从高分子物理到企鹅物理

Peter Barham,一位高分子物理学家,怎么去研究企鹅了?发现了哪些有意思的事情?

原文链接:Penguin physics

作者简介:

Peter Barham,英国布里斯托尔大学物理学院退休教授,主要研究高分子物理结晶、可降解高分子塑料。将对企鹅的爱好与材料科学相结合,研究企鹅标记材料和方法。目前主持一项非洲企鹅保护的科研项目。另一研究兴趣为分子烹饪学,著有The Science of Cooking一书

机缘巧合

经常有人问我,你一个物理学家怎么去研究企鹅了。答案是,我妻子超喜欢企鹅,这带来一系列命运的安排,指引我逐渐走上企鹅的研究之路。我刚认识我妻子Barbara的时候,就看出来她喜欢企鹅。起初,这给我的生活带来很大便利,很容易买到她喜欢的礼物,比如关于企鹅的书,企鹅T恤,企鹅玩偶等。后来,企鹅商品都买遍了,选购礼物又成了难事。

后来,我俩开始旅游,去各地看野外的企鹅。后来就认识了悉尼塔朗加动物园的一位企鹅饲养员,他告诉我们,几年后在南非会举行一次企鹅国际会议。那大概是20多年前,那年暑假我们去了南非,参加了在开普敦举行的第三届国际企鹅会议。

那是我第一次参加生物学会议,与我以前参加的物理会议有很大不同。会议上人人彬彬有礼,没有人批评其他人的报告(甚至连我这样的外行都能看出一些报告里的低级错误)。如果在高分子物理会议上,这样讲报告的人会被听报告的老教授生吞活剥。

所以,这次持续一周的会议在会议进程一半的时候,企鹅生物学家大牛Bernard Stonehouse讲完报告之后的反响给我很大冲击。Stonehouse 是帝企鹅南极水域全食物链观测第一人。Stonehouse 在最后一刻决定不讲会议日程上安排的关于南极地区旅游与企鹅相互作用的学术报告,而是讲企鹅的金属环志问题。

数年前就有研究表明,金属环志极大耗费企鹅体力,给企鹅带来不良影响。在之前1992年的国际企鹅会议上,生物学家取得共识,要寻找替代方法。Stonehouse指出,这方面的工作毫无进展,要求大家推进这一工作。他在报告的最后建议一个可能的解决方案,改用现代材料(比如塑料)制作危害较小的环志。报告讲完之后,人人踊跃发言,有人讲塑料很合适,有人讲塑料不合适。


带着环志的企鹅

听了几分钟之后,在我妻子的鼓励下,我决定站起来发言,我说我是研究高分子物理的,对塑料还算懂。与会的生物学家请我开发新型塑料环志,当时我没有想到,我就此上了企鹅研究的“贼船”,“志愿”开发新型塑料环志。

失之东隅,收之桑榆

回到英国布里斯托尔大学,我招募了一个大四学生做毕设,开发测量不同类型的环志带来的阻力,并开始用各种材料设计新型环志。在几年之内,我在布里斯托尔动物园试验了我们做的几种设计,并准备做野外试验。我开始着手申请资助。与我一起申请资助的还有我在企鹅国际会议上认识的朋友,他们任职于开普敦大学南非环境事务署

我们很幸运,美国环保慈善机构地球观察不仅为我们提供资助,还提供志愿者帮我们收集数据。但是,正当我们要开始开展工作的时候,一场灾难发生了。

2000年6月23日,在我们选定的研究地点,南非沿海的罗本岛和附近达森岛上的一个企鹅栖息地,一艘货轮沉没,360吨黏度很高的石油泄露,这两个岛上一多半企鹅都粘上了石油。一部分企鹅因为被转送700公里外的伊丽莎白港而幸免,等石油清理完毕之后,才放这些企鹅游回来。粘上石油的企鹅也几乎都得到了清理,与运走的企鹅一起放回了它们栖息的岛上。直到第二年(2001年),研究项目才得以进行。


