斑頭雁飛過喜馬拉雅山。圖源：The Scientist
導讀：
我們今天能如此清楚地瞭解候鳥遷徙的奧秘，要歸功於一群執著追月、監測雷達螢幕，好奇而執著的鳥類學家。
瞿立建 | 撰文
候鳥遷徙動輒飛行數千公里，這種自然奇觀數一直吸引著人類的好奇心和想象力，當然也吸引著一代代科學家來解密。
那麼，科學家如何追蹤它們？
在過去一百多年裡，一代代鳥類學家用盡當時最先進的技術研究候鳥，從簡單地在鳥腿上套金屬環，到用望遠鏡、雷達觀測，再到用上衛星、GPS、國際空間站。這其中有著引人入勝、鮮為人知的真實故事，即便是最熱情的觀鳥愛好者也未必瞭解。
這些故事系統講述於下面這本書。
太多種類的候鳥在夜間遷徙。它們飛得很高，天又黑。如何觀測呢？
鳥類學家威廉·斯科特（William Earl Dodge Scott，1852年4月22日——1910年8月21日）偶然獲得了一種方法：用望遠鏡看月亮。
1880年10月19日，斯科特參觀參觀新澤西學院（即今天的普林斯頓大學）天文系時，透過望遠鏡觀測月亮。讓他震撼的不是環形山，而是另一種景象：一隻只小鳥飛過月球明亮的表面，形成了對比明顯的剪影，翅膀的運動和整個飛行動作清晰可見。斯科特細緻調了下焦距，鳥兒頭和尾的形狀也變得清晰。
候鳥從月亮前飛過。圖源：Smithsonian
斯科特分辨出了視野中的鳥：鶯、雀、啄木鳥等。他馬上意識到，自己正在目睹候鳥遷徙的壯觀景象。
斯科特開創瞭望遠鏡觀月研究候鳥遷徙的方法，但這一方法發揚光大要等到1940年代。
20世紀中期，美國鳥類學家在爭議一個問題，候鳥飛過墨西哥灣，是繞著海岸飛還是徑直穿過水麵？
墨西哥灣地圖
美國演化生物學家喬治·威廉姆斯（George Christopher Williams，1926年5月12日—2010年9月8日）認為，候鳥不傻，不會冒險直接穿越800公里的水面，一定是沿著海岸飛，我們沒有看到過，是因為它們飛得很高。
很多鳥類學家不同意。墨西哥灣北岸的美國人都見識過，從南岸飛來的候鳥群聚集在森林裡休息的壯觀景象，候鳥必然是從海面上飛來才會累成這樣，繞著岸飛的話，隨時可休息，不會累。風暴天氣裡，墨西哥灣裡的船的周圍會突然出現大量的鳥，這也是候鳥直接穿越海面的間接證據。
鳥類學家喬治 · 洛厄裡（George Lowery，1913年10月2日——1978年1月19日）決定用觀月法找到直接證據。
喬治 · 洛厄裡（George Lowery，1913年10月2日——1978年1月19日），圖源：LSU
他在海上和對岸尤卡坦半島陸地上做了觀測，證明候鳥的確飛越了廣闊的海面。
洛厄裡後來又招募了幾十名志願者同時展開觀測，發現了更多有意思的現象。比如，鳥類學家曾認為，候鳥夜間遷徙是白天飛行的旅程的延續，為了多趕點路，而洛厄裡研究卻發現，夜間遷徙的候鳥就純是走夜路。
洛厄裡為了更深入瞭解候鳥遷徙，決定組織一個大專案，招募並培訓幾千名志願者，在幾百個地點同時展開觀測。
1952年10月1日至4日的晚上，2500名志願者，在從加拿大到巴拿馬之間235個觀測點上，架起望遠鏡並朝向月亮，認真觀測和記錄候鳥飛行資料。
在那個沒有網際網路的時代，組織起這項活動本身就是偉大的成就。當時還沒有公眾科學（citizen science）這個術語，它的定義是"公眾參與的科學研究"，包括非職業的科學家、科學愛好者和志願者參與的科研活動，範圍涵蓋科學問題探索、新技術發展、資料收集與分析等。洛厄裡因這項活動成為公眾科學的先驅者之一。
