难对付的蝗灾，科学家解决了关键性问题
本文来自微信公众号：造就（ID：xingshu100），作者：黄一成，原文标题：《蝗灾为什么难对付？科学家解决了关键性问题：它们将往哪里飞》，头图来自：视觉中国
暴风雨正从西边袭来。一只氦风筝（Helikite）在微风中摇曳，一小群穿着米色拉链服的科学家仰望着天空，小心翼翼地看着这个巨大的风筝，一点点拉动绳子让风筝下降，仿佛渔民们摇摇晃晃地拉着一天的收获一样。
在英格兰南部索尔兹伯里（Salisbury）以南的连绵起伏的丘陵地带，在350公顷的马丁·唐自然保护区的山沟里，成群的蝴蝶掠过，在地上留下了钴铜色的阴影。
远方的地平线乌云密布，而氦风筝——这个带有一对刚性翅膀的大型白色氦气球——被系在用金属桩固定在地面上的重型绞车上。
研究人员和氦风筝
氦风筝最初是为军队设计的。英国陆军用它们来搭载监视设备，其发明的最初目的是作为美国边界墙（美国和墨西哥边境）的一种低成本替代品。
但现在氦风筝也在昆虫学研究中得到广泛使用：氦风筝被放飞在不同的高度，上面携带大网来捕捉飞虫样本。
克里斯·哈索（Chris Hassall）拉紧绳子，让氦风筝缓缓下降。2019年8月，他带领着利兹大学的一个研究小组，使用一对小汽车那么大的氦风筝在英格兰南部两个地点对空气进行取样。
这项工作是BioDAR项目的一部分，该项目可能彻底改变我们对昆虫的理解，并解释为什么昆虫正走向灭绝。
走向灭绝的昆虫
自维多利亚时代以来，昆虫学研究的“套装”一直没有改变：身着卡其色外衣、举止绅士的博物学家来到遥远的丛林，从蝴蝶网中清理出五颜六色的标本，把它们压在沉重的书本中，然后送到博物馆，等待档案馆里的工作人员整理。
在过去，这些标本实在是太多了，以至于整理的人要远远多过捕捉的人。但现在，全球的昆虫数量似乎正在衰退。
德国的一项研究发现，在过去30年里，飞虫数量已经下降了75%以上。2019年2月发表的对2013年以来的昆虫数据进行的73项研究调查发现，40%的昆虫物种在未来几十年内有灭绝的危险。全世界昆虫的数量每年下降2.5%，这意味着它们可能在一个世纪内完全消失。
昆虫可能在一个世纪内完全消失
哈索说：“我们必须意识到，昆虫数量的减少对世界的运作方式绝对是至关重要的，这比大多数人都想要保护的狮子和老虎都重要得多。但证据，特别是可量化的数据却几乎不存在。”
BioDAR项目旨在改变这种状况。哈索和利兹大学生态学教授比尔·库宁（Bill Kunin）以及同事们，希望利用气象雷达的数据来识别飞行昆虫产生的信号，并找到这些缺失的证据。
哈索解释道：“如果你能有一个像天气地图一样的昆虫地图，就可以找到哪里最‘热’哪里最‘冷’，然后尝试将这些热和冷的点与一些潜在的因果因素联系起来。”
该项目如果成功，将能够建立一个全球昆虫分布图，可以通过预先警告害虫的泛滥，帮助拯救濒危物种、保护非洲的农作物。这将是昆虫学的一大飞跃。
而和所有最好的创意一样，这个项目的点子也始于酒吧。
昆虫与雷达
2016年12月，哈索参加了利兹大学组织的“Crucible”（意为熔炉）活动，以促进不同学科科学家之间的合作。各部门的工作人员聚集在韦瑟比附近的伍德霍尔酒店，就公众参与和职业发展等主题进行了为期两天的专题演讲。
第一天活动结束后，一些学者聚集在酒店的酒吧里。哈索和研究昆虫进化的新西兰同事莉兹·邓肯（Liz Duncan），以及利兹大学气候和大气科学研究所的美国雷达科学家瑞安·尼利三世（Ryan Neely III）聊了起来。
