庫克群島，拉羅湯加島——在赤道以南21度12分，夏威夷島南端東南方向2771英里處，在4英尺高的湧浪下30英尺的地方，妮可·彼得森穿著潛水服、頭帶和全套水肺潛水裝備緩慢地遊動，她還攜帶了一個定製的由有機玻璃和聚氯乙烯製成的、像一個工具箱大小的箱子。箱子裡面，兩臺單反相機自動拍攝拉羅湯加島海岸外四分之一英里的珊瑚礁。這是她和斯克裡普斯海洋研究所的同事們在這裡進行研究考察的三天裡進行的最後一次潛水。
25歲的彼得森是斯克裡普斯大學的一名研究員，隸屬於加州大學聖地亞哥分校，也是一項名為“百島挑戰”的自然實驗的影像數字化協調員，該實驗於2016年夏季啟動。她今天收集的影像——40億畫素，包含70到80 GB的資料——最終將幫助團隊建立彼得森正在以割草機模式遊過的100平方米（1076平方英尺）珊瑚礁的三維模型。
當她輕輕地拍打著黑黃相間的腳蹼，儘可能保持水下恆定的速度時，海浪和水流可能會使她偏離航向，海洋生態學家斯圖爾特·桑丁和布萊恩·茲格利欽斯基在她旁邊游泳，計算著該區域內每一條魚，並在防水資料表上記錄每一種魚的物種和大致大小。該團隊在五年內將進行的4000多次潛水是一項前所未有的嘗試的資料收集部分，目的是描繪地球上每一種珊瑚礁的五個例子——兩次——以瞭解它們各自如何應對氣候變化、海洋酸化、汙染、過度捕撈以及人類在過去幾十年中以越來越頻繁和強烈的程度向其中傾瀉的其他有害物質。
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“百島挑戰”專案雄心勃勃，即使是其聯合負責人之一、斯克裡普斯珊瑚礁生態學家詹妮弗·史密斯也認為，當該專案的首席研究員桑丁和博士後研究員茲格利欽斯基幾年前向她提出這個想法時，嘗試這樣做是荒謬的。“你們真是白痴，”茲格利欽斯基說她當時這樣告訴他們。
在拉羅湯加島第一天潛水後，享用了一頓旗魚片和當地釀造的庫克啤酒的晚餐時，科學家們說，他們已經看到，這個島嶼的珊瑚礁上充滿了各種珊瑚物種的新生，並且擠滿了刮除多餘藻類的魚類，這與最近主導新聞的珊瑚礁不同。“科學家們說，珊瑚礁白化的頻率是20世紀80年代的四倍，”1月份《華盛頓郵報》的頭條新聞這樣寫道。“聯合國環境負責人說，珊瑚礁處於‘成敗攸關的關頭’”，1月份《衛報》的另一篇報道如此強調。“隨著海洋變得更加酸性，珊瑚礁面臨溶解的風險”，路透社在2月份宣佈。
妮可·彼得森正在操作鑲嵌相機系統，拍攝拉羅湯加島海岸附近的珊瑚礁生態系統的影像。圖片來源：布萊恩·茲格利欽斯基；“百島挑戰”專案
不受控制的沿海開發汙染了珊瑚礁；非法、未報告和未監測的捕魚活動耗盡了珊瑚礁；二氧化碳排放抑制了珊瑚礁的生長能力；而歷史性的海洋變暖在最近幾年導致了背靠背的白化事件，威脅著世界各地的珊瑚礁，包括可能多達一半的大堡礁北部珊瑚。儘管如此，雖然壞訊息不可否認，但這並不是唯一的故事。“當社群掌控自己的海洋生態系統時，情況就不是這樣了，”桑丁說。“當一個社群參與進來並傾聽水下的聲音時，他們就可以讓它繼續下去。”
桑丁和史密斯召集的科學家小組認為，至少有一些珊瑚礁有潛力在另一次——不可避免的——像2014-15年和2015-16年厄爾尼諾年襲擊南太平洋的那些大規模白化事件中倖存下來。其他科學家也同意，確認這一點對於保護它們至關重要，因為如果人們認為一個問題沒有解決方案，他們往往會置之不理。
