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能透過動物預測天災,但要怎麼追蹤呢?——《BBC 知識》

地震前夕蛇會四處逃竄、乳牛會停止泌乳⋯⋯這些奇事將不再只是鄉野怪譚,科學家正著手將它們發展成高科技預警系統!

  • 作者/喬.卡洛(Jo Carlowe)|科學自由記者兼編輯。
  • 譯者/高英哲|英國約克大學經濟學碩士,台灣大學科學教育發展中心長期合作譯者。

人類早在幾千年前,就藉由觀察動物讓自己生存下來。北美洲的原住民在將近 6,000 年前,便運用對美洲野牛行為的深度了解,想出一套有效率的打獵方式:他們驚嚇牛群,讓牠們爭相跳下懸崖,落到下方的屠宰營地。

至今我們對於動物行為的興趣,產生了新的見解跟用語。比方說衍生自「群眾外包」的「群包」(herd sourcing)概念,前者是利用人們的集體智慧,而群包是指利用野生動物的集體智慧。經由過去幾年的發展,觀察動物以獲得自然界的蛛絲馬跡,已經從民間傳說變成一門科學。

舉例來說,2013 年美國科學家著手測試牛群會在下雨前先趴下的無稽之談。研究人員測量牛隻的核心體溫,發現牛隻會在體溫低的時候趴下,體溫高的時候站起來,以便將熱發散出去。這也許無法準確預測降雨,不過牛隻行為與天氣之間顯然有關聯。

ICARUS系統的群包資訊,可讓科學家收集各種環境的資料。圖/《BBC 知識 2017 年 5
月號》

2015 年 9 月,研究人員在哥斯大黎加的公共衛生紀錄裡也發現相似情形:蛇在聖嬰現象期間較易出現攻擊行為。

時有耳聞動物可成為預測地震的「智慧感應器」證據。2014 年研究人員發表論文,探討 2011 年蹂躪日本的大地震跟海嘯發生前,動物行為異常的現象。論文作者指出,除了寵物變得比較黏人之外,震央 340 公里內的牛隻,產乳量在地震前一週下降。

壓力會影響牛隻產乳量,這意味著牛隻可能在地震發生前就感應到了。

此外,研究人員在 2011 年利用祕魯亞納查加國家公園的動作觸發攝影機進行研究,並在 2015 年發表論文:在芮氏規模 7.0 的孔塔馬納大地震發生前,動物行為出現改變。這些攝影機通常一天會拍攝到動物 15 次左右,然而地震發生前 23 天,拍到動物的平均次數是五次以下;在地震前一個星期更是完全不見動物蹤跡。科學家藉由震央周圍海面的極低頻無線電波反射的紀錄,發現地震發生前兩個星期,電離層出現擾動現象。地震前八天的大幅波動,更與動物活動第二次顯著減少的時間點吻合。

領導這項實驗的英國安格里亞魯斯金大學瑞秋.葛蘭特博士(Rachel Grant)指出,岩層受壓時釋放至大氣中的正離子,可能影響哺乳類以及鳥類。

野生動物或許也能夠在地震發生前好幾天或數週,察覺到大氣壓力、地下水位、重力跟化學物質的變化。倘若動物可做為地震的早期預警系統,那我們要如何運用呢?

追蹤器的演變

1900 年代,人們在鳥腿綁上手寫的辨識碼標籤,藉此追蹤牠們的動向。到了 1940 年代,科學家用雷達研究動物遷徙,1950 年代才開始使用聲納。

過去 30 年來,科學家開始利用衛星技術追蹤動物。近年來多虧電池技術的進步以及太陽能板的使用,追蹤訊號發射器的體積越變越小,也更有效率了。體重僅 42 公克的雨燕,將會攜帶一個1.1公克的發射器「背包」,相當於一個 70 公斤的人類負重 2.1 公斤。

科學家認為,一般動物能夠載重的上限是自身體重的 3%。瑞典隆德大學目前研發出最輕的發射器,重量僅僅 0.6 公克。

科學家也會採用間接追蹤的方法。比方說澳洲研究人員會利用「鄰近感應器」發射出的電磁輻射來監控蝙蝠,而不需要直接接觸牠們。這些方法可用來模擬疾病傳播,並加以評估。

其他非侵入性追蹤方法還包括:監控蜂巢內的溫度與二氧化碳濃度、計算蟻穴旁邊的腳印數量、用無人機定期拍攝動物照片,或是在巢穴附近架設攝影機,搭配影像辨識軟體,辨識每一隻動物。

科學家也會運用群包計畫。舉例來說,「宇宙動物園」(Zooniverse)的公眾成員會在線上辨識並計數動作感應攝影機所拍到的照片。

隨著追蹤技術日新月異,笨重的項圈已成為陳年骨董。

貼上標籤的帝王斑蝶可幫助我們了解牠們遠距離的遷徙活動。

威凱斯基將微型天線貼在歌帶鵐背上。

ICARUS展翅高飛

去年,科學家加碼投資動物預警機制的研究。這項全名為「國際太空站動物研究」(ICARUS)的計畫,在數千隻動物身上裝設追蹤標籤,標籤可發送無線電頻率訊號到國際太空站,藉此監測動物。科學家認為,透過即時且全球性追蹤動物的動向,可建立天然災害早期預警系統。

