“那是鸟啊，伙计！”

导读：

我们今天能如此清楚地了解候鸟迁徙的奥秘，要归功于一群执着追月、监测雷达屏幕，好奇而执着的鸟类学家。

斑头雁飞过喜马拉雅山。图源：The Scientist

候鸟迁徙动辄飞行数千公里，这种自然奇观数一直吸引着人类的好奇心和想象力，当然也吸引着一代代科学家来解密。

那么，科学家如何追踪它们？

在过去一百多年里，一代代鸟类学家用尽当时最先进的技术研究候鸟，从简单地在鸟腿上套金属环，到用望远镜、雷达观测，再到用上卫星、GPS、国际空间站。这其中有着引人入胜、鲜为人知的真实故事，即便是最热情的观鸟爱好者也未必了解。

这些故事系统讲述于下面这本书。

SAIXIANSHENG

月影追踪‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

太多种类的候鸟在夜间迁徙。它们飞得很高，天又黑。如何观测呢？

鸟类学家威廉·斯科特（William Earl Dodge Scott，1852年4月22日——1910年8月21日）偶然获得了一种方法：用望远镜看月亮。

1880年10月19日，斯科特参观参观新泽西学院（即今天的普林斯顿大学）天文系时，通过望远镜观测月亮。让他震撼的不是环形山，而是另一种景象：一只只小鸟飞过月球明亮的表面，形成了对比明显的剪影，翅膀的运动和整个飞行动作清晰可见。斯科特细致调了下焦距，鸟儿头和尾的形状也变得清晰。

候鸟从月亮前飞过。图源：Smithsonian

斯科特分辨出了视野中的鸟：莺、雀、啄木鸟等。他马上意识到，自己正在目睹候鸟迁徙的壮观景象。

斯科特开创了望远镜观月研究候鸟迁徙的方法，但这一方法发扬光大要等到1940年代。

20世纪中期，美国鸟类学家在争议一个问题，候鸟飞过墨西哥湾，是绕着海岸飞还是径直穿过水面？

墨西哥湾地图

美国演化生物学家乔治·威廉姆斯（George Christopher Williams，1926年5月12日—2010年9月8日）认为，候鸟不傻，不会冒险直接穿越800公里的水面，一定是沿着海岸飞，我们没有看到过，是因为它们飞得很高。

很多鸟类学家不同意。墨西哥湾北岸的美国人都见识过，从南岸飞来的候鸟群聚集在森林里休息的壮观景象，候鸟必然是从海面上飞来才会累成这样，绕着岸飞的话，随时可休息，不会累。风暴天气里，墨西哥湾里的船的周围会突然出现大量的鸟，这也是候鸟直接穿越海面的间接证据。

鸟类学家乔治 · 洛厄里（George Lowery，1913年10月2日——1978年1月19日）决定用观月法找到直接证据。

乔治 · 洛厄里（George Lowery，1913年10月2日——1978年1月19日），图源：LSU

他在海上和对岸尤卡坦半岛陆地上做了观测，证明候鸟的确飞越了广阔的海面。

洛厄里后来又招募了几十名志愿者同时展开观测，发现了更多有意思的现象。比如，鸟类学家曾认为，候鸟夜间迁徙是白天飞行的旅程的延续，为了多赶点路，而洛厄里研究却发现，夜间迁徙的候鸟就纯是走夜路。

洛厄里为了更深入了解候鸟迁徙，决定组织一个大项目，招募并培训几千名志愿者，在几百个地点同时展开观测。

1952年10月1日至4日的晚上，2500名志愿者，在从加拿大到巴拿马之间235个观测点上，架起望远镜并朝向月亮，认真观测和记录候鸟飞行数据。

在那个没有互联网的时代，组织起这项活动本身就是伟大的成就。当时还没有公众科学（citizen science）这个术语，它的定义是"公众参与的科学研究"，包括非职业的科学家、科学爱好者和志愿者参与的科研活动，范围涵盖科学问题探索、新技术发展、数据收集与分析等。洛厄里因这项活动成为公众科学的先驱者之一。

