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生态系统

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企鹅物理学

01 Dec 2016
取自2016年12月号 物理世界

彼得·巴勒姆 随着他在高分子物理学领域的职业发展,他也参与了企鹅研究。在此过程中,他在确定企鹅生存关键因素方面取得了重大进展

一群大约50只游泳企鹅的水下照片
优美的滑翔机:成群的非洲企鹅在南非开普敦海岸附近潜水。 (礼貌:克里斯和莫妮克·福洛斯/自然图片库)

我经常被问到,作为物理学家,我最终是如何对企鹅进行研究的。答案是通过我的伴侣对这些动物的热情所带来的一系列幸运机会来实现的。当我第一次见到芭芭拉时,很明显她喜欢企鹅。起初,这使我的生活变得很轻松,因为我总是可以买到她喜欢的礼物(一本关于企鹅的书,一本企鹅T恤或一本可爱的企鹅)。但是,在生活的后期,它变得更加困难–可用的企鹅相关物品数量是有限的。

所以最终我们开始旅行去野外看企鹅。这导致了在悉尼塔隆加动物园与一位企鹅饲养员的会面,后者告诉我们,几年后将在南非召开一次有关企鹅的国际会议。因此,就在20多年前,我们在南非度过了暑假,因此我们可以参加在开普敦举行的第三届国际企鹅大会。

这是我第一次参加生物科学会议,与我以前参加的物理会议形成了鲜明的对比。太客气了。没有人对演讲者提出任何批评(即使像我这样的业余爱好者在某些谈话中也可能看到基本的矛盾之处)。如果那是在我惯常的一次高分子物理学会议上发生的,那么演讲者就会被听众中的一些老教授所吞噬!

Small black-and-white penguin, with a white belly dotted with black spots, and a metal band around the top of its left flipper

因此,在一周的中途,一位主要的企鹅生物学家之一伯纳德·斯通豪斯(Bernard Stonehouse)发表演讲后,生物学家中出现了一个完整的排,这让我感到震惊。皇帝企鹅穿越南极的冬天)。他在最后一刻决定不做他的广告演讲(关于南极洲的游客和企鹅之间的互动),而是向组装的企鹅生物学家们ran之以鼻,他们用金属鳍状肢带给企鹅做标记。

几年前已经证明,这些带会对企鹅产生不利影响,因为它们显着增加了鸟类的能量需求。在1992年的上届国际企鹅大会上,显然已经普遍同意应找到替代的标记方法。斯通豪斯(Stonehouse)注意到什么也没做,因此恳求改变。他在讲话结束时提出了一种可能的解决方案,那就是使用现代材料(例如塑料)来制造危害较小的乐队。他讲完后,似乎每个人都想发表意见,就为什么塑料不适合(或非常适合)材料发表很多意见。

几分钟后(以及来自Barbara的一些刺激),我决定进行干预并承认我是高分子物理学家,实际上对塑料作为材料有所了解。在我不知道发生了什么之前,我被“自愿”开发了新的塑料鳍状肢带。

乐死了;失控;疯掉

回到英国的布里斯托大学,我招募了本科毕业的本科生,以开发我们需要的设备,以测量来自不同风格乐队的阻力,并开始从多种材料中设计出新风格。几年之内,我们已经在布里斯托动物园(Bristol Zoo)上对企鹅的一些设计进行了测试,并准备开始在野外进行测试-因此,我开始与在会议期间在大学工作的朋友一起为该项目筹集资金开普敦和南非环境事务部。

我们很幸运地从位于美国的环境慈善机构Earthwatch获得资金,该基金会不仅提供资金,而且还提供志愿者来帮助收集数据。但是,就在我们即将开始该项目时,灾难来了。

2000年6月23日,一艘货船在我们选定的研究地点罗本岛和达森岛附近的另一个企鹅殖民地之间沉没,这两个企鹅都位于南非沿海。溢出了超过360吨的粘性燃料油,导致罗本岛和达森岛上繁殖的企鹅中有一半以上被上油。那些最初避免使用石油的人被带到伊丽莎白港700公里之外,并在清理漏油的时候被释放回去,以防止它们被黑色物质覆盖。几乎所有涂油的鸟类都被除油,并与被转移的鸟类一起返回岛上,直到第二年(2001年)繁殖后,我们才终于可以开始该项目。