志願者按要求填寫好了觀測資料表格，郵寄到了洛厄裡的辦公室，堆成一座紙山。
洛厄裡接下來要解決的難題是處理資料。那時候沒有計算機，資料都是紙質的，且是手寫的。
洛厄裡與他的研究生和工作夥伴鮑勃·紐曼（Bob Newman）花了14年的時間，才完成全部的資料處理，最終在1966年發表了論文（The Auk, 1966, 83, 547–586）。
洛厄裡與紐曼論文中的兩個插圖
他們給出了跨越北美大陸的候鳥遷徙模式及其與天氣的關係。這項工作非常轟動，影響了未來幾代人對候鳥遷徙的研究。這是今天藉助衛星才能做到的事情，他們用人海戰術做到了。
這是洛厄裡觀月法研究的巔峰，也是絕唱，因為鳥類學家開始採用一項新技術——雷達。
雷達是用無線電波的反射訊號發現目標並測定其位置、速度、形狀的電子裝置，早期用作軍事用途。在第二次世界大戰爆發前，英國海岸就部署了雷達，用來探測來襲的德國飛機。
雷達原理的示意圖。圖源：wikicommons
雷達操作員如果探測到飛機，螢幕上就有個點以確定的速度和軌跡運動。但雷達操作員總能探測到一些奇怪的訊號，在螢幕上時隱時現，還像無頭蒼蠅一樣亂飛，有時在螢幕上連成長線，換算到真實長度，會達到50公里。這些訊號令人百思不得其解。有時，戰鬥機升空檢視卻一無所獲。這些無法識別的訊號，雷達操作員稱之為“天使”。
識別出“天使”訊號的，是在雷達站為戰爭服務的鳥類學家戴維·賴克（David Lambert Lack，1910年7月16日—1973年3月12日），他當時正巡查各雷達站，在某個雷達站遇到自己當年在劍橋的同學、昆蟲學家喬治·瓦利（George C. Varley，1910——1983）。瓦利向賴克描述了“天使”訊號，賴克聽完，立即就給出答案：“那是鳥啊，夥計。”
戴維·賴克（David Lambert Lack，1910年7月16日—1973年3月12日），英國演化生物學家，研究方向為鳥類生態學和行為學。圖源：wikicommons
賴克的觀點沒人信，他和瓦利決定一起給出確定的證明。他們說服一位軍官將一隻死去的海鷗綁在氣球上，並將其放飛到一座雷達站的上空，證明鳥類確實可以反射雷達訊號。
瓦利後來給出了直接證據。1941年9月，他使用一臺強大的望遠鏡，即時跟蹤了一個天使訊號，從望遠鏡中發現該訊號來自一群塘鵝，這是一種大型白色海鳥。
塘鵝，北大西洋最大的海鳥，翼展最大為兩米。圖源：wikicommons
戰爭期間，賴克和瓦利一直用雷達觀測鳥。最初，他們只能觀測大鳥，如塘鵝等，後來雷達越來越先進，他們用雷達也能觀測到小鳥——如椋鳥——的鳥群。
軍隊中的物理學家不相信他們看到的訊號來自鳥，堅持認為怪異的“天使”訊號來自電離層的離子云。瓦利說，那一定是羽毛包著的離子云。
1945年，戰爭接近尾聲，賴克和瓦利獲准發表他們的研究，由此開創了雷達鳥類學（Radar ornithology）領域。
賴克和瓦利的論文很有可能被美國生物學家歐文·巴斯（Irven Buss，1908——1993）讀到了，他當時在美國海軍服役，駐紮在中國的黃海。當時，日軍已經投降了，他正好使用軍艦上的雷達研究鳥。
他動員海軍士兵們幫他記錄資料，在軍艦瞭望塔上追蹤鳥群，以與雷達訊號互相對照。巴斯主要研究了野鴨遷徙的特徵，他因此成為用雷達研究候鳥遷徙的第一人。