“当时我正有些迷茫” 哈索说。“我需要以不同的方式敞开心扉、思考问题。”
对气象学家来说，昆虫是一种“噪音”。
气象学家在雷达中看到蜜蜂，但是把它们当作“噪音”
多年来，他们开发了复杂的算法，把雷达上看到的所谓的“大气水文现象”（hydrometeors），如雨、雨夹雪、雪、冰雹进行排序。
“我们会在天气数据中看到蜜蜂”尼利告诉哈索和邓肯，“但我们会把获取的这些数据丢弃掉。”
昆虫学家互相看了看，“当你说你看到蜜蜂时，你到底看到了什么？” 哈索问。
“没有人真正知道”尼利回答说，“我们只知道那不是雨。”
雷达显示的天气图像
雷达在第二次世界大战中发挥了关键作用，当时该技术被用来跟踪敌机和船只的动向。战后，雷达成为监测天气的主要工具。
但一个谜团依然存在：众所周知，鸟类是大部分“幽灵信号”的来源，但还会有被称为“点天使”（dot angels）的较小回声出现在世界各地安装的一些新的、更强大的气象雷达上。
1949年1月，贝尔实验室的科学家发现，昆虫可能是“点天使”的来源。
到20世纪90年代，一种专门为昆虫学开发的新型垂直雷达诞生了。“这就像一个探照灯，只是雷达辐射是不可见的，”杰森·查普曼（Jason Chapman）解释道，他自上世纪90年代末开始在英国自然资源研究所从事这项技术研究。
垂直雷达揭示了高层大气中昆虫的分布情况。查普曼说：“它改变了人们对昆虫迁徙的看法。我们估计，每年有数万亿种昆虫参与到这些迁徙中，它们重达数千吨。”
然而，英国不再有运营中的垂直雷达了。查普曼说：“制造这些雷达的人已经退休了，我们没有资金或专业知识来进行重建。”
因此，BioDAR项目希望依靠更持久的技术——覆盖整个英国的18个天气雷达。查普曼说：“使用现有的气象雷达既有优点也有弊端，但其中一个好处是，这些雷达会被维护，我们不必担心它们不复存在。”
“我们知道天气数据中有昆虫和鸟类”，尼利说。“但我们从来没有以连贯的方式做过任何事情。”
双极化雷达生成的三维图像
然而，在过去几年里，雷达技术的进步开辟了新的可能性。新一代双极化雷达能够发出两组无线电波，一组上下移动，另一组侧向移动，可以构建一个更精确的三维图像。
对于气象学家来说，双极化雷达有助于把雨、雨夹雪、雪和冰雹区分开来。哈索、尼利和邓肯意识到，他们也可以用这种新型雷达来识别昆虫。哈索说：“雷达技术的革命开启了以更全面的方式查看昆虫的新能力。”
几个小时后，三人就达成了一项计划。
到2017年夏天，哈索、尼利和邓肯已经为这个项目确定了一个名字（最初是BeeDAR，但蜜蜂的飞行高度往往太低，雷达无法确定它们的数量），并借着大学的资金支持开展小型试点研究。
这项工作还获得了英国自然环境研究理事会60万英镑的资助。到2020年夏天，研究人员还将使用直升机进行空中采样，把通过雷达在天空中看到的情况与当时天空中实际飞行的昆虫进行比较。
哈索解释道：“我们希望的结果是，我们能在雷达上看到更多昆虫的地方捕捉到更多昆虫。”
未来的应用
每天早晨，团队都将氦风筝放飞到一千米的高度（为此他们还必须获得民航局的许可）。最大的风筝需要三罐氦气，大约要半小时才能充完气。
系绳上装有一系列轻型传感器，用于测量压力、温度和湿度，并确保能够在正确的高度位置采集样品。
团队中的物理学家弗雷亚·艾迪生 （Freya Addison）负责通过笔记本电脑实时监控这些数据。如果遇到气象灾难或是系绳被卡住，氦风筝还配备了一个“自动切断系统”，如果偏离发射点太远，整个气球会爆裂。
物理学家弗雷亚·艾迪生负责通过笔记本电脑实时监控传感器数据