志愿者按要求填写好了观测数据表格，邮寄到了洛厄里的办公室，堆成一座纸山。

洛厄里接下来要解决的难题是处理数据。那时候没有计算机，数据都是纸质的，且是手写的。

洛厄里与他的研究生和工作伙伴鲍勃·纽曼（Bob Newman）花了14年的时间，才完成全部的数据处理，最终在1966年发表了论文（The Auk, 1966, 83, 547–586）。

洛厄里与纽曼论文中的两个插图

他们给出了跨越北美大陆的候鸟迁徙模式及其与天气的关系。这项工作非常轰动，影响了未来几代人对候鸟迁徙的研究。这是今天借助卫星才能做到的事情，他们用人海战术做到了。

这是洛厄里观月法研究的巅峰，也是绝唱，因为鸟类学家开始采用一项新技术——雷达。

SAIXIANSHENG

雷达天使‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

雷达是用无线电波的反射信号发现目标并测定其位置、速度、形状的电子设备，早期用作军事用途。在第二次世界大战爆发前，英国海岸就部署了雷达，用来探测来袭的德国飞机。

雷达原理的示意图。图源：wikicommons

雷达操作员如果探测到飞机，屏幕上就有个点以确定的速度和轨迹运动。但雷达操作员总能探测到一些奇怪的信号，在屏幕上时隐时现，还像无头苍蝇一样乱飞，有时在屏幕上连成长线，换算到真实长度，会达到50公里。这些信号令人百思不得其解。有时，战斗机升空查看却一无所获。这些无法识别的信号，雷达操作员称之为“天使”。

识别出“天使”信号的，是在雷达站为战争服务的鸟类学家戴维·赖克（David Lambert Lack，1910年7月16日—1973年3月12日），他当时正巡查各雷达站，在某个雷达站遇到自己当年在剑桥的同学、昆虫学家乔治·瓦利（George C. Varley，1910——1983）。瓦利向赖克描述了“天使”信号，赖克听完，立即就给出答案：“那是鸟啊，伙计。”

戴维·赖克（David Lambert Lack，1910年7月16日—1973年3月12日），英国演化生物学家，研究方向为鸟类生态学和行为学。图源：wikicommons

赖克的观点没人信，他和瓦利决定一起给出确定的证明。他们说服一位军官将一只死去的海鸥绑在气球上，并将其放飞到一座雷达站的上空，证明鸟类确实可以反射雷达信号。

瓦利后来给出了直接证据。1941年9月，他使用一台强大的望远镜，实时跟踪了一个天使信号，从望远镜中发现该信号来自一群塘鹅，这是一种大型白色海鸟。

塘鹅，北大西洋最大的海鸟，翼展最大为两米。图源：wikicommons

战争期间，赖克和瓦利一直用雷达观测鸟。最初，他们只能观测大鸟，如塘鹅等，后来雷达越来越先进，他们用雷达也能观测到小鸟——如椋鸟——的鸟群。

军队中的物理学家不相信他们看到的信号来自鸟，坚持认为怪异的“天使”信号来自电离层的离子云。瓦利说，那一定是羽毛包着的离子云。

1945年，战争接近尾声，赖克和瓦利获准发表他们的研究，由此开创了雷达鸟类学（Radar ornithology）领域。

赖克和瓦利的论文很有可能被美国生物学家欧文·巴斯（Irven Buss，1908——1993）读到了，他当时在美国海军服役，驻扎在中国的黄海。当时，日军已经投降了，他正好使用军舰上的雷达研究鸟。

