航空生态学的新科学揭示了许多关于栖息在天空中的奇妙生物以及人类如何确保它们生存的信息

每年9月11日，参观者都会聚集在曼哈顿下城的9/11国家纪念博物馆，观看名为“光之颂”的艺术装置。两束笔直的光柱刺破夜空，代表着倒塌的双子塔以及在袭击中丧生的人们。每束光柱都由44个炽热的7000瓦氙气灯组成。在晴朗的夜晚，纽约地区的人们可以在60英里半径内看到这个展品——它美丽、振奋人心、令人伤感。

这场灯光秀对过路的鸟类也极具诱惑力。9月初是沿大西洋海岸候鸟迁徙的高峰期，来自美国北部和加拿大的鸟类——从林莺到麻雀再到夜鹰——正成群南迁，飞越曼哈顿上空。一旦“光之颂”启动，它们就会发生异变：研究人员利用天气雷达和其他类型的遥感技术发现，2015年，附近鸟类的数量从500只激增到近16000只。

当鸟类进入光柱时，每束光柱宽48英尺，高48英尺，它们会变得如此着迷，以至于忘记了自己和旅程。它们像僵尸一样在光柱内盘旋，数量不断增加，大声鸣叫，盘旋的高度也越来越低。如果它们在这种迷失的状态下飞得太低，就有可能撞上建筑物或跌落到地面。

去年9月11日，我加入了纽约市鸟类联盟一群佩戴望远镜的员工和志愿者的行列，他们聚集在为灯光秀提供舞台的电池公园停车场楼顶，参加该组织的年度通宵守夜活动。一些志愿者与9/11事件有个人联系——他们在那天失去了亲人或肢体，或者遭受了其他创伤。关注鸟类的安全是他们疗愈过程的一部分。灯光秀的制作人和他们的设备就驻扎在我们旁边，也在车库的屋顶上。

晚上10点30分左右，当鸟类似乎开始下降到危险区域时，联盟的保护与科学主任达斯汀·帕特里奇（Dustin Partridge）要求制作公司关闭灯光装置。灯光立刻熄灭，天空陷入黑暗，混乱鸟类的嘈杂叫声也随之停止。15到20分钟后，灯光重新亮起。（而昆虫则没有得到这样的优待。从我们在车库楼顶的视角，我们可以看到它们飞入光束源头，然后伴随着一声巨大的“噼啪”声和一缕青烟消失。）

帕特里奇在午夜前要求关闭了三次灯光，之后，鸟类一直远离光柱，直到黎明。“如果我们不在那里，情况将截然不同，”他在通宵守夜结束后告诉我。“我们真的会让成千上万的鸟类筋疲力尽，从空中坠落，或者撞上附近的建筑物。”

当晚的守夜活动是被称为“航空生态学”的年轻学科的实际应用。长期以来，研究飞行生物的科学家们主要关注它们在地面上的活动：筑巢、觅食和繁殖。由于缺乏技术，它们在空中的时间很大程度上被忽略了。20世纪40年代，路易斯安那州立大学杰出的鸟类学家和动物学家乔治·洛瑞（George Lowery）组织志愿者记录夜间迁徙的鸟类，观察它们的身影掠过月亮。但即使在2008年，这类研究仍然非常罕见，以至于波士顿大学的蝙蝠生物学家托马斯·昆兹（Thomas Kunz）撰写了一篇有影响力的论文，题为“航空生态学：探测和模拟航空圈”。他敦促同行科学家将地面上的空间视为一个独特的生态系统，而不是从A点到B点的过渡性虚空。

蒙大拿州博兹曼市美国地质调查局的研究员罗布·迪尔（Robb Diehl）在2013年的一篇题为《空域即栖息地》的文章中扩展了这个观点。“它听不见，看不见，但却充满了生命，”迪尔告诉我。“这太不可思议了。”有些人将我们生活的地面比作海洋的底部。无数的生物在我们上方盘旋，它们的运动和意图在很大程度上未知。无数飞行昆虫为植物授粉，并为各种各样的其他生物提供食物。航空圈在它们的迁徙、捕猎、繁殖甚至进化中扮演着什么角色？

随着GPS追踪器、热成像和强大雷达等新技术的发展，对航空圈的研究已成为一个成熟的科学领域。大约11,000种鸟类和1,400种蝙蝠生命的一部分在空中度过。例如，普通雨燕一次可以在空中飞行长达十个月。信天翁也同样可以在不着陆的情况下飞行数月。斑尾塍鹬拥有世界上最长的不间断迁徙记录，它们从阿拉斯加南部出发，在超过一周的时间里，昼夜不停地飞往新西兰。高山黑雁迁徙越过喜马拉雅山脉，有记录显示它们曾出现在海拔超过五英里的珠穆朗玛峰上空。