二戰期間，鳥類並不是唯一齣現在軍用雷達上的非飛機訊號，還有強降水和氣團。
二戰結束之後，雷達主要用於氣象研究，如追蹤颶風等。到1955年，美國建立了氣象雷達網路。
1960年，一臺氣象雷達安裝在新奧爾良聯邦大樓投入使用，新奧爾良大學大二學生Sidney Gauthreaux看電視新聞時，注意到電視畫面中的雷達螢幕上有鳥反射回的訊號。Gauthreaux自小對鳥感興趣，對鳥極為敏感。他上高中的時候就參加鳥類學的學術會議，結識了洛厄裡和紐曼師徒。
Gauthreaux來到雷達站，與這裡的氣象學家交流。氣象學家不瞭解賴克在二戰時的研究工作，不相信Gauthreaux的說法。Gauthreaux晚上把一位氣象學家帶到樓頂，引導他看到了明亮月光背景下飛過的鳥的輪廓。氣象學家終於明白了雷達上一些奇怪訊號的來源。
Sidney Gauthreaux，鳥類學家，圖源：ResearchGate
Gauthreaux在洛厄里門下攻讀博士學位，利用氣象雷達研究候鳥遷徙。
Gauthreaux以無可辯駁的證據表明候鳥直飛墨西哥灣海面。前文提到的洛厄裡的觀月研究發表後，有人質疑，候鳥是被大風吹到海上的。Gauthreaux消除了這一質疑。
Gauthreaux的工作讓氣象學家們都有了這樣的知識，春秋季節，天氣明明是晴朗的，雷達螢幕上卻顯示有雨，其實那些訊號來自夜晚遷徙的鳥群。
應用遠洋考察船上的雷達，鳥類學家發現，候鳥不僅能飛越墨西哥灣，還能飛越大洋。
現在，鳥類學家能夠用雷達跟蹤候鳥，預報其遷徙路徑。
美國候鳥遷徙預報圖。圖源：BirdCast
其實，鳥類學家對候鳥的瞭解不侷限於鳥群，已能精確到鳥的個體。
1960年前後，比爾·科克倫（William W. Cochran)很忙，他在電視臺工作，業餘時間攻讀工程學學位，還給伊利諾伊自然歷史調查機構的鳥類學家理查德·格雷伯（Richard Graber，1925–1998）做助手，負責一臺雷達裝置，還給一位天文學家做助手，研究無線電信標。
伊利諾伊自然歷史調查機構建議科克倫把他的兩個兼職結合起來，在野鴨身上裝上無線電發射機，看會發生什麼。格雷伯也贊同這個想法，這有可能實現候鳥研究者的一個夢想：跟著鳥兒一起飛。
科克倫欣然同意。他將一個小型電晶體振盪器用金屬帶綁在一隻雌綠頭鴨子的胸部，隨著它的呼吸，金屬帶週期性地扭曲，這改變了無線電訊號的頻率，也讓接收機發出不同的拍音。
雌(左)雄（右）綠頭鴨。圖源：wikicommons
科克倫放走了這隻綠頭鴨，透過接收機訊號推斷出鴨飛著的時候的呼吸頻率和拍打翅膀的頻率。這是人類史上首次獲得飛著的鳥的生理資料。
科克倫自此迷上了這項研究。
科克倫開始著手重新設計無線電發射機，使其便於給各種動物佩戴。
1965年，科克倫研製出一種很輕的無線電發射機，重量2.2克，相當於一角菊花硬幣的重量。
1965年5月的一天，格雷伯將這枚無線電發射機粘在一隻灰頰畫眉的背部，然後放飛。因為無線電發射機與接收機距離要保持在幾公里之內，格雷伯乘坐小型直升飛機伴著這隻畫眉飛，。格雷伯追蹤了近650公里，其中一半路程在密歇根湖的開闊水域上空。一路上，格雷伯看不到那隻灰頰畫眉，只能聽到駕駛艙中接收機發出的嗶嗶聲。
具體到單隻鳥的候鳥遷徙的研究正式開始了。鳥類無線電遙測研究正式開始了。