他动员海军士兵们帮他记录数据，在军舰瞭望塔上追踪鸟群，以与雷达信号互相对照。巴斯主要研究了野鸭迁徙的特征，他因此成为用雷达研究候鸟迁徙的第一人。

二战期间，鸟类并不是唯一出现在军用雷达上的非飞机信号，还有强降水和气团。

二战结束之后，雷达主要用于气象研究，如追踪飓风等。到1955年，美国建立了气象雷达网络。

1960年，一台气象雷达安装在新奥尔良联邦大楼投入使用，新奥尔良大学大二学生Sidney Gauthreaux看电视新闻时，注意到电视画面中的雷达屏幕上有鸟反射回的信号。Gauthreaux自小对鸟感兴趣，对鸟极为敏感。他上高中的时候就参加鸟类学的学术会议，结识了洛厄里和纽曼师徒。

Gauthreaux来到雷达站，与这里的气象学家交流。气象学家不了解赖克在二战时的研究工作，不相信Gauthreaux的说法。Gauthreaux晚上把一位气象学家带到楼顶，引导他看到了明亮月光背景下飞过的鸟的轮廓。气象学家终于明白了雷达上一些奇怪信号的来源。

Sidney Gauthreaux，鸟类学家，图源：ResearchGate

Gauthreaux在洛厄里门下攻读博士学位，利用气象雷达研究候鸟迁徙。

Gauthreaux以无可辩驳的证据表明候鸟直飞墨西哥湾海面。前文提到的洛厄里的观月研究发表后，有人质疑，候鸟是被大风吹到海上的。Gauthreaux消除了这一质疑。

Gauthreaux的工作让气象学家们都有了这样的知识，春秋季节，天气明明是晴朗的，雷达屏幕上却显示有雨，其实那些信号来自夜晚迁徙的鸟群。

应用远洋考察船上的雷达，鸟类学家发现，候鸟不仅能飞越墨西哥湾，还能飞越大洋。

现在，鸟类学家能够用雷达跟踪候鸟，预报其迁徙路径。

美国候鸟迁徙预报图。图源：BirdCast

其实，鸟类学家对候鸟的了解不局限于鸟群，已能精确到鸟的个体。

SAIXIANSHENG

无线电遥测‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

1960年前后，比尔·科克伦（William W. Cochran)很忙，他在电视台工作，业余时间攻读工程学学位，还给伊利诺伊自然历史调查机构的鸟类学家理查德·格雷伯（Richard Graber，1925–1998）做助手，负责一台雷达装置，还给一位天文学家做助手，研究无线电信标。

伊利诺伊自然历史调查机构建议科克伦把他的两个兼职结合起来，在野鸭身上装上无线电发射机，看会发生什么。格雷伯也赞同这个想法，这有可能实现候鸟研究者的一个梦想：跟着鸟儿一起飞。

科克伦欣然同意。他将一个小型晶体管振荡器用金属带绑在一只雌绿头鸭子的胸部，随着它的呼吸，金属带周期性地扭曲，这改变了无线电信号的频率，也让接收机发出不同的拍音。

雌(左)雄（右）绿头鸭。图源：wikicommons

科克伦放走了这只绿头鸭，通过接收机信号推断出鸭飞着的时候的呼吸频率和拍打翅膀的频率。这是人类史上首次获得飞着的鸟的生理数据。

科克伦自此迷上了这项研究。

科克伦开始着手重新设计无线电发射机，使其便于给各种动物佩戴。

1965年，科克伦研制出一种很轻的无线电发射机，重量2.2克，相当于一角菊花硬币的重量。

1965年5月的一天，格雷伯将这枚无线电发射机粘在一只灰颊画眉的背部，然后放飞。因为无线电发射机与接收机距离要保持在几公里之内，格雷伯乘坐小型直升飞机伴着这只画眉飞，。格雷伯追踪了近650公里，其中一半路程在密歇根湖的开阔水域上空。一路上，格雷伯看不到那只灰颊画眉，只能听到驾驶舱中接收机发出的哔哔声。

具体到单只鸟的候鸟迁徙的研究正式开始了。鸟类无线电遥测研究正式开始了。

科克伦也亲自下场，他曾乘坐飞机或汽车追踪猎鹰、老鹰和画眉等鸟，曾经历过飞机失事、曾被误认为是毒贩而被警察团团包围、曾有一次命悬一线用无线电发出遗言，经历之精彩刺激如好莱坞警匪片中的主角。

