如何弥补生物多样性的损失

我现在位于南非马迪克威野生动物保护区Tau水坑的边缘。在泥泞的池塘的另一边，一只孤独的公象在拍打着尾巴。他站在那里凝视着远处干旱的景色。

遗憾的是，我没有被派往南非研究这篇文章，而是坐在伦敦的厨房里，在Explore.org上观看厚皮动物的直播。该网站日夜播放来自世界各地野生动物热点地区的报道，让任何人都能驻足观看大自然。

Tau水坑的小溪只是科技如何帮助我们更好地了解地球生命的一个例子。今天对这种监测的需求比以往任何时候都要大。几十年来，科学家和活动人士一直在提醒世界注意物种的毁灭，但他们的警告正变得越来越严厉。对由人类活动引起的“第六次物种大灭绝”的担忧现在已进入主流意识。

生物多样性指的是一个栖息地中生命的多样性——从最小的单细胞生物到真菌、植被、昆虫、人类，甚至还有水坑边的大象。高度的生物多样性通常被认为是可取的。

生物多样性正受到威胁。生物多样性和生态系统服务政府间科学政策平台2019年的一份报告提醒世界，物种数量的丰富程度急剧下降。自1900年以来，本地物种的平均数量下降了至少20%，某些物种，如两栖动物，下降了令人震惊的40%。

科学共识很清楚，这些物种数量的下降几乎完全是由人类活动和入侵物种的到来造成的(入侵物种通常也与人类有关)。这种衰退不仅本身是一个悲剧，而且还可能对人类产生负面影响。地球上的生命维持着人类的生存，我们从自然界获得了许多所谓的“生态系统服务”。从几乎所有农业都依赖的昆虫授粉，到清洁我们饮用的水或呼吸的氧气，我们的生存依赖生物多样性。事实上，可持续地支持生物多样性是最重要的“技术关键目标”之一，这是工程师们着眼于的7个挑战的清单，以使地球上的生命获得最好的繁荣。

如果我们要保护地球上的生命并扭转这一令人沮丧的趋势，我们首先需要了解地球上有多少生物多样性。类似地，我们关于气候变化的科学依赖于收集大气中温室气体存在的数据。没有这些信息，我们就无法建立模型来预测气温上升的影响。

问题是，我们距离对全球生物多样性水平有如此清晰的认识还有很长一段路要走，所以我们很难准确地说出目前有多少生物多样性，以什么速度减少，或者如何采取不同的干预措施扭转这一趋势。研究人员、活动家、政府和国际组织正在不同层面努力解决这一问题。

“一天早上，我出去找帕瓦罗蒂。我在灌木丛中开车，结果开进了食蚁兽的洞穴，我的吉普车被卡住了。”卡西姆·拉菲克(Kasim Rafiq)是利物浦约翰摩尔斯大学研究大型食肉动物的研究员。作为他博士研究的一部分，他在博茨瓦纳的奥卡万戈三角洲寻找一只被科学家称为“帕瓦罗蒂”的大单耳豹。

拉菲克遭遇食蚁兽的不幸时，他一直在追踪美洲豹。就在他考虑下一步该怎么做的时候，另一辆满载游客的吉普车从他身边驶过，主动提出要帮他从沟里出来。当他和游客们交谈时，其中一名游客提到，他们在那天早上早些时候看到了一只大的单耳豹。拉菲克要求看他们的照片。果然，那是帕瓦罗蒂——只不过离他所观察的地方有两公里远。

这次偶然的相遇使我产生了一个想法。如果游猎的游客将照片上传到带有相关GPS元数据的中央数据库会怎样?通过使用一种形式的公民科学，研究人员将能够从数百个来源收集数据，而不需要花那么长时间独自四处旅行寻找动物。

在一项试点研究中，拉菲克与几个旅游团一起参观了博茨瓦纳壮丽的自然保护区。然后，他花时间研究这些图片，以建立一个详细的视图，了解那里有多少生物，以及它们在哪里漫游。

