在史蒂夫·凱林辦公室落地窗外的 230 英畝森林中，50 種候鳥——鶯雀、玫瑰胸[鳥]、雪松太平鳥——已於一夜之間抵達。在這個五月初的下午，它們的叫聲在森林中迴響，匯成一首巨大的鳴禽混曲。凱林，或者說伊薩卡康奈爾鳥類學實驗室的任何人，究竟是如何集中精力工作的，這真是一個謎。
當然，窗外的景象就是工作本身。凱林在他的筆記型電腦上調出一張動畫地圖。地圖上是美國，在黑色背景上用白色勾勒出來。地圖下方的進度條顯示時間的流逝，總共一年。起初，什麼也沒有發生。突然，大約在四月份，加利福尼亞州南部出現了一片橙色。它像火焰一樣向北部和東部蔓延，直到整個西部三分之一的國土都燃起了熊熊大火，閃耀著各種深淺的橙色和白色。然後它又逆轉，顏色從北向南消失，直到十一月，整張地圖又變得漆黑一片。我們剛剛觀看了西部唐納雀的年度遷徙。
現在有 300 多種鳥類擁有了自己的遷徙地圖，這些地圖是利用 eBird 收集的資料生成的。eBird 是一個有 10 年曆史的公民科學專案，凱林作為該實驗室資訊科學主任負責監督該專案。最近一個月，大約有 11,000 名觀鳥者向 eBird 的資料庫上傳了超過 300 萬條觀測記錄，該資料庫現在包含超過 1.1 億條記錄。總共有約 90,000 人參與，記錄數量每年增長約 40%。
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觀鳥者以其對記錄觀測結果的執著投入和細緻習慣而聞名。然而直到最近，分享觀測結果仍然是零星的，並且很大程度上與科學家的工作脫節。這種情況正在發生改變。凱林和他的同事是新興的公民科學領域的先驅。技術——Wi-Fi、智慧手機、處理能力——徹底改變了科學可以利用普通人的資料做的事情，使得一支由渴望參與真實研究的業餘愛好者組成的常備軍成為可能。
鳥類學家並不是唯一的受益者。來自生態學、人類學和公共衛生等不同領域的科學家也開始利用技術為他們提供的與普通民眾的聯絡，這些普通民眾願意為了參與的單純樂趣或成果的回報而工作。（僅 eBird 的資料就催生了從氣候科學到人工智慧等主題的研究。）到目前為止，公民科學家已經發現了未知的星系，確定了難以捉摸的蛋白質結構，並收集了土地管理者保護森林和流域所需的證據。eBird——也許是最著名的公民科學專案——的結果表明，公眾參與對於特定研究領域有多麼有價值。
然而，總的來說，公民科學的普及可能意味著更大的意義，預示著科學家和公眾對科學事業的看法發生了轉變。當社會可能最需要參與式科學的時候——當我們應對氣候變化等需要海量資料和公眾參與的複雜問題時，參與式科學的新時代正在形成。“我們一些最大的保護、科學和社會挑戰，”緬因州阿卡迪亞國家公園的科學協調員阿貝·米勒-拉辛說，“沒有它是無法解決的。”
迴歸本源
對於史蒂文·姆洛迪諾夫來說，他是一位狂熱的觀鳥者，也是科羅拉多州朗蒙特的一位家庭醫生。參與 eBird 使他感覺自己有點像現代的林奈，這位 18 世紀的瑞典人被認為是現代分類學之父。“如果你追溯到很久以前，”姆洛迪諾夫說，“博物學家都是未經培訓的，科學在很大程度上是由那些自學成才或在大學接受過最少培訓的人推動的。因此，作為一名醫生，我感覺自己回到了，比如說，18 世紀的英國。”
自從人類表達的黎明以來，人們就一直在觀察周圍的世界，並記錄他們所看到的東西。業餘愛好者一直參與科學研究。托馬斯·傑斐遜收集了 50 年的氣象資料；亨利·大衛·梭羅一絲不苟地記錄了他當地樹林中植物的開花時間。一些科學上最偉大的突破是由那些在其領域幾乎或根本沒有受過正規培訓的人完成的——尼古拉·特斯拉、斯里尼瓦薩·拉馬努金、艾薩克·牛頓、查爾斯·達爾文。