通常，从网中把捕获的虫子提取出来需要一种叫做涉及一种叫做“吸虫管”的装置：一个塑料罐，头上连着两个管子，使用者用一个管子对准昆虫，通过从另一个管子里吸气，把昆虫吸到塑料罐里。吸气的管子中会有网格，防止使用者把昆虫吸进喉咙里。
由于收集的昆虫数量实在太多，达利临时想到了一个更快的解决方案：使用一个手持式真空吸尘器。
一周后，他们的冰柜里塞满了昆虫。回到利兹后，他们会对样品分类。但有些物种差异特别小，以至于专家也只能在显微镜下分辨出差异。
但一种新的技术给识别单个物种提供了更快的方法：这就是DNA宏条形码。研究人员可以将昆虫样本放入一种叫做“同质器”的机器中（本质上就是一个高速搅拌机），将虫子打碎成奶昔一样的混合物。
随后研究人员可以对这种混合物进行DNA监测，以寻找不同物种特有的DNA标记，从而准确地确定原始样本中有哪些生物。
最后，BioDAR团队将使用在汉普郡的奇尔伯顿天文台，也是世界上最强大的可操纵的气象雷达进行观测。这个气象雷达可以每六秒钟拍摄一张天空的照片。
研究人员将通过释放苍蝇来测试他们的模型
研究人员计划繁殖数十万只苍蝇（大概会装满几只鞋盒的数量），然后用气球将它们送到雷达上方，然后在天空中释放。
BioDAR的终极考验是，将他们模拟出的昆虫扩散模式和雷达上看到的实际模式相比对。如果验证是成功的，哈索希望把团队正在使用的算法应用到其他国家，以利用那些目前在天气数据中被丢弃的“噪音”。
“借由这种方法，我们有可能在5到10年内进行全球性的昆虫生物量测量，这令人兴奋，”他说。“这真的很酷，而且这仅仅是个开始——在非洲，BioDAR背后的技术可能会对人们的生活产生巨大影响。”
几年前，没有人知道非洲蝗灾出现的确切的时间或方式。其罪魁祸首是世界上臭名昭著的顶级空中杀手——沙漠蝗虫。
作为全球飞行能力最强的蝗虫之一，沙漠蝗虫、东亚飞蝗、与澳洲疫蝗成为世界范围内蝗灾的首要元凶，其破坏力堪比“轰炸机”，据预测，目前全球至少十分之一的人口生计会受到这种饥食昆虫影响。
库宁说：“它传播的速度是惊人的。2016年1月，尼日利亚确认出现了蝗虫群。2017年，肯尼亚损失了两个月的玉米产量。到2017年12月，整个撒哈拉以南非洲都出现了蝗灾，这是一个巨大的问题。”
根据国际农业和生物科学中心的一份报告，自2017年以来，蝗虫已使非洲农民损失超过100亿欧元。
非洲遭受近25年来最严重的蝗灾
库林正在领导一个由比尔和梅林达·盖茨基金会支持地BioDAR的姐妹项目，该项目希望英国正在开发的同类算法，以监控和预测非洲高速移动的害虫群。
然而，非洲只有屈指可数的两极化雷达。其中8个在南非，而且大多数是在单极化模式下运行的，因为这种模式更便宜。
2019年9月，库宁和弗雷亚·艾迪生飞往东非的卢旺达，因为在其首都基加利以南约30公里的基纳齐附近有一个双极化天气雷达。
在卢旺达首都，库宁和艾迪森启动了PestDAR项目，并与卢旺达大学和农业委员会的昆虫学家开会，启动地面取样工作。该项目计划将收集的信息与卢旺达气象局的历史雷达数据相结合。
最终，库宁希望创建一个系统，让农民能够提前得到蝗虫进犯的通知，以便他们可以采取防范行动。
“BioDAR的方法可应用于世界各地各种类似的挑战，我真的很兴奋。”库宁说。“可能性的数量，只取决于我们的想象力有多丰富。”
本文来自微信公众号：造就（ID：xingshu100），作者：黄一成
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