科克倫也親自下場，他曾乘坐飛機或汽車追蹤獵鷹、老鷹和畫眉等鳥，曾經歷過飛機失事、曾被誤認為是毒販而被警察團團包圍、曾有一次命懸一線用無線電發出遺言，經歷之精彩刺激如好萊塢警匪片中的主角。
科克倫是非典型科學家，他不糾結在哪裡發表論文，論文通常很簡短，如果通不過學術期刊的同行評議，他會把文章發表在大眾雜誌上。
1990年代末，科克倫退休，但繼續發展更輕更強的無線電裝置，他不申請專利，無償給鳥類學家使用，鳥類學家登門學習遙測技術，他總是傾囊相授，還會安排來客住在自己家裡。
現在無線電遙測技術更先進了，用衛星追蹤候鳥的無線電訊號，科學家坐在辦公室就把資料收集了，已經不需要像科克倫那樣冒險了。
鳥類學家在鳥身上裝的裝置越來越先進，越來越輕，是不是對鳥的影響越來越小？
不盡然，裝置重量與鳥的體重之比並沒有明顯降低，因為安裝裝置的鳥也越來越小。
鳥類學家研究發現，裝置對鳥影響甚微，給鳥安裝裝置也經過倫理審查，但鳥是不是受到傷害，是我們人類能感受到的嗎？
因為這個倫理問題帶來的不安，科學家在努力利用鳥的“本徵標記”——如羽毛、血液和 DNA等——來追蹤它們的旅程。
基思·霍布森自幼喜歡觀鳥，卻在大學讀了物理學專業，對鳥的熱愛召喚他攻讀了鳥類學的博士學位。他的物理學學習經歷沒有白學，他將同位素的知識應用於候鳥遷徙研究。
基思·霍布森（Keith A. Hobson, 1954年7月10日——2024年10月2日），創造性地用同位素研究生態系統。
氫原子有三種同位素，氕、氘、氚，前兩者不具有放射性。早在1960年代，水文學家就知道，從墨西哥灣到加拿大，越往北，水中氘的含量越少。為什麼呢？
墨西哥灣的水蒸發到空中，向北移動，以雨的形式回到地面，含氘的水分子因為更重會先降落，因此，越往北，雨水中的氘的比重越少。
這和鳥有什麼關係呢？
鳥在一個地方生活一段時間，攝入當地水，當地水的氫和氘的比例會反映在鳥的身體上。
霍布森請北美各地的志願者給他寄來本地的鳥的羽毛，經過兩年的分析，證實了上述想法。
鳥羽毛的氫元素分析對降水的方式有要求，這就不適用於非洲等大陸。好在我們可以分析碳、氮和其他元素，照樣可推知候鳥去過什麼地方。
對候鳥的羽毛做同位素分析就可以知道這隻鳥曾遷徙到過何地。雖然需要拔掉一根羽毛，但也比安裝無線電裝置受到的傷害少很多，同時大大降低了成本。
鳥類學家總能將最先進的科技用於候鳥遷徙的研究，呈現了候鳥遷徙的有意思的特徵，滿足了人類的好奇心。我們現在比以往任何時候都更瞭解候鳥遷徙。
但越瞭解越揪心。候鳥面臨嚴峻的生存挑戰，如氣候變化、塑膠汙染、棲息地喪失和其他環境問題。2019年，一項大規模研究顯示(Science 2019, 366, 120-124)：與1970年相比，北美少了29億隻繁殖鳥，減少了約29%。減少的鳥中近90%是常見鳥，如麻雀、燕子等。過去十年中，春季遷徙的候鳥數量減少了14%。
北美近30億隻鳥沒了。圖源：https://www.3billionbirds.org/
候鳥保護還有戲嗎？
這不是一個容易回答的問題，但是，回顧鳥類科學的過去，我們有理由樂觀對待未來。
破解候鳥遷徙的種種謎團，不僅僅仰賴於天才科學家，更多地得益於不同學科的科學家和業餘愛好者、志願者的共同努力，他們的好奇心、熱情和合作精神，推動著鳥類科學的進步，將成為保護鳥類的希望之光。
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