的飞行路线¹．

此后，Wikelski将这项技术应用于追踪更小的生物。他已经成功地在蝉、蜻蜓甚至大黄蜂身上安装了无线电标签，并继续在欧洲追踪带有无线电标签的鸟类和蝙蝠。他了解到，长途迁徙比想象的要常见得多，一些昆虫要飞几公里才能找到食物。这项研究表明，就能量输出而言，动物迁徙比研究人员想象的要便宜得多:蝙蝠和鸟类在上升气流中漂浮，蝴蝶在气流中“游泳”，一些鸟类在飞行时的心率与它们坐着时相同，Wikelski说。

这项工作巩固了他的信念，即追踪动物的自然运动是解开它们行为之谜的关键。“如果你不了解它们在野外做什么，你就不了解生物学，”Wikelski说。

但很明显，一次只追赶一只地上的动物，结果总是有限的。“如果你真的想了解这个世界，你必须从上面去做，”Wikelski说。

在丛林中追踪

威克尔斯基第一次尝试从上方追踪动物是在20世纪90年代末，在巴拿马海岸一个名叫巴罗科罗拉多的16平方公里的岛屿上。他和现就职于罗利北卡罗莱纳州立大学的生物学家罗兰·凯斯(Roland Kays)想要跟踪丛林生物，如美洲虎、刺鼠和树懒在茂密的森林中穿行。但GPS还处于早期阶段，森林茂密的树冠阻碍了配备该技术的标签。

取而代之的是，威克尔斯基和凯斯改造了无线电标签，建立了一个由7个无线电塔组成的网络，每个塔都超过40米高，用来对移动中的动物发出的信号进行三角定位。他们设计的处理和存储数据的软件成为一个名为“移动银行”(Movebank)的系统的基础，该系统让世界各地的生物学家分析和分享运动跟踪数据。该系统于2007年启动，并于今年9月收集了第10亿个数据点，为数百篇科学论文提供了基础。公众还可以通过一款名为“动物追踪者”(animal Tracker)的手机应用程序获得一些有关动物运动的信息。

通过连接ICARUS和Movebank, Wikelski希望创造一个强大的工具，研究人员和公众都可以使用。站在办公室附近的Radolfzell城堡的阴影下，Wikelski拿出他的智能手机，点击了动物追踪应用程序。阿拉斯佩内洛普)，研究人员将其戏称为纪尧姆。这只鸭子身上带着一个可以连接移动电话网络的追踪标签，这表明它在过去两周一直在哈萨克斯坦的一个池塘里浮着。

该应用程序上的一个按钮可以让用户轻松地回到过去。威克尔斯基沿着吉尧姆曲折的足迹穿越欧洲，来到阿姆斯特丹郊区，这只鸭子在六个月前被捕获并贴上了标签。在这样一个时代，人们观看鹰巢的直播，痴迷于单个动物，而成千上万的动物却不知不觉地消失了，Wikelski认为这样的跟踪数据是一种个性化保护的方式。“我们终于有办法和野生宠物生活在一起了。我们终于能明白这有多难，有多危险。你可以看到你当地池塘里的鸭子刚从俄罗斯回来，”他说。有那么一瞬间，那个看着燕子出发去南非的男孩光芒四射。

威克尔斯基认为，追踪动物是一种“塞西化”保护的方式。塞西尔是一头富有魅力的雄性非洲狮(豹属狮子座）它是津巴布韦万基国家公园里最上镜、最受喜爱的动物之一。2015年，塞西尔在公园外被一名美国牙医猎杀，但狮子追踪项圈的数据显示，它是被诱出保护区的。塞西尔的死在国际上引起了轩然大波，并引发了禁止战利品狩猎的呼吁。

威克尔斯基认为，有机会让人们对其他野生动物问题产生同样的兴趣，比如欧洲鸣禽数量的迅速下降。他希望通过追踪它们的遭遇来提高人们的意识。“我们失去了4.2亿只鸣禽，但没人在乎，”他说。“一只叫塞西尔的伯劳鸟改变了一切。”

Wikelski在巴拿马和美国追踪动物的经历促使他想知道一种更好的方法。当你可以把接收器放在太空中，在那里它可以接收到来自世界各地的信号，而不受地理位置的影响时，为什么还要为无线电发射塔或在汽车或飞机上追鸟而烦恼呢?