“珊瑚礁正在發生很多不好的事情，忽視這一點是瘋狂的，”史密森尼國家自然歷史博物館海洋科學主席南希·諾爾頓說。儘管如此，她說，當珊瑚礁沒有其他壓力源（如汙染和過度捕撈）時，它們可以恢復，因此“僅僅抱著‘珊瑚礁註定要滅亡’的態度，既沒有特別的幫助，也不是特別準確。”
在當地，這種態度可能會導致有害的新開發，或向珊瑚礁傾倒汙水，因為如果珊瑚礁反正都會死亡，拒絕這些許可又有什麼意義呢？“百島挑戰”專案的目的是找出哪些珊瑚礁恢復良好，為什麼它們更具韌性，以及如何將任何正在拯救它們的特性——無論是生物的、管理的還是環境的——轉移到其他珊瑚礁和珊瑚物種。
“在地球上有大量的島嶼，它們是美麗的、獨特的生物多樣性寶庫，併為人類提供資源，因此，如果我們能夠開發出在每個地點都有效的技術，它們將成為其他島嶼和其他珊瑚礁的良好測試案例，”澳大利亞布里斯班昆士蘭大學海洋科學教授奧韋·霍格-古爾德伯格說。
45歲的桑丁和史密斯是一對夫婦，他們正在根據初步證據採取行動，該證據表明，水質良好、漁業健康的當地珊瑚礁更有可能從白化中迅速恢復。“我們在中太平洋的一些地方確實經歷了相當嚴重的變暖，珊瑚礁也確實發生了白化，”史密斯說。“我們記錄了這一點，並且能夠回去發現許多珊瑚實際上能夠恢復。”她還指出，一些珊瑚已經適應了溫暖的海洋，例如那些在每天和季節性經歷溫度峰值的瀉湖中的珊瑚。
帕爾米拉環礁是位於夏威夷和拉羅湯加島之間的美國未合併領土，在一次重大白化事件發生後僅八個月就出現了恢復的跡象。自2009年以來，每年都在帕爾米拉拍攝珊瑚的史密斯推測，缺乏汙染和捕撈在使其珊瑚如此顯著地恢復方面發揮了作用。“它們比經歷徑流、汙水、過度捕撈等等的珊瑚礁更有可能恢復，”她說。
該小組已經確定了100個珊瑚礁地點，從中國東海到小安的列斯群島，作為所有珊瑚礁型別的樣本：那些食物水平從高到低的（三個水平），那些人口密度從高到低的（三個水平），以及高海拔島嶼與低海拔島嶼（兩個水平）。這構成了18種組合，每種組合都有五個島嶼。（從90到100的飛躍是關於“專案品牌”，史密斯解釋說。）
聖地亞哥實驗室中訓練有素的志願者在3D模型中標記每一個可見的物種，該模型可以顯示小至1平方釐米的珊瑚幼體，因此該實驗提供了每個地點幾乎完整的珊瑚分類學。科學家們還在每個地點進行魚類普查，採用或多或少與在坦尚尼亞計算大象數量相同的方法。
他們用GPS記錄位置，計劃在兩到三年後重新訪問每個珊瑚礁，並重復這些艱苦的過程，以瞭解它的變化。在這些地點測量溫度、水質、魚類種群、珊瑚物種和其他變數。（遠征計劃在每年的同一時間進行，以考慮季節性變化；無論如何，有了如此多的資料，任何此類變化都將基本被消除，桑丁說。）透過將這些變數與島嶼因素（如特定的海洋學、底棲維度——有多少海底是由珊瑚礁、沙子等組成——以及人為影響，如那裡發生多少捕撈（以及是為食用還是為出售到島外）進行對比，他們希望找出變化發生的原因。
這項研究不僅僅是學術性的。希望是，遭受珊瑚礁破壞的當地管理者將實施與珊瑚礁狀況良好的地區類似的政策。“人們總是很興奮地聽到其他島嶼正在發生什麼，”桑丁說。在每個島嶼，該團隊都尋求與當地漁業管理者和其他政府機構、科學家以及代表居住在珊瑚礁上並依賴珊瑚礁謀生的人們的環境非政府組織建立夥伴關係。該團隊還在每次考察結束後向合作伙伴提供考察報告和該地區的3D照片鑲嵌圖。