氣象學可能是最清晰的例子。早在 19 世紀 40 年代，史密森學會的第一任秘書就設想建立一個志願者氣象站網路。該專案吞噬了該機構預算的很大一部分，有時有 600 名參與者。電報幫助志願者分享每年收集的近 50 萬條觀測記錄。政府機構最終介入，但一個全國性的合作氣象站網路至今仍然存在。它促成了關於天氣模式、年降雪量、植物耐寒性和地形重要性的發現。它還使我們今天仍然依賴的乾旱監測地圖成為可能。
科羅拉多州氣候學家諾蘭·多斯肯在最近的一次演講中說，志願者的投入構成了“我們過去對氣候瞭解的大部分”。“要從正確的歷史角度來看待它，我們需要那個基線。”
鳥類學是另一個適合業餘愛好者的領域。畢竟，觀鳥者已經準備好收集資料；他們已經這樣做了幾個世紀。例如，燈塔看守員儲存了他們看到的鳥類的詳細記錄。美國奧杜邦協會的聖誕節鳥類計數已經存在了 110 多年。當 eBird 於 2002 年首次啟動時，其領導者有一個簡單、單向的想法：觀鳥者如何積累資料，使其對科學家有用？儘管研究人員已經在世界各地建立了大規模的自動化感測器網路，以監測我們環境的幾乎每個方面（大氣碳、河流流量、降雨量、氮汙染），但一些資料收集仍然需要人類。“沒有自主感測器可以識別鳥類——或任何生物，就此而言，”凱林說。“所以你必須做的是用一種可以做出正確的決策和觀察的感測器來取代那些自主感測器。”換句話說，一個真人——在 eBird 的案例中，是那種痴迷於尋找、觀察、計數和炫耀鳥類的人。
然而，該專案很快就碰壁了。觀鳥者每月輸入約 50,000 條記錄，太少而無用，而且這個數字不會改變。“在兩年半之後，”凱林回憶說，“我們意識到我們失敗了。我們需要鳥類界的人士來支援我們。”該實驗室聘請了兩名經驗豐富的觀鳥者來負責該專案（後來又增加了一名）。
該團隊很快意識到，關鍵是要確保觀鳥者也能從中得到一些東西。eBird 科學家想要可以幫助保護的資料。然而，這不足以激勵觀鳥者，他們必須花費額外的時間學習資料庫，改變他們的筆記習慣和上傳記錄。新的專案負責人也在思考觀鳥者會喜歡什麼工具。
觀鳥最終是一種列表記錄形式。因此，專案負責人之一克里斯·伍德說，為了吸引社群，eBird 必須提供新的和更好的方式來處理這些列表：組織它們、分享它們、將它們用作（主要是）友好競爭的基礎。今天，eBird 幾乎就像觀鳥者的 Facebook，一個他們可以用來跟蹤和廣播他們的觀鳥生活的社交網路。eBird 資料庫以及相關的智慧手機應用程式，讓觀鳥者可以組織從他們的終生列表——他們見過的所有物種——到他們見過特定物種的次數，再到他們在最喜歡的地方見過的物種列表等所有內容。同樣重要的是，他們可以看到其他所有人的列表——然後盡最大努力超越他們。當姆洛迪諾夫在科羅拉多州東部草原看到兩隻小[姬]鶲時，他可以很快看到他的記錄是今年春天最早的鳥類目擊記錄。“是的，我們得到了記錄！”他驚呼。
“很難高估這些遊戲可能產生的強大激勵效果，”伍德後來說。
伍德坐在康奈爾實驗室的一間會議室裡——更多的是面向喧鬧森林的落地窗——調出了堪薩斯州西南部一個縣的記錄。“你可以看到誰提交的清單最多，看到的物種最多，”他說。一直靜靜地坐在桌子遠端的凱林突然插話
“我是湯普金斯縣清單最高的人，”他吹噓道。
“不，他不是！”伍德笑著告訴我。“他以為他是。”