航空圈还充满了数量惊人的微生物。每天，每平方米的地球上都会有8亿个病毒从天而降。虽然有些会导致疾病，但有些病毒携带的DNA对地球上的生命至关重要。早期人类受益于一段病毒DNA，这段DNA现在在我们神经沟通和高等思维中发挥着作用。研究人员最近发表了一项研究，他们采集了附着在大气中尘埃上的微生物，并识别出266种真菌和305种细菌。即使是尘埃，虽然没有生命，但在生命系统中也扮演着角色。大量的磷、钙、镁和钾通过喷射流从戈壁沙漠输送到加州森林，为营养贫瘠的环境提供养分，滋养着包括巨杉在内的树木。

迪尔说，对天空的研究是“令人惊叹的跨学科”。它包含了风、大气压力、温度、阳光、月光和重力等基本力。一项最近的研究发现，地磁风暴（它们带来了北极光和南极光）似乎会干扰鸟类用于导航的磁感应能力，导致更少的鸟类飞行。而那些在极光期间飞行的鸟类，则更难找到方向。另一项最近的研究发现，日食会抑制鸟类的活动，但不如日落的影响那么大。

没有什么比人类对空中生命的影响更具颠覆性了。在过去一个世纪左右的时间里，地球的低层大气层几乎没有人类的干扰，但在许多地方变得极其混乱。城市扩张、玻璃建筑的聚集、日益增长的空气污染、不断增加的飞机、无人机的出现、蜂窝塔的崛起，以及风力涡轮机和太阳能电池板的发展，都对飞行生物产生了影响。变暖的气候也增加了湍流，增加了它们的で热应激，并降低了它们的起飞能力，因为温暖的空气密度较低，对拍打翅膀的阻力较小。

2019年的一项研究发现，自1970年以来，美国和加拿大的鸟类数量减少了30亿只，几乎减少了三分之一。其中90%的减少集中在12种常见的鸟类家族，也就是我们日常看到的鸟类。康奈尔大学鸟类学实验室前主任约翰·菲茨帕特里克（John Fitzpatrick）和史密森尼学会迁徙鸟类中心前主任彼得·P·马尔拉（Peter P. Marra）在《纽约时报》上撰文称，这是“一个令人震惊的损失，表明北美生态系统的根基正在瓦解”。除了家猫每年在美国杀死超过10亿只鸟外，美国第二大与人类相关的死亡原因是与建筑环境的碰撞，每年导致高达10亿只鸟类死亡：美国每秒钟就有30只鸟死亡。

怀俄明州东部的平原是美国大陆上风最大的地区之一。在罗林斯山（Rolling Hills）这个小镇附近，羚羊和鹿在安静的街道上自由漫步，数百台风力涡轮机被矗立在山顶上。风是最清洁、成本效益最高的能源形式之一，是摆脱化石燃料和减缓气候变暖努力的重要组成部分。

然而，许多鸟类和蝙蝠在与涡轮机叶片碰撞时死亡。尽管其全部影响尚不清楚，但已相当可观。NextEra Energy公司是全球风能和太阳能发电量最大的公司，其子公司因在怀俄明州和新墨西哥州杀害至少150只鹰而被罚款800万美元。PacifiCorp公司，一家西部地区电网运营商，其约五分之一的能源来自风力发电，也因杀害至少38只金雕和336只其他受保护鸟类（包括鹰）而被罚款数百万美元。加州阿尔塔蒙特山口（Altamont Pass）约6000台风力涡轮机尤其致命。每年有数百只穴鸮、红尾鵟和红隼被杀死，还有几十只鹰。一些专家认为，被杀死的鸟类数量比我们已知的要多。

这些公司现在正与航空生态学家合作寻找解决方案。当我参观PacifiCorp拥有的格伦洛克/罗林斯山风力发电场时，迪尔也在现场。他认为航空圈中有许多看不见但至关重要的栖息地。他的研究之一表明，鸟类利用风力形成来迁徙，以减少体力消耗。“鹰和涡轮机在追求相同的东西，”迪尔说。“而且它们在同一个空域活动。”

统计死亡率是一个重要步骤。我们看着一只名叫斯科蒂（Scottie）的边境牧羊犬，它戴着长绳，在干草地上奔跑，嗅着地面。它的主人，非营利组织K9 Conservationists的联合创始人希瑟·诺特巴尔（Heather Nootbaar）和斯科蒂被聘来寻找并统计死于涡轮机叶片下的鸟类和蝙蝠。在我们头顶上方，是一座高耸、缓慢旋转的风力涡轮机，在地面投下移动的阴影。