在拉羅湯加島，在他們將頭浸入海洋之前，桑丁、彼得森和茲格利欽斯基拜訪了阿里基議院的成員，該議院是一個由庫克群島12個有人居住的島嶼和環礁的大多數傳統領導人組成的議會機構。議院的憲法職責是就某些問題向民選議會提出建議——包括目前，一項政府計劃允許海底開採錳結核（議院已接受），以及一項建造汙水管道的提案，該管道將把營養物質排入海洋。後者可能會透過鼓勵藻類生長來損害珊瑚，從而耗盡魚類種群；該專案仍處於設計階段，尚未提交給議院。
他們在以前是一個私人住宅的客廳裡會面，現在議院在那裡設立了辦公室；儀式性的雕刻和織物，以及過去傳統領導人的照片裝飾著這個地方。一些現任議員，其中大多數是女性，戴著花環頭飾。協調會議的是蒂娜·龍戈，她是一位海洋生物學家，在當地因其在美國大學獲得的博士學位以及來自該島著名家庭而備受尊敬。
在介紹和基督教祈禱之後，議院主席特拉維爾·圖向來訪的科學家們發表了講話。“你們來找我們很重要，因為我們不確定政府是否在向前邁進，”他說。“如果我們不保護陸地，結果將在海洋中看到，所以我們有一項艱鉅的任務。”桑丁隨後向與會領導人介紹了他在拉羅湯加島的意圖，並解釋了這項實驗，表示希望在領導人和其他庫克群島人士中找到“良好的合作者”。“我們隨時可以參與對話，以找到一種我們可以相互學習的方式，”他說。
圖主席回答說，在2017年，有15位科學研究人員透過議院，像桑丁一樣介紹了他們的專案。議院認可了所有這些專案。“我們要求，‘當你們完成時，請——我們想知道你們發現了什麼，這樣也許你們可以就保護我們的生計需要注意的事項提出建議。’”但15人中只有1人做出了回應。
會議結束後，在北岸一家新開的餐廳吃午飯時（朗戈確信這家餐廳會在下次颶風來襲時倒閉），他解釋了外島居民如何管理他們的漁業。島民使用傳統方法捕魚，例如用矛和用植物纖維手工編織的漁網——沒有“歐式”魚竿或漁網——並將捕獲的魚類在社群內分配。“他們有時會封閉一個區域[禁止捕魚]，並每隔一兩年輪換禁漁區，”他說。“他們這樣做已經有數百年了。” 很少需要執法，但當需要執法時，一種懲罰是要求違規者在社群聚會時與孩子們坐在一起。
拉羅湯加的情況則不同。庫克群島分為南部群島和北部群島，陸地面積為91平方英里，散佈在近80萬平方英里的海洋上。拉羅湯加位於南部群島。朗戈說，人們與主島的聯絡越緊密——庫克群島 17,000 人中的大多數都分佈在那裡，主要在沿海地區，面積比曼哈頓略大——他們在保護珊瑚礁方面就越糟糕。這是西方價值觀對當地文化的腐敗影響的一部分：“心態是，如果你說英語，你就聰明。但我們正在因失去語言而失去文化。保護倫理是透過傳說和歌曲傳播的。” 他說，教土著人如何捕魚和耕種也會讓他們關心資源。“即使他們後來成為工程師或商人，他們也會有這個基礎。”
這裡的西方影響不僅僅是文化上的：海洋變暖直接威脅著庫克群島居民的健康。預計食用被雪卡毒素汙染的魚類引起的疾病將隨著海水溫度升高而增加。海洋變暖會增加颶風和珊瑚白化事件的頻率，這兩者都會增加攜帶毒素的微生物的數量。朗戈在他的博士論文中研究了這種疾病，他直接將 2004-05 年厄爾尼諾現象期間的六次颶風與有記錄以來人類雪卡毒素中毒的最高發病率聯絡起來。