儘管如此，eBird 並非全是樂趣和鳥類遊戲。公民科學也面臨著嚴峻的挑戰，其中最大的挑戰也許是如何確保資料的可信度。eBird 領導者幫助維護資料質量的一種方式是依靠觀鳥者擔任區域專家。在科羅拉多州，姆洛迪諾夫和另外兩位觀鳥者——科學教師比爾·施莫克和野生動物監測員克里斯蒂安·努內斯——每週花費數小時上傳他們的觀測記錄並審查其他人的記錄。他們會檢視系統標記為有問題的任何資料，每月輸入的 300 萬條記錄中高達 8% 的資料。他們的工作有助於保持記錄儘可能準確。（它還訓練演算法根據不同貢獻者的專業水平對他們的記錄進行加權。）
這些努力似乎正在取得成果。eBird 資料正在站穩腳跟，並開始對公共政策產生影響。透過將 eBird 分佈資料疊加在美國公共土地地圖上，研究人員已經確定了哪些瀕危或受威脅鳥類在一年中的哪個時間出現在哪個聯邦機構的土地上——這些知識被機構用來確定預算優先事項。
一個使用 eBird 資料的新專案，稱為 BirdCast，釋出遷徙預測——想象一下一個天氣預報，預測的是成群的巴爾的摩金鶯而不是雷暴。“多普勒雷達的酷之處在於，”凱林說，“它不在乎它從什麼東西上反射——蟲子、煙霧、鳥類。”他調出一張熟悉的雷達影像，顯示移動的雲層。但他正在關注其他東西：不是風暴雲團的藍色，而是較小的綠色區域——夜間飛行的鳥群。透過將 eBird 資料與雷達影像、天氣資訊和計算機模型相結合，BirdCast 將很快能夠為該國的任何地區生成每週遷徙預測。（目前，該實驗室在春季和秋季遷徙期間釋出每週預測，以及針對諸如超級風暴桑迪等不尋常事件的特別報告。）凱林說，這些報告可能會促使城市在成千上萬只鳥類飛過上空的夜晚關閉市中心的燈光或風力發電場關閉渦輪機。
各種型別的公民科學專案都在產生具有實際應用的研究成果。LiMPETS 是加利福尼亞海岸的一項長期監測計劃，依靠學生和教師收集資料，這些資料將有助於指導石油洩漏或其他沿海汙染後的清理工作。威斯康星州自然資源部依靠公民來掌握當地空氣、水和野生動物的情況。在全球範圍內的非洲薩赫勒地區，由大學大氣研究公司運營的腦膜炎天氣專案利用村民對當地天氣模式的觀察來預測雨季的開始，屆時腦膜炎風險會急劇下降，疫苗接種變得不必要；該專案有助於擴大疫苗供應。
除了幫助公共政策之外，公民科學還解決了規模問題。科學家不可能無處不在，這一事實使我們陷入了芝加哥阿德勒天文館公民科學主任阿方·史密斯所說的“無知之霧”——地圖上我們幾乎沒有關於天氣事件或生物多樣性等現象的歷史資料的點。擴大觀察世界的人數，無論是花朵、星星還是毒素，都可以提高我們理解世界的能力。
科學新領域
在波特蘭一個悶熱的八月週末，近 300 人擠滿了俄勒岡會議中心的一個房間，參加公眾參與科學研究會議。在為期兩天的時間裡，與會者展示了他們的專案，介紹了資料庫和其他實用工具，記錄了業餘愛好者的歷史貢獻，並論證了公眾參與科學可以成為變革的引擎。會議以一場關於公民科學作為一個正式領域——擁有專業的組織、年會和期刊——究竟會是什麼樣的大規模頭腦風暴會議結束。
阿卡迪亞的米勒-拉辛和康奈爾實驗室的兩名研究人員，裡克·邦尼和詹妮弗·希爾克，在一天晚上共進晚餐時萌生了會議的想法。2006 年，該實驗室獲得了美國國家科學基金會的資助，以制定公民科學的最佳實踐。現在，該實驗室是該領域事實上的總部。邦尼因在 20 世紀 90 年代創造了“公民科學”一詞而受到讚譽；希爾克出於好奇，想知道科學家們為什麼要在專業風險和潛在的後勤難題的情況下開展這些專案，她正在為她的博士學位研究該領域。