Head shot of a penguin covered 在 oil. There are tiny pale patches around its eye and at the end of its beak, but it is mostly covered 在 shiny black oil

我很快注意到生物学家和物理学家设计和进行研究的方式之间存在许多差异。在生物学中,研究通常由假设驱动,而在物理学中,研究通常由好奇心驱动。因此,我们必须设计项目来检验以下假设:“新”塑料鳍状肢带对企鹅的影响不如“正常”钢带。为此,我们为成对的未成年企鹅装配了新的乐队,并将它们的繁殖成功与成对的与传统乐队成对的企鹅进行了比较。由于从漏油中抽出的所有脱油企鹅和许多易位企鹅都装有传统带,因此不缺少“控制”鸟类。但是,我们必须在殖民地中进行搜索,以找到足够数量的繁殖对鸟,而这两种鸟都没有被结合,以适应新的结合带。然后,这只是让志愿者监视巢穴几年,看看两组饲养的雏鸡数量是否存在差异的一种情况。

一旦有了三年的数据,我们就可以开始分析新频段是否良好。但是,一旦我开始查看数据,我就会不断注意到那些似乎没有意义的不一致和问题。因此,我采用了一种“物理”方法,并在数据中寻找模式,以查看是否可以从中受益。

很快,我意识到我们已经捕获了一些意想不到的结果,这些结果与我们要测试的乐队无关。我们发现,与从未上油的鸟类相比,在2000年泄漏事故发生后被脱油的鸟类繁殖成功率较低。然后,我们可以再获得一年的数据,以显示有关企鹅整个康复过程的许多令人惊讶的结论。我们证明了易位鸟类与从未加油的其他鸟类一样成功繁殖。这很重要,因为它确认了转移未加油的企鹅的想法(这是在不知道它是否会起作用的情况下采取的紧急措施)确实是成功的。

数据得出的另一个结论是,在被释放之前被带走并人工饲养的小鸡比自然饲养的小鸡存活得更好,并且开始繁殖良好。这是非常出乎意料的,因为当时的普遍看法是,人工饲养的小鸡根本不可能存活。与此同时,去油的鸟类饲养的雏鸡数量不超过其余的一半。

A group of seven penguins walks up the beach, with a frothy sea behind them

这些很大程度上出乎意料的结果导致世界各地康复中心的工作重点发生了变化。例如,在今天的一次重大漏油事件中,首先要从该地区清除干净的禽类,以防止它们被上油。如果已经确定人工饲养小鸡是可行的,则将去除和饲养这些小鸡放在第二位。同时,给涂油的鸟去油的优先级要低得多。不幸的是,对于最初的研究项目,乐队的效果与脱油效果的混合意味着我们无法真正分辨出新乐队的表现。

同时,我想知道为什么没有人使用非洲企鹅胸口上独特的斑点图案作为另一种识别方式–一种根本不需要条带的识别方式。当我在一次会议上讨论绑带企鹅的可取性时,我惊讶地发现生物学家没有意识到这些模式对于每个人都是独特的。因此,我回到了布里斯托尔(Bristol),并在我们的计算机科学家的帮助下参加了该系统的开发,该系统可以从照片或录像中提取图案并自动识别鸟类。

我们设法开发了使用计算机视觉技术的工作系统。该软件首先识别从实时摄像机输出的图像中的企鹅,然后“剪切”包含足够信息以提取斑点图案的图像。以后可以通过创建将每个点连接到其他点的所有向量的集合来“索引”这些索引,以创建唯一的标识符。然后可以将这些向量集与所有已知企鹅的数据库进行比较,以识别每只鸟类。

我们在罗本岛(Robben Island)上运行了该系统三年,并注意到每只通过固定照相机的企鹅都沿着它们上岸使用的主要路线之一的模式。但是将其推广到任何位置的任何摄像机已被证明是一项更具挑战性的任务,因为光照条件极大地影响了系统识别企鹅和提取斑点图案的能力。而且,随着越来越多的企鹅进入数据库,越来越难以测试一种特定的模式是否与系统中已有的某个模式相匹配,但是是从另一个角度来看,还是某个污点遮盖了斑点,或者它是否是一只鸟。尚未在系统中。