拉菲克说，他的试点研究和“公民科学”提供的野生动物位置和数量的数据可与更传统的研究方法相媲美。它还需要更少的跑腿工作，节省资金，可以在更长时间内生成数据，因为研究人员不可能永远呆在这个领域。

这是用于收集生物多样性信息的众多技术中的一个例子。直到最近，科学家们了解该领域植物、动物、昆虫或其他任何东西数量的唯一方法是花几个月的时间观察它们，并计算他们看到的东西。这意味着数据几乎总是有限的。然而，通过使用新技术，收集更多信息变得越来越便宜、越来越快。

塔里亚·斯比克(Talia Speaker)是野生实验室(WildLabs)的项目官员。野生实验室是包括世界自然基金会(WWF)在内的环保组织于2015年成立的伙伴关系。她解释说，WildLabs是一个研究人员和技术专家可以相互交流、分享最佳实践并获得建议或支持的平台。

Speaker表示，目前该领域使用的技术非常多，但最常见的三种是摄像机陷阱、声学监视器和生物记录器。

相机陷阱已经存在了几十年，但随着时间的推移，已经变得非常便宜和更好。相机陷阱上的运动传感器通常安装在树上，当动物经过时，它会注意到并拍照。较新的模型有热透镜，可以在夜间捕捉动物，这是“获取稀有和难以捉摸物种数据的好方法”，Speaker说。

另一个常见的工具是生物声学。这些录音机可以放置在树上、地上甚至水下，记录来自四面八方的噪音。然后研究人员收听，根据他们听到的声音找出附近生活的动物。现代生物声学工具可以通过编程，只捕捉研究人员感兴趣的物种的记录。例如，如果研究人员只对猴子的叫声感兴趣，他们就可以“忽略”鸟鸣。

还有生物记录器，这是一种跟踪设备。追踪器被安装在动物身上，并传输数据，显示动物去过的地方，这样我们就可以更多地了解它的行为。再说一遍，生物记录器已经存在多年了，但Speaker表示，它们越来越小，越来越便宜，提供的信息也越来越多，而不仅仅是位置。就像苹果手表一样，它们甚至可以记录动物的心率。目前最小的芯片可以装在单个蜜蜂的背上!

就其本身而言，这些技术对研究人员最有用，例如，跟踪一群特定的类人猿或调查某些鸟类的求偶叫声。然而，Speaker表示，人们正在努力通过聚合来更多地利用这些数据。

她提到了由微软支持的“地球人工智能”项目。它使用图像识别技术，可以从全球无数的相机陷阱中对数百万张照片进行分类。这种人工智能能够扫描比人类多得多的图片，希望它能比任何单独的相机陷阱告诉我们更多关于动物种群的信息。

传感器的缺点是，它们只能告诉我们在特定的时间，恰巧在摄像机、录音机或旅游吉普车附近的植物和动物。为了获得更大的图景，我们需要使用多种信息来源。

自20世纪70年代以来，美国宇航局一直在收集全球土地利用的详细图像。今天，任何人都可以访问地球观测站的网站，查看巴西植被覆盖变化的地图，或者澳大利亚海岸珊瑚白化的程度。因此，卫星图像是一个重要的工具，让我们看到人类对地球的影响。当然，卫星图像只能给我们一个变化的概貌。

一种更全面的方法可以在DNA分析中找到。纽卡斯尔大学(Newcastle University)生态学教授达伦·埃文斯(Darren Evans)描述了近几十年来全球如何努力对地球上所有生命的DNA进行分类，以创建生命的“条形码”。由于这项努力，科学家现在可以收集DNA样本，在实验室中进行分析，然后通过参考国际生命条形码找出它属于什么物种。

为了说明这是多么有帮助，埃文斯解释说，研究人员现在可以从一个池塘收集一个水样，并使用生命条形码来获得样本中存在DNA的每一个物种的列表。生物在不断地脱落细胞，所以这些痕迹可以相当准确地告诉我们哪些生物目前在池塘里，哪些已经经过池塘。