他們推動建立一個官方學科的原因之一是為了在遙遠的研究領域之間交流思想：生態學、天文學、計算機科學、流行病學。公民科學的科學家需要一個論壇，希爾克說，“聚在一起說，‘這是我在做的事情，這是我們正在努力解決的事情。’”研究人員可以從彼此在招募志願者或應對海量資料等任務中的成功或失敗中汲取經驗。
為了使公眾參與科學研究成為一個獨立的領域，它必須解決一些挑戰。首先，如何將截然不同的目標和專案型別結合在一起？研究人員曾嘗試對專案進行分類，但在根本層面上，公民科學專案分為兩類：公眾直接為科學家服務的專案和科學家直接為公眾服務的專案。（這兩組並非相互排斥；擁有關於動物遷徙或乾旱或分子結構的更好資料，可以說也為公眾服務。）
星系動物園擁有世界上一些最好的天文資訊，它始於一群博士後研究人員，他們淹沒在斯隆數字巡天專案的下載資料中。星系動物園現在包括來自哈勃太空望遠鏡的影像，並衍生出一個名為 Zooniverse 的線上公民科學專案家族，志願者在其中幫助理解資料。Zooniverse 的近 720,000 名參與者轉錄了來自第一次世界大戰軍艦的氣象觀測記錄，識別了來自海底照片中的物種，並對鯨魚叫聲進行了分類。科學家從所有這些專案中受益。另一方面，參與倫敦大學學院新的極端公民科學 (ExCiteS) 小組的研究人員正在幫助邊緣化社群透過科學賦能自己。在一個最近的專案中，倫敦一個破敗社群的居民使用分貝監測儀收集了 1,100 多個噪音樣本，以表明附近的一個廢品場震耳欲聾。該大學的地理資訊系統 (GIS) 專家將這些資料轉換為社群噪音地圖，這對於說服當地官員規範廢品場的音量起到了重要作用。
此類基於社群的專案將科學轉變為一種社會事業。在波特蘭會議上，一位與會者談到“整合多種知識”——來自土著社群、當地獵人或其他具有傳統知識或對地方有深刻認識的人的資訊。這個概念可能讓一些科學家難以接受。
ExCiteS 的聯合主任穆基·哈克萊認為，現在是時候進化了。研究人員需要將公民科學僅僅視為“產生科學知識的不同方式”，他說。例如，當倫敦社群測量噪音水平時，哈克萊說，他並沒有將結果作為最終的科學結論呈現出來。他只是將它們作為證據傳遞給地方當局，表明他們需要前來檢視。“你為你所說的價值以及它與人們生活的相關性提出主張，”他指出。
公民科學最重要的貢獻之一最終可能是透過讓外行人直接接觸科學過程來傳播科學素養。“我真的很喜歡這個想法，”史密斯說，“提高對科學方法的理解，讓人們參與到科學的細枝末節中。如果你能看到更多實際過程，並接觸到更多科學工作流程的部分，那麼這將是好事。”
無論是學習橢圓星系和螺旋星系之間的區別，發現蛋白質的結構如何決定其功能，幫助計數野生動物，還是解讀當地溪流的化學成分，直接參與科學的行為都可能具有變革性。在波特蘭會議上，以其海龜保護工作而聞名的海洋生物學家華萊士·J·尼科爾斯將公民科學家比作海星的斷臂，它們斷裂、漂走並形成新的生物，這在房間裡引起了明顯的興奮。“你永遠不知道他們會做什麼，”尼科爾斯說。
去年春天的一個陽光明媚的下午，在科羅拉多州的一個觀鳥熱點地區與 eBird 的姆洛迪諾夫、施莫克和努內斯一起遊覽時，我問他們為什麼在這個專案上投入這麼多時間。我想知道他們是否只是做好事的人，或者他們是否感到對 eBird 有某種責任感，因為 eBird 現在給了他們方便的新工具。“對於許多認真的觀鳥者來說，”姆洛迪諾夫回答說，“科學部分值得注意。我們經常試圖解剖亞種，以弄清楚亞種的分佈範圍——這實際上是未知的，尤其是在遷徙期間。我認為，從長遠來看，這將改變我們對亞種分佈地點的理解。” 聽起來像一個真正的科學家。