金雕的死亡引起了最多的关注。这些雄伟的生物翼展可达七英尺以上，视力极佳，是人类的八倍。这些无林平原上的狂风使这里成为全国最好的鹰类栖息地之一，因为这些鸟类在空中翱翔，搜寻地面的猎物。它们可以在三英里外发现一只奔跑的兔子。

美国大约只有40,000只金雕。它们没有濒临灭绝，但在一些地方，它们的数量正在减少。原因有很多，从巢中的饥饿到非法枪击，再到摄入被猎人子弹打中的猎物而导致的铅中毒。与风力涡轮机的碰撞也是其中一个重要原因。“如果你增加其中任何一个原因，”研究翱翔鸟类的美国地质调查局生物学家托德·卡兹纳（Todd Katzner）说，它就可能“成为促使种群进一步下降的原因。”

鸟类不仅仅是飞过风。它们以复杂的方式利用风。例如，它们利用所谓的水平涡旋，即向上的对流气流，使它们能够轻松地翱翔，甚至逆风飞行。通过减少飞行中的能量消耗，它们就能有更多的精力用于捕猎和繁殖，从而提高生存率。

研究人员尚未确定导致鸟类撞上风力涡轮机（转速约每小时150英里）的单一原因。但一种实验性方法是使用人工智能来识别附近的鹰。像IdentiFlight这样的系统声称能够在一英里外发现一只鹰，并在大约30秒内关闭涡轮机的转动以防止碰撞。这项技术在一些地方效果很好，但也存在缺点。设备价格昂贵，而且在有很多鹰的地方，频繁关闭涡轮机的成本可能会使这种方法变得不可行。

55岁的迪尔回忆说，他9岁时就被鸟类世界所吸引。“我父亲给我看了一只红雀，”他说。“这与看到一只知更鸟和一只蓝鸦不同。我意识到那里存在多样性。于是我开始虔诚地观鸟。”在伊利诺伊大学，他给鸟类戴上无线电发射器，并在下方追踪它们。那个时候，生物学家使用的天线需要与鸟类保持几英里的距离。“你尽力追踪它，无论它去哪里，”迪尔说。有一次，他和一位同事在夜间驾驶了整夜的乡村道路，跨越了州界，追踪一只迁徙的画眉。

当我们观看狗工作时，迪尔告诉我一个在挪威进行的小型研究，其中一个涡轮机（共有三个叶片）被涂成了黑色。碰撞减少了72%。现在，南非、意大利等地也在进行涂刷叶片的实验性研究，以确定这种方法在更多地理环境和不同鸟类物种中是否有效。

随着航空生态学领域的进步，迪尔相信这可能会导致“航空保护区”的出现，类似于海洋保护区的角色。这些将是空中特别重要的区域，不仅对大量的鸟类和蝙蝠，也对昆虫至关重要。例如，迪尔和蒙大拿州立大学的一个团队一直在监测附近科迪（Cody）附近约240英里外的一个雷达站，他设立该站是为了研究军队切根虫（army cutworm moths）——一种身上有白色斑点的棕色大昆虫，也被称为米蛾。这些飞蛾的幼虫以油菜、小麦和苜蓿为食。它们的生存对许多英里外的物种至关重要。它们变态后，会以数百万的数量穿越草原进入落基山脉，在那里吸食高山草甸盛开的野花的琼浆。潜伏的灰熊和黑熊翻开石头，贪婪地吞食被称为“熊黄油”的飞蛾群，因为它们的脂肪含量非常高。一只熊每天可以吃掉40,000只飞蛾。

迪尔的同事、中国南京农业大学的研究员杰森·查普曼（Jason Chapman）专注于昆虫的航空生态学，利用雷达和系在气球上的浮动网。空飞昆虫很难研究，因为它们通常太小而无法佩戴发射器。已知的是，许多迁徙的昆虫会利用风来长距离飞行，研究人员仍然不清楚这是如何实现的。多种夜蛾科的蛾类遵循这一模式。“它们只在有利的高空风能将它们带往正确的季节方向的夜晚迁徙，”查普曼告诉我。“然后它们会飞到高处，500或600米，甚至可能一公里，进入这些速度非常快、方向有利的气流，然后它们可以以非常快的速度飞到各地。”它们如何知道风何时有利以及它们要去哪里，这些都是研究人员试图解决的几个谜团。由于昆虫的迁徙是多代进行的，它们如何将有关返程的信息传递给后代，这一点仍然是未知的。