当他在2001年第一次提出这个想法时，他认为这个想法会很容易被接受。他说:“我当时想，‘三年后我们就能把它放在空间站上。’”相反，当时还是新泽西州普林斯顿大学(Princeton University)助理教授的威克尔斯基甚至花了数年时间才在NASA获得了一个职位。2004年，当他前往nasa休斯顿太空中心时，这位热心的年轻德国生物学家被换了一个又一个办公室，但没有成功。他很快了解到，鸟类和蝙蝠不在NASA的雷达范围内。

维克斯基拒绝放弃这个想法。“在美国国家航空航天局说，‘它永远不会飞’之后，我把它叫做伊卡洛斯(ICARUS)。”伊卡洛斯是希腊神话中注定要失败的人物，他在飞得太接近太阳后坠入大海。他开始联系世界各地的同事，收集兴趣和例子，说明更轻、更便宜的卫星标签如何在从大型哺乳动物保护到海龟研究等各个领域产生巨大影响。

研究结果是2008年的一份白皮书，列出了这项技术的32种可能应用，并获得了全球数十位著名生物学家的签名²．在该领域内，制造更轻、更便宜的卫星标签的想法很受欢迎。凯斯是该项目的创始合伙人之一，他说:“我们面临的挑战是让太空人员相信这是值得的。”“在过去的十年里，他一直在做的事情就是和太空人交谈。”

就在他发布白皮书的时候，威克尔斯基得到了科学界最令人垂涎的职位之一:马克斯·普朗克理事会理事。2008年，他从普林斯顿搬到马克斯·普朗克鸟类学研究所，该研究所位于康斯坦茨附近的一座乡村城堡里。

他说，这个转变是艰难的。Wikelski关闭了该研究所的鸟类系带项目——他十几岁时就是通过这个项目第一次学会给鸟类系带——这让他招致了德国许多传统观鸟者的敌意。甚至连威克尔斯基著名的耐力都受到了考验，他努力经营一个研究所，在附近的康斯坦茨大学教书，并继续推进ICARUS项目。

威克尔斯基说，在他上任几年后，外部评估人士给他的董事工作打了一个不及格的分数，称ICARUS和Movebank让他分心。他面临着资金削减或失去董事职位的风险。当时的马克斯·普朗克学会副主席赫伯特·贾克尔说，威克尔斯基说服了该学会信任他和他的ICARUS计划。“他对这个想法近乎狂热，”杰克尔说。“我们确信他会这么做，我们是对的。”

在德国航天局(DLR)的负责人听到了Wikelski的推销，并告诉他申请资金后，ICARUS项目开始获得动力。DLR的项目经理约翰内斯·维普勒(Johannes Weppler)现在负责ICARUS项目，他说，DLR比NASA更有热情，但仍在努力找出动物追踪项目在太空机构优先考虑的领域。

最终，在2012年，DLR同意资助ICARUS作为一个技术实验，并花费了超过2700万欧元(当时是3500万美元)来开发、测试和建造现在国际空间站上的ICARUS天线。俄罗斯是该项目的另一个国家合作伙伴，提供了空间站的空间、安装空间站的人员和将空间站送入太空的火箭。发射暂定在2015年。

随着俄罗斯和西方关系的恶化，发射被一次又一次地推迟。“在某种程度上，我想知道放弃是否会更便宜，”Wikelski说。到2018年初，他发誓:“如果天线在2月份还没有安装起来，再过几个月我们就退出。”

突然，事情开始发生变化。今年2月，威克尔斯基在哈萨克斯坦拜科努尔的俄罗斯航天中心观看了ICARUS的天线阵列离开地球。8月中旬，他在莫斯科观看了该系统向地球发回的第一个信号。

在飞行中

就在几天后，威克尔斯基开着他的敞篷菲亚特500来到康斯坦茨(Konstanz)边缘的一条泥泞的飞机跑道上。他跳上两层控制塔的台阶，拥抱着值班的空中交通管制员。Wikelski花了很多时间在这里——他每年至少有200个小时控制着研究所的塞斯纳飞机。

威克尔斯基拉开机库的门，把那架红白相间的小型螺旋桨飞机推了出去。在经过飞行前的检查和颠簸的起飞后，他在布满车痕的草地上向北倾斜，在康斯坦斯湖(Lake Constance)蓝色的水面上滑翔。当威克尔斯基向北面森林密布的山丘走去时，他打开了安装在机翼支柱上的天线，并平衡了放在大腿上的平板电脑。“我们基本上是在模拟国际空间站，”他说。

他在引擎的轰鸣声中解释说，在下面的某个地方，有五只黑鸟戴着第一批在野外部署的ICARUS标签。每个5克重的标签包含一个温度计、加速度计和GPS接收器，外加一个可以向太空发送信号的发射器和一个太阳能充电电池(见“太空中的眼睛”)。

Wikelski说，这款设备的小尺寸带来了巨大的不同。重量超过动物体重3%的标签有可能改变其行为并威胁其生存。这就是为什么使用移动电话或卫星技术的标准标签无法识别绝大多数动物的原因。一旦ICARUS系统在今秋晚些时候完全投入使用，这些标签将一次向国际空间站传输220字节的数据串。这相当于20个GPS位置，足以提供动物在任何一天的活动草图。