粘上黏糊糊石油的企鹅

很快我就注意到,生物学家与物理学家的工作方式有很多不同之处。生物学研究一般是假设驱动的,而物理学研究一般是好奇心驱动的。我们的项目首先检验假设:塑料环志没有比常规金属环志带来更多的影响。为检验这个假设,我们把未带环志的企鹅与带有塑料环志的企鹅配成“夫妻”,比较它们与佩戴传统环志的企鹅夫妻的育儿成功率。所有去油企鹅和许多被转移的企鹅都已经佩戴上传统环志,所以控制组已经不缺了。但是还缺实验组。我们找遍栖息地,终于找到足够多的未佩戴环志的育龄企鹅夫妻,给它们戴上新型塑料环志。剩下的就是志愿者的工作了,他们连续数年监测企鹅夫妻的巢,看两组企鹅的幼鸟数目是否有差异。

获得三年的数据后,我们就能分析新型塑料环志是不是带来更多好处。我审视数据,不断发现各种搞不懂的矛盾和问题。于是,我采取物理学研究方法,在数据里寻找模式,以期从中梳理出有用的东西。

很快我发现,有些出乎意料的结果与环志没有任何关系。我们发现,去油企鹅的育儿成功率要比未沾油的企鹅的育儿成功率低。再多一年数据后,对于遭受油污的企鹅的康复过程,我们得到更多令人吃惊的结论。我们发现,转移的企鹅与其他从未遭受过油污的企鹅的繁殖成功率一样。这个结论很重要。以前把未受油污的企鹅转移走,只是一个应急行动,人们并不知道是不是有好处。现在可以确认,这么做是对的。

数据里体现的另外一个结论是,人工饲养一段时间放归大自然的企鹅雏崽比自然放养雏崽成活率要高,开始繁殖的时间也要早。这很出人意料。当时人的观念是,人工饲养的雏崽在野外不大可能活下来。并且,遭受过油污的企鹅孵化的雏崽数不足未受过油污的企鹅孵化的雏崽数的一半。


同羽鸟

这些意想不到的结果改变了世界各地康复中心的优先事项。比如,现在处理严重漏油事故,首要工作是将未受油污的企鹅转移走。有条件人工饲养企鹅雏崽的地方,转移和饲养雏崽是第二优先事项。而给被油污企鹅清洗油污是优先级较低的事项。不幸的是,我们研究项目中,环志的效应与清洗油污的效应复合在一起,没办法分辨出新型塑料环志的效果如何。

同时,我纳闷为什么没有人将非洲企鹅胸上的独特的斑点图案作为辨别企鹅的方法,这样就根本不需要环志了。我在一次企鹅环志会议上提出这个想法,令我吃惊的是,生物学家竟然没有意识到每只企鹅的胸前斑点图案是独一无二的。等我回到布里斯托尔,在我的大学里的计算机科学家帮助下,开发了一个系统,从照片或视频片段中提取企鹅的胸前斑点图案,并将各只企鹅自动识别出来。

我们采用计算机视觉技术,实现了一套管用的系统。该软件首先从摄像机实况视频中的连续图片中识别出企鹅,然后截取信息量丰富的图片,信息足以提取斑点图案。这些图片用连接每一对斑点的矢量组成的矢量集进行索引。矢量集与企鹅数据库进行比较,辨别出每一只企鹅。

我们在罗本岛企鹅上岸的主通道上安装了一架摄像机,将企鹅识别系统标记摄像机记录到的每只企鹅。这个工作进行了三年。但是将系统用于其他地点的摄像机,事情又变得极具挑战性,因为光照条件会对系统识别企鹅和提取斑点图案带来很大影响。另外,随着数据库里的企鹅越来越多,越来越难以搞清楚一个特定图案是与系统中已有的图案匹配,还是角度不同或者企鹅沾染了泥巴,抑或对应的企鹅尚未收录到系统。