此外,科學家還可藉此更了解疾病傳播、推論氣候變遷新見解、協助保育瀕危物種,並且改進授粉、害蟲控制、播種等等生態系統服務。

這就是 ICARUS 能大顯身手之處!今年 6 月,太空人將在國際太空站上,安裝一架專門用於追蹤野生動物的無線電接收器,以前所未見的技術長期追蹤。

動物追蹤資料目前透過手機行動網路傳輸,然而行動網路到處都有妨礙傳輸的死角。ICARUS 計畫的接收器會在地球上空 320 公里處繞行,涵蓋九成以上的地表;由於國際太空站每 24 小時繞行地球 16 次,因此發射器發送訊號的時間不會過於延遲(參見下圖)。這表示訊號發射器將可與國際太空站上的 ICARUS 設備保持穩定通訊,科學家得以利用 GPS 定位動物所在位置。ICARUS 計畫主任馬丁.威凱斯基博士(Martin Wikelski)表示,「ICARUS 在海洋、沙漠、後山森林、山區以及農田都可以運作無礙,這點手機就望塵莫及。」

ICARUS 團隊接著便可建構演算法,比對模型化的行為模式以及異常的動物移動或行為(像是蛇變得較具侵略性,或是牛隻產乳量減少),指出即將發生大地震或其他天災。這類資訊最終可以發送給各國政府、非政府組織以及救援團體,藉此拯救人命。

除此之外,ICARUS 還有其他用途。大約 70% 的流行病(包括禽流感與 SARS)是透過動物與人類接觸傳染。ICARUS 這樣的系統可提供流行病學家重要資訊,像是疾病將在什麼地方、以什麼方式傳播。

地震發生前,岩層受壓而釋放出的離子會影響鳥類。

追蹤科技

計畫頭兩年,至少要為杜鵑鳥跟海龜等等 2,000 個動物貼上標籤,目標是兩萬個。這些標籤除了標記動物的所在位置,還會記錄當地高度、下潛深度、光線強度,以及任何與研究有關的參數。

ICARUS 是一套分碼多重進接(CDMA)系統,可讓好幾台訊號發射器同時透過單一通訊頻道發送資訊。計畫研究人員表示,CDMA 系統相當有效率,未來應該可使標籤縮到最小。CDMA 是以軟體為基礎,能夠隨著科技進步升級系統。威凱斯基說,「關鍵是,在空中要有一台很強大的電腦,能夠解碼這些傳入的訊號。就我們所知,還沒有任何系統採用過這樣新穎的做法。」

ICARUS 一開始會使用重約五公克的訊號發射器,不過他們的目標是縮小發射器至一公克以下,這樣就可以用來追蹤昆蟲。

「我們正積極研究,找出裝設標籤的最佳位置。比方說猩猩最好給牠戴手環,鳥類就背背包,哺乳動物則是耳標。」威凱斯基說,「未來,我們希望動物不用戴著巨大的項圈,只要貼個小小的 ICARUS 耳標就行了。」

科學家追蹤山羊,觀察牠們的活動情形是否會受火山影響。

科學家正著手實驗追蹤更小型動物的方法。英國研究人員利用諧波雷達,透過塑膠管內的應答器追蹤蝴蝶。他們用雙面膠將應答器黏在蝴蝶的胸部,重量僅 12 毫克,是小型蝴蝶體重的 8%、大型蝴蝶體重的4%。一般來說,標籤的重量上限是動物體重的 3%,一旦超過上限,就可能影響動物的行為或移動。

即使像浮游生物這類小到不行的生物,也能夠藉由奈米科技加以追蹤。瑞典隆德大學動物移動中心的拉斯安德斯‧韓森教授(Lars-Anders Hansson),就利用量子點(顯微鏡尺度的螢光探測器),研究身長 1.5 公釐的淡水水蚤。不過只有在鏡頭下才看得到量子點,因此目前只用來追蹤水族館裡的生物。

小標籤,大目標

「我們絞盡腦汁縮小標籤時,當然會想到奈米科技。」威凱斯基說,「不過這也表示我們必須做出比目前科技還小,而且更有效率的晶片。我們認為 ICARUS 作為新的通訊平台,可為世界各地的工程奇才提供廣大的揮灑空間。」

有意思的是,談到動物移動生態學,有些專家認為我們所面臨的政治紛擾,可能比技術瓶頸更具挑戰性。英國公開大學計算與通訊系的俞一峻博士在研究以追蹤飛機航線的雲端運算方法,監測動物移動的速度與模式時,談到「倫理、經濟跟社會阻撓」,並呼籲國際間應該要更密切合作。

各界確實在醞釀中。一個由國際專家組成的生態記錄社群,將與 ICARUS 同步成立,共享野生動物遷徙模式與行為異象的資料,以期能夠保護動物與人類的生命。

「我們的主要任務是,讓動物有機會與我們溝通,藉此徹底改變人類對於地球上各種生物的認識。」威凱斯基解釋。

倘若 ICARUS 計畫成功,將能夠強化我們與動物界的關係,達到前所未見的程度。這將使我們更深入了解動物的行為,最終不但可以拯救瀕危物種,也能拯救人類。

ICARUS 計畫的相關設備,將被安裝在繞地球運行的國際太空站上。


 

 

本文摘自《BBC知識國際中文版》第 69 期(2017 年 5 月號)

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