但是,仅通过查找数据中的模式,我们就能从该系统中获得一些有趣的结果。例如,似乎企鹅在大多数时间早上都是在同一组中出海的,就像他们是一群和朋友一起上学的小学生一样。但是在晚上,当他们回到巢穴时,他们似乎是在不同的群体中这样做。为何如此,仍然是许多猜测的主题。

食物重点

身处物理系的一个重要优势是,本科生必须完成学期研究项目,并且通常对实际项目感兴趣–因此,可以说服他们为现场工作设计和制造有用的仪器,通常涉及建立电子自动数据,收集系统。例如,一对项目学生使用一组市售的包裹秤与基于Amicus微处理器的数据收集和控制系统相结合,创建了一个电池供电的称重系统。重要的是,该系统可靠,坚固,便宜,足以供野外生物学家使用。我指导了一位硕士生,他将这些称重系统与摄像头陷阱一起放在企鹅巢的前面,以对企鹅到达巢穴和离开巢穴的过程进行称重和识别。

这种系统不仅可以告诉我们成年鸡带给他们多少食物以及雏鸡的生长状况如何,还可以告诉我们父母如何分配养鸡的努力。但是到目前为止,它可能告诉我们的最有趣的事情是,确定一对企鹅将饲养多少只小鸡的首要因素就是成年过程开始时成年人的饲喂水平。我们发现,如果两只企鹅中的一只较轻,则体重超过2.4千克,那么这对企鹅很有可能使两只健康的雏鸡成对。但是如果它的重量小于2.0公斤,它们根本就不可能将任何雏鸡雏出。这些结果凸显了在非育种季节提供食物的重要性,这在以前已经被很大程度上忽略了(可能是因为它很难衡量)。

物理学家经常有疯狂的想法-在与布里斯托尔动物园的同事开会时提出的一个想法就是进行实验,看看我们是否可以创建一个全新的企鹅群落。当时,非洲企鹅在纳米比亚和南非的西部和南部海岸的约30个岛屿和两个大陆站点繁殖,繁殖情况相当好。但是我们认为这些鸟类将来可能会做得不好,所以如果我们现在可以尝试建立一个殖民地,那么我们将知道如何在圈养的鸟类中为它们的生存创造新的殖民地。

出于种种良好的理由,这个想法通常被法庭外嘲笑。但是,几年后,非洲企鹅的数量开始迅速下降,主要是因为鱼类种群开始从企鹅繁殖的岛屿附近的沿海水域移开。 2010年,非洲企鹅的保护状态从“脆弱”重新分类为“濒危”。在南非,一个曾经疯狂的想法是建立一个新的企鹅种群,现在正积极地寻求这个机会。希望在未来几年中,我们将看到一个种群在鱼类种群保持良好的地区开始的种群。

完整的循环

目前在企鹅研究人员中关于鳍状肢带的共识是,它们不适合非洲企鹅(即使是最近开发的橡胶企鹅,事实证明有些企鹅也能自行去除!)。取而代之的是,可以使用独特的图案标记在鸟巢处识别鸟类,或者通过向它们注入微芯片来识别鸟类,这些微芯片对其行为没有有害影响,并且使用合适的设备相对容易阅读。

三年前,我是在布里斯托举行的第八届国际企鹅大会的主席。今年九月,我是在开普敦举行的第20次会议之后的第九届在开普敦举行的第九届国际企鹅大会的组织者之一。研究。在那次会议上,有一个关于康复后监测研究的整个会议,所有这些都是我们在尝试评估脚蹼带时偶然地发现的。因此,我的工作已全面发展,尽管我仍然认为自己是物理学家,但我也被接受为真正的企鹅生物学家。

  • 请参阅下面的彼得·巴汉姆(Peter Barham)的视频,其中介绍了您如何识别人群中的企鹅 物理世界100秒科学 系列。

 

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