由于使用了太阳能电池，ICARUS标签理论上可以和携带标签的动物一样持续使用，而且可以回收和重复使用。这种标签还包括一个可存储500兆字节数据的存储芯片，足以记录动物一生的旅行、运动和能量消耗。

为了更快的数据传输，研究人员可以使用手持无线电设备从标签上下载信息，如果他们距离足够近——根据地理和植被，从几百米到15公里不等。“这非常令人兴奋，”英国斯旺西大学的鸟类能量学专家艾米丽·谢泼德说。

当飞机在Radolfzell研究所周围树木繁茂的山丘上空飞行1000米时，Wikelski的平板电脑上开始出现信息:黑鸟标签的位置、电池剩余电量以及它们最后一次与接收器通信的时间。向天空发送的每个字节都提供了鸟类习性的细节。

同事们表示，标签上的传感器阵列为研究人员提供了回答有关动物行为的棘手但关键问题的机会。例如，他们可以通过结合鸟类拍打翅膀次数的加速度计数据和它们的GPS位置，以及风速和降水记录，来探索为什么鸟类会选择特定的飞行路线。科学家们可以利用所有这些数据来比较一只鸟走一条路而不是另一条路需要消耗多少能量^3.．

监测鸟类迁徙只是一个开始。为了向决策者推销价值2700万欧元的动物追踪天线的想法，威克尔斯基严重依赖于它对人类的潜在好处。他认为，追踪数千只鸟类的飞行速度和温度，相当于在全球建立一个低成本、分布式的天气监测系统⁴．

他说:“未来，我们将利用每一种会飞的动物作为气象无人机。”“在太平洋中部20米高的地方测量温度是不可能的，但鸟类一直都在这样做。”

他不打算因为天气而止步。Wikelski最大胆的想法之一是将ICARUS标签部署在地震活动频繁的地区。民间故事中充满了能预测地震事件的动物。因此，Wikelski认为，在地震活跃地区的动物身上贴上带有加速度计的标签，或许可以创建一个地震早期预警系统。

为了验证这个想法，2012年，威克尔斯基给在意大利西西里岛的活火山埃特纳火山(Mount Etna)山坡上漫步的半野山羊贴上了数据记录器标签，这样他就可以在恢复标签后分析它们的运动。在几年的时间里，他观察到山羊在大喷发前4到6个小时走动的次数比大喷发后多得多。“如果你在山上有一个分布式的山羊网络，它们在某些晚上都疯了，这很简单，”Wikelski说。

尽管动物网络的潜力巨大，但Wikelski认识到，同事们对创建这样一个系统仍持保留态度。如果按照Wikelski想象的规模进行部署，在世界上一些最不易到达的地方，无法回收的标签可能相当于高科技垃圾。无论标签有多轻，捕捉生物并在上面放置追踪器都会增加动物的风险。“我们需要问，仅仅因为我们可以标记一些东西，我们应该吗?”谢泼德说。“随着成本的降低和可获得性的增加，这将是需要记住的重要事情。”

所有这一切都取决于部署大量的ICARUS标签，第一代的成本约为500美元，但在未来几年可能会变得更便宜和更小，Wikelski说。它还需要将该系统从国际空间站上的一个单独天线扩展到一个卫星网络，从而实现实时读出和监测。他估计一个三颗卫星的系统将花费8000万到1亿美元，并且需要大量的购买。他说:“我们必须证明，基于动物行为或运动的全球决策有一定的价值。”

他还必须启动并运行ICARUS。到10月中旬，由于俄罗斯和DLR之间关于天线操作的讨论出现了障碍，俄罗斯人仍然没有将ICARUS打开供公众使用。Wikelski希望这些谈判能尽快解决，该系统也能上线。然后，他需要全世界的生物学家集体采用它——而且要尽快。国际空间站的俄罗斯太空舱计划再运行6年，不过它可能会继续运行超过6年。与此同时，DLR计划只资助该任务到2024年。“之后会发生什么是一个大问题，”Weppler说。

这给了Wikelski和他的合作者最多10年的时间来说服研究界和航天机构，ICARUS值得扩展为一个全球卫星网络。

飞过康斯坦斯湖几天后，威克尔斯基再次登上飞机——这次是飞往加拿大温哥华，在那里，他向世界鸟类学大会宣布了ICARUS计划的启动。在接下来的一年里，Wikelski将环球旅行，帮助在俄罗斯东部堪察加半岛的熊、不丹的秃鹰、赞比亚的飞狐和刚果盆地的候鸟进行标记。“我们必须走向全球，”他坚持说。“我们必须狂野起来。我们得走了。”