桑丁坐在團隊每天花費約 1,000 美元租來的船的船尾，他身上裝備著各種精密的裝備，懸掛在他的浮力補償器上：兩個潛水卷軸，每個卷軸配有 25 米（82 英尺）的電纜；一臺相機；一個連線到相機的 PVC 單腳架，用於拍攝設定區域，以便建立 3D 模型的比例；以及一個帶有魚類計數資料表的剪貼簿。（他希望自己身上某處有鉛筆。）他向面罩吐口水，然後把它固定在眼睛和鼻子上，然後把一個帶有 GPS 的紅色浮標扔到船邊。它有兩個作用：一是提醒船長和任何可能路過的人，水下有潛水員，二是標記潛水的確切位置，以便研究人員在兩年後返回重新調查該地點時可以找到它。他把調節器放到嘴裡，在儀表上檢查其流量，然後向後傾倒在水中。
團隊每次潛水都有三項任務：收集影像以製作 3D 光學鑲嵌圖；計數魚類；以及部署用於原位測量的裝置。衛星可以估算海面溫度，而部署在熱帶太平洋地區以預測厄爾尼諾現象的浮標網路可以提供精確的測量資料，但上升流、洋流、淡水流入和其他因素會導致近岸溫度與上方水域的溫度不同，即使在 10 米（33 英尺）的淺水深度也是如此，而他們今天正在那裡潛水。在部分地點，一名潛水員——在拉羅湯加是茲格利欽斯基——負責安裝大約一個熱醬瓶大小的溫度計，它會每 45 分鐘記錄一次溫度，直到研究人員兩年後返回將其取回。他將它們連線到一根螺紋杆上，他將杆子錘入珊瑚礁中，這也標誌著佩德森正在拍攝的地塊的位置。
一名潛水員透過拍攝一個 21.5 釐米 x 28 釐米（8.5 英寸 x 11 英寸）的棋盤圖案來校準相機（尼康 D7000 數碼單反相機），該圖案印在水下紙上並固定在 PVC 板上。“[在水下拍攝時]角度永遠不會完美，因此如果你拍攝多張已知距離的圖片，我們可以進行調整，”佩德森解釋說。完成此操作後，佩德森開始在海底一兩米處游泳，確保緩慢前進，以便每張照片與之前和之後的照片大約有 80% 的重疊。
與此同時，茲格利欽斯基和桑丁正在計數魚類——考慮到魚類會移動，這並不容易。（史密斯在加州大學聖地亞哥分校教授一門關於清點海洋魚類和植物的課程，並在卡塔利娜島附近進行實地考察，因此當她參加探險時，這通常是她的工作。）他們從潛水卷軸上解開電纜，以便知道每次都取樣一致的距離，然後來回遊動三次，標記他們看到的每種物種及其大致大小，他們稍後將從中估算該區域的生物量。魚類計數員必須注意不要妨礙攝影師；儘管從影像建立模型的軟體會自動排除任何運動中的物體，但如果他們減慢了佩德森的速度，相機的定時器將導致過多地捕獲地塊的一個部分，從而將其丟擲。
這項工作並非沒有危險。去年夏天在南線群島，佩德森在 2.5 米（8 英尺）的海浪中潛水一個陡峭的斜坡時，當她拍攝珊瑚礁最淺的部分時，一股被老水手稱為“寡婦製造者”的海浪滾滾而來。一股海浪把她推進了珊瑚礁中的一個裂縫，通向海浪破碎的地方。相機裝置丟失了，佩德森的調節器從她嘴裡掉了出來。“我當時真的以為自己要死了，”她說，但在白浪下大約 20 秒後，她找到了備用調節器，海浪過去後，她得以游出斷裂處併到達水面。
一天潛水結束後，團隊的工作還沒有完成。首先，必須將所有裝置上的腐蝕性鹽水沖洗乾淨，並放在外面晾乾，這在颶風季節這裡常見的 85% 溼度下需要一段時間。桑丁翻閱著約翰·E·蘭德爾（John E. Randall）的《南太平洋的珊瑚礁和海岸魚類》，以找出他們看到的魚類種類；事實證明，據稱是其他島嶼特有的物種——例如一種隆頭魚，一種小的雪茄形魚——也存在於拉羅湯加。“人們不會相信我們看到了它，除非我們有照片，”茲格利欽斯基說。“我們不知道它是否[由於氣候變化]正在遠離赤道，還是其他什麼。它可能是透過水柱隨機散佈，這是它們保持遺傳多樣性的方式。” 他正在拆卸一個 360 度相機，該相機的影像將建立虛擬現實體驗，可以在斯克裡普斯的伯奇水族館安裝供公眾觀看。“我們可以回來展示資料，但那很無聊，”他說。“這讓人們有機會說，‘哦，天哪，千禧島看起來是這樣的嗎？到處都是鯊魚！’”