迪尔说，航空生态学“是在努力研究一个本质上困难的问题。”迁徙可能发生在空中两英里以上，或在水上，或在夜间。“弄清楚发生了什么非常困难。”这就是为什么该领域严重依赖遥感，从热成像到生物声学，甚至是从空间站进行的追踪，以及有价值的雷达系统。它可以追踪大规模迁徙鸟类的跨区域运动。它还可以追踪在夜间迁徙的鸟类，大多数鸟类在夜间迁徙是为了避开捕食者，并利用凉爽的温度和较小的风。（在北美，70%的陆地鸟类会迁徙，其中80%是在夜间迁徙。）一个名为Nexrad（下一代雷达）的159个天气雷达站系统，在追踪迁徙方面证明了其有效性。专家表示，这些雷达站非常灵敏，可以在30英里外探测到一只单只大黄蜂。但一个主要的缺点是，该系统无法区分物种，只能识别飞行生物及其集合质量。

雷达数据有时会与收集到的鸟鸣声结合起来，这些鸟鸣声是通过建筑物顶部的麦克风阵列收集的。这些结合信息可以生成非常详细的鸟类迁徙预测。一个名为BirdCast的项目，由康奈尔大学、科罗拉多州立大学、马萨诸塞大学阿默斯特分校和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校联合运营，在BirdCast网站上以易于理解的形式向公众提供数据。在迁徙期间，只需输入您所在县或州的名称，即可找到迁徙的鸟类的数量和种类。

BirdCast也是一个宝贵的科研工具。例如，数据显示，鸟类被困在世界范围内不断扩大的光污染中，无休止地盘旋，直到筋疲力尽地跌落到地面，或撞到窗户和墙壁上。“这种情况似乎无处不在，时时刻刻都在发生，”特拉华大学领先的航空生态学家杰夫·布勒（Jeff Buler）说。这一见解促成了一项国际倡议，敦促人们在春季和秋季迁徙期间关闭特定走廊中不必要的灯光。这些数据有助于揭示迁徙路线和时间如何因气候变化而改变。

鸟类生理学也起着作用。研究人员在鸟类眼睛中发现了一种称为隐花色素（cryptochrome）的分子，它似乎通过量子纠缠与地球磁场发生反应，使鸟类能够看到并追踪它。康奈尔大学鸟类学实验室的迁徙生态学家安德鲁·法恩斯沃思（Andrew Farnsworth）推测，鸟类之所以受到光污染的影响，是因为“光波长以意想不到的方式激活了这种分子，这就是它们迷失方向的原因。它淹没了鸟类期望并与之共同进化的信号。”

专家们还在研究鸟类是如何飞行的。尽管列奥纳多·达·芬奇在15世纪就对鸟类飞行进行了开创性的观察，但关于它们如何在航空圈中完成这些事情，仍然存在许多未解之谜。在蒙大拿大学飞行实验室，主任布雷特·托巴尔斯克（Bret Tobalske）和他的博士生雷米·德尔普兰什（Rémy Delplanche）一直在拍摄欧亚斑鸠的影像，它们在风洞中被吹离航线。每只鸟都被放置在风洞中，背部绑着测量设备。当它迎风飞行，原地不动时，计算机控制的阵风会扰乱它的方向——而它几乎立即就能恢复——高速摄像机放置在鸟的上方，记录下它从人工干扰中恢复的过程。理解这一机制可能为在地球变暖和湍流增加的情况下，鸟类将面临的未来提供线索。

在史密森尼学会，国家自然历史博物馆的羽毛鉴定实验室花费数年时间分析鸟击事件的遗骸，以更好地了解哪些物种与特定类型的飞机发生交集。实验室经理卡拉·多夫（Carla Dove）表示，随着无人机配送系统的扩展，她的团队将扮演更重要的角色。她说，这些设备“比传统的航空器在鸟类的空域中活动得更多。”“我认为，只要鸟类和人类一同飞行，就会发生鸟击事件，但只要付出一点努力和数据，我们就能降低这些风险，同时也能帮助保护鸟类。”

一些解决方案已经找到并实施。在纽约市，位于曼哈顿中城、横跨哈德逊河四个街区的贾维茨中心（Javits Center）曾被称为“黑武士”，因为许多鸟类径直撞上其巨大的玻璃幕墙。但现在，该建筑被认为是纽约对鸟类最友好的建筑之一。2013年，大面积的普通玻璃被替换成带有细小方形图案的窗户，这些图案对人类几乎察觉不到，但对鸟类来说却清晰可见。2014年，传统的屋顶被改造成了纽约市最大的绿色屋顶之一。它种植了景天草甸，一种易于维护的多肉植物，已成为纽约市最大的银鸥繁殖地。屋顶上还有一个一英亩的菜园和一个一万平方英尺的果园，提供的收成喂养着参会者。纽约市鸟类联盟刚刚在该屋顶记录了第73种鸟类。纽约市也已开始控制其光污染。该市的政府建筑现在在迁徙季节的夜晚被要求关闭灯光。