在他自己的研究中，埃文斯正在使用DNA来更精确地了解生态系统是如何工作的。仅仅通过收集一朵花的花粉，他不仅得到了这朵花的DNA，还得到了任何降落在花上的蜜蜂或昆虫的DNA。这些信息可以让我们更清楚地了解哪种物种依赖哪种物种。

DNA条形码系统的发展是非常强大的，它可以比以前开发的任何方法更快地告诉我们哪个物种居住在一个地区。但它也有局限性。埃文斯解释说，它不能告诉我们有多少个体生物存在，也可能揭示不再生活在那里的生物(一个水样可能含有灭绝已久的生物的痕迹)。

当研究人员收集生物多样性信息时，许多人将其上传到像GBIF(全球生物多样性信息设施)这样的全球数据库，这些数据库拥有来自全球每个角落的大量数据。这很好，但要理解这一切是极其困难的。

总部位于蒙特利尔的GEO BON是一个试图提供帮助的组织，该组织致力于分析所有这些数据，以便以有意义的方式使用这些数据。GEO BON执行秘书Adriana Radulovici解释说:“挑战不在于技术的价格，而在于更多的人力资源以及如何分析现有数据。”

例如，作为其对联合国的承诺的一部分，所有国家政府都必须提交其境内生物多样性的年度报告。这对富裕国家来说相当简单，但其他国家缺乏获得相关数据、技能或技术的途径。GEO BON可以帮助他们找到所需的数据，使用适当的模型并展示如何分析这些数据。

在解决生物多样性丧失的问题上，有一个模型可以显示随时间的变化，这将非常有用，就像我们有基于碳排放数据的气候变化模型一样。这样的模型将揭示目前有多少植物和动物存在，以及人类的各种干预如何加剧或逆转大自然的衰落。

目前还没有这样的模式，但也有人在努力实现这一目标。其中最先进的是位于剑桥的Madingley模型。Mike Harfoot帮助建立了这个模型，他解释说，它使用了所有生物体所经历的过程的数学表示。这个模型“充满了”所有生态系统中发现的各种植物和动物，从最小的多细胞生物到最大的树木和食草动物。所有这些生物都受到支配生命的规则的约束——能量的使用、喂养、繁殖、死亡和运动。它还包含气候数据和各种地球系统过程，如洋流。

利用这个模型，科学家可以探索各种假设。例如，如果所有的大型食肉动物都从生态系统中消失，会发生什么?如果把草原让给农业，食草动物会怎么样?如果大量昆虫消失，生态系统将如何生存?

哈富特说，这个模型仍然相当粗糙，但已经被世界各地的科学家使用。例如，该模型最近研究了森林生物多样性水平，因为越来越多的植被被移除(以复制森林砍伐)。它表明，热带森林的生物多样性在相当长的一段时间内保持着弹性，但一旦超过一定的阈值，它就会迅速崩溃。在其他地方，随着植被的移除，生物多样性的下降遵循一个更稳定的下降梯度，而在一些地方，即使少量的植被移除也意味着整个生态系统几乎立即崩溃。

展望未来，技术有望变得更加精确。例如，欧盟委员会(European Commission)目前正在建造“目的地地球”(Destination Earth)，这是一个高分辨率的数字双胞胎，旨在以数字形式复制我们的地球。

这个庞大的项目正处于早期阶段，第一次迭代将主要关注气候变化和极端天气。它将是开放获取的，因此任何科学家都可以使用它进行自己的研究。例如，研究浮游生物的人可以将他们的数据与目的地地球相结合，看看变暖的海水将如何影响浮游生物的分布。

随着研究人员和国际组织收集和理解更多的数据，对地球生物多样性当前状态的真实看法应该会变得更容易。这可以用来决定哪些干预措施将最有效地扭转其颓势。

回到Tau水坑，太阳已经落山，最初吸引我眼球的大象已经离开了。摄像机显示了一片没有生命的景象，只有一些昆虫。

科学家们努力捕捉更多关于地球生命的信息，希望这意味着各种各样的壮丽生物仍将是地球景观的一部分。