在完成 VR 相機的工作後，茲格利欽斯基需要記錄元資料——記錄潛水地點的緯度和經度，以便他們可以在聖地亞哥的實驗室製作地圖，並將資料與儀器和位置連結起來。自從該小組今天早上離開碼頭以來，已經快 12 個小時了。
與此同時，佩德森將影像上傳到一臺 Windows 筆記型電腦，而另一臺電腦則嗡嗡作響，從昨天一次潛水中收集的約 2,000 張影像中建立 3D 模型；該模型的影片將被複制到拇指驅動器上，並在早上交付給庫克群島海洋資源部。該軟體執行一個稱為運動結構演算法的程式，並且可能需要一天到近三週的時間，具體取決於站點的複雜性。由於實驗室的七臺計算機同時製作模型，到目前為止已經構建了大約 800 個模型，還有 600 或 700 個在排隊等待。
桑丁和史密斯正在探索技術如何推進他們的專案的極限。他們希望開發增強現實版本的模型，該模型根據他們在採用不同實踐的類似珊瑚礁上觀察到的情況，顯示在各種管理實踐下珊瑚礁的進展情況。如果人們可以看到另一種現實，並觀察魚類在各種管理情景下的生長情況，他們的想法是，他們可能會受到啟發去改變他們正在做的事情。
科學家們希望有一天能夠部署水下自主航行器來代替人類攝影師，而在聖地亞哥，加州大學聖地亞哥分校的工程師們在發明此類機械方面擁有經驗。各種開發階段的機器人，每個都大約有一個電飯鍋的大小，看起來非常手工製作，覆蓋著斯克裡普斯大學的朱爾斯·賈菲辦公室的一張桌子，他幫助設計了用於找到“泰坦尼克號”號的成像系統。他想建立一個機器人群，可以完成佩德森的工作，從而讓她可以進行分析工作。“我以為他們每天在水底游泳六個小時會很酷，”他說。
在雅各布工程學院的山上，計算機科學與工程學教授瑞安·卡斯特納為遠洋 AUV 構建計算機系統。“斯圖爾特和珍了不起的地方在於他們真的在推動技術前沿，”他說。“我曾與許多海洋科學家合作過，有些人會說，‘我們將做有效的事情。’然後，有一小部分人會說，‘讓我們看看如何利用這些正在出現的技術創新’，這是 100 個島嶼挑戰的真正酷炫之處。” 在幾年內，可以將廉價的成像感測器放置在水下環境中，以收集大量資料，或許可以繪製整個珊瑚礁的地圖，而不是僅繪製樣本，以回答更大的科學問題。
保羅·阿爾沃斯（Paul Allsworth）的擔憂更為緊迫。他是庫克群島庫圖努伊（Koutu Nui）的總裁和內部事務主管，庫圖努伊是一個類似於阿里基院的傳統政府機構。在拉羅湯加探險的最後一天，當海洋的咆哮聲和野雞的鳴叫聲可以透過會議室的板條窗戶傳入時，團隊在會議室裡與他會面，涼風習習。桑丁表達了對未來前往外島探險的希望。阿爾沃斯告訴他，在他長大的外島，“魚越來越小，捕獲量越來越少，他們必須走得更遠。我們不知道為什麼。因此，我們歡迎您團隊的技術專長。” 然後，佩德森開啟她的筆記型電腦，向阿爾沃斯展示了本週潛水拍攝的模型之一。
“哦，哇！” 奧爾斯沃思咂著舌頭說，“所以有些部分正在長回來。這真是太棒了。”
本文經bioGraphic許可轉載。 該文章於2018年5月23日首次發表。