然而,我们只是通过查找数据中的模式,便已经能够从这个系统中获得一些有趣的结果。例如,早上企鹅成群去海里,大多数日子里,群成员几乎无变化,就像学童和他们的朋友一起上学。而晚上回巢的企鹅群成员却一天一变。为什么会有这种现象,依然需要研究。

在物理系做教授的一大好处是,本科生做毕业论文一般对实用性题目感兴趣,很容易说服他们设计和制作野外观测仪器,一般需要做电子自动数据收集系统。比如,一组做毕设的学生用很容易买到的包裹秤和基于Amicus微处理器的数据收集和控制系统,制作了一个电池驱动的称重系统。重要的是,这个系统非常可靠、健壮、便宜,非常适合野外生物学家使用。我的一位硕士生把称重系统和相机陷阱(用运动感应器、红外传感器等作为触发机关的遥控相机或摄像机)布置在企鹅巢前,识别回巢和离巢的企鹅,并给它们称重。

这套系统不仅可以告诉我们成年企鹅给它们的宝宝带来了多少食物,我们企鹅宝宝生长发育情况如何,还能告诉我们成年企鹅如何分担它们的育儿工作。目前为止,我们从这个系统看到的最有意思的事情是,决定一对企鹅夫妇养育多少只宝宝的首要因素是企鹅繁殖下一代开始阶段吃得好不好。我们发现,企鹅夫妇体重较轻者体重如果大于2.4千克,那么这对夫妇很可能喂养两只健康的宝宝,如果小于2千克,那么这对夫妇不会繁殖下一代。这一结果说明,非繁殖季节食物是否充足对企鹅非常重要,这个事情在以前很大程度上被忽略了,原因很可能是难以定量观测。

物理学家常常会有疯狂的想法。有一回,我和在与布里斯托尔动物园的同事的一次开会时,提出一个想法,可否做个实验,看能否建一个全新的企鹅栖息地。非洲企鹅繁衍生息在30个岛上,还有非洲大陆上纳米比亚和南非西部和南部海岸的两个地方。当时非洲企鹅情况还很不错。但是我们认为未来情况可能会变得糟糕。因此,如果我们现在就给圈养的企鹅尝试建立栖息地,未来这个物种需要保护的时候,这些人工栖息地将会用得上。

这个想法被每个人以不同的理由付之一笑。但是,几年过后,非洲企鹅数量开始急剧下降,主要原因是鱼群开始离开企鹅栖息的岛屿的沿岸水域。2010年,非洲企鹅的保护状况从易危变成濒危。曾经疯狂的想法,建立新的企鹅栖息地,成了南非正在积极推进的工作,有望在几年之后在某鱼群可以保持稳定的区域建立一个新的企鹅栖息地。

回到起点

企鹅研究者对环志的共识是,它们不适用于非洲企鹅。最新开发的橡胶环志,企鹅可以自行将其脱落。辨认企鹅要么通过给在巢里的每只企鹅标上唯一的记号,要么给企鹅注射微芯片,微芯片对身体无害,其数据易于通过方便的设备读取。

三年前,我是在布里斯托尔举行的第八届国际企鹅会议的主席,今年(指2016年)9月我是在开普敦举行的第九届国际企鹅会议的组织委员之一,开普敦这次会议距离使我进入企鹅研究的那次开普敦会议整整二十年。在2016年的开普敦会议上,专门有一个后康复研究分会场,这个分会场所有研究都来自环志评估试验中碰巧观测到的结果。也就是说,我的研究工作又回到了原点。尽管我依然认为自己是物理学家,但我已经被承认是一个真正的企鹅生物学家了。

标签: 企鹅, 环志, 模式识别

仅有一条评论

  1. 爱因斯坦 爱因斯坦

    富有好奇心,这才是真正的科学家

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