科克伦是非典型科学家，他不纠结在哪里发表论文，论文通常很简短，如果通不过学术期刊的同行评议，他会把文章发表在大众杂志上。

1990年代末，科克伦退休，但继续发展更轻更强的无线电装置，他不申请专利，无偿给鸟类学家使用，鸟类学家登门学习遥测技术，他总是倾囊相授，还会安排来客住在自己家里。

现在无线电遥测技术更先进了，用卫星追踪候鸟的无线电信号，科学家坐在办公室就把数据收集了，已经不需要像科克伦那样冒险了。

鸟类学家在鸟身上装的设备越来越先进，越来越轻，是不是对鸟的影响越来越小？

不尽然，设备重量与鸟的体重之比并没有明显降低，因为安装设备的鸟也越来越小。

鸟类学家研究发现，设备对鸟影响甚微，给鸟安装设备也经过伦理审查，但鸟是不是受到伤害，是我们人类能感受到的吗？

因为这个伦理问题带来的不安，科学家在努力利用鸟的“本征标记”——如羽毛、血液和 DNA等——来追踪它们的旅程。

SAIXIANSHENG

同位素分析‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

基思·霍布森自幼喜欢观鸟，却在大学读了物理学专业，对鸟的热爱召唤他攻读了鸟类学的博士学位。他的物理学学习经历没有白学，他将同位素的知识应用于候鸟迁徙研究。

基思·霍布森（Keith A. Hobson, 1954年7月10日——2024年10月2日），创造性地用同位素研究生态系统。

氢原子有三种同位素，氕、氘、氚，前两者不具有放射性。早在1960年代，水文学家就知道，从墨西哥湾到加拿大，越往北，水中氘的含量越少。为什么呢？

墨西哥湾的水蒸发到空中，向北移动，以雨的形式回到地面，含氘的水分子因为更重会先降落，因此，越往北，雨水中的氘的比重越少。

这和鸟有什么关系呢？

鸟在一个地方生活一段时间，摄入当地水，当地水的氢和氘的比例会反映在鸟的身体上。

霍布森请北美各地的志愿者给他寄来本地的鸟的羽毛，经过两年的分析，证实了上述想法。

鸟羽毛的氢元素分析对降水的方式有要求，这就不适用于非洲等大陆。好在我们可以分析碳、氮和其他元素，照样可推知候鸟去过什么地方。

对候鸟的羽毛做同位素分析就可以知道这只鸟曾迁徙到过何地。虽然需要拔掉一根羽毛，但也比安装无线电设备受到的伤害少很多，同时大大降低了成本。

SAIXIANSHENG

候鸟的天空‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

鸟类学家总能将最先进的科技用于候鸟迁徙的研究，呈现了候鸟迁徙的有意思的特征，满足了人类的好奇心。我们现在比以往任何时候都更了解候鸟迁徙。

但越了解越揪心。候鸟面临严峻的生存挑战，如气候变化、塑料污染、栖息地丧失和其他环境问题。2019年，一项大规模研究显示(Science 2019, 366, 120-124)：与1970年相比，北美少了29亿只繁殖鸟，减少了约29%。减少的鸟中近90%是常见鸟，如麻雀、燕子等。过去十年中，春季迁徙的候鸟数量减少了14%。

北美近30亿只鸟没了。图源：https://www.3billionbirds.org/

候鸟保护还有戏吗？

这不是一个容易回答的问题，但是，回顾鸟类科学的过去，我们有理由乐观对待未来。

破解候鸟迁徙的种种谜团，不仅仅仰赖于天才科学家，更多地得益于不同学科的科学家和业余爱好者、志愿者的共同努力，他们的好奇心、热情和合作精神，推动着鸟类科学的进步，将成为保护鸟类的希望之光。

来源：赛先生

编辑：yhc

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号

1.2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.