库克群岛，拉罗汤加岛——在赤道以南21度12分，夏威夷岛南端东南方向2771英里处，在4英尺高的涌浪下30英尺的地方，妮可·彼得森穿着潜水服、头带和全套水肺潜水装备缓慢地游动，她还携带了一个定制的由有机玻璃和聚氯乙烯制成的、像一个工具箱大小的箱子。箱子里面，两台单反相机自动拍摄拉罗汤加岛海岸外四分之一英里的珊瑚礁。这是她和斯克里普斯海洋研究所的同事们在这里进行研究考察的三天里进行的最后一次潜水。
25岁的彼得森是斯克里普斯大学的一名研究员，隶属于加州大学圣地亚哥分校，也是一项名为“百岛挑战”的自然实验的图像数字化协调员，该实验于2016年夏季启动。她今天收集的图像——40亿像素，包含70到80 GB的数据——最终将帮助团队建立彼得森正在以割草机模式游过的100平方米（1076平方英尺）珊瑚礁的三维模型。
当她轻轻地拍打着黑黄相间的脚蹼，尽可能保持水下恒定的速度时，海浪和水流可能会使她偏离航向，海洋生态学家斯图尔特·桑丁和布莱恩·兹格利钦斯基在她旁边游泳，计算着该区域内每一条鱼，并在防水数据表上记录每一种鱼的物种和大致大小。该团队在五年内将进行的4000多次潜水是一项前所未有的尝试的数据收集部分，目的是描绘地球上每一种珊瑚礁的五个例子——两次——以了解它们各自如何应对气候变化、海洋酸化、污染、过度捕捞以及人类在过去几十年中以越来越频繁和强烈的程度向其中倾泻的其他有害物质。
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“百岛挑战”项目雄心勃勃，即使是其联合负责人之一、斯克里普斯珊瑚礁生态学家詹妮弗·史密斯也认为，当该项目的首席研究员桑丁和博士后研究员兹格利钦斯基几年前向她提出这个想法时，尝试这样做是荒谬的。“你们真是白痴，”兹格利钦斯基说她当时这样告诉他们。
在拉罗汤加岛第一天潜水后，享用了一顿旗鱼片和当地酿造的库克啤酒的晚餐时，科学家们说，他们已经看到，这个岛屿的珊瑚礁上充满了各种珊瑚物种的新生，并且挤满了刮除多余藻类的鱼类，这与最近主导新闻的珊瑚礁不同。“科学家们说，珊瑚礁白化的频率是20世纪80年代的四倍，”1月份《华盛顿邮报》的头条新闻这样写道。“联合国环境负责人说，珊瑚礁处于‘成败攸关的关头’”，1月份《卫报》的另一篇报道如此强调。“随着海洋变得更加酸性，珊瑚礁面临溶解的风险”，路透社在2月份宣布。
妮可·彼得森正在操作镶嵌相机系统，拍摄拉罗汤加岛海岸附近的珊瑚礁生态系统的图像。图片来源：布莱恩·兹格利钦斯基；“百岛挑战”项目
不受控制的沿海开发污染了珊瑚礁；非法、未报告和未监测的捕鱼活动耗尽了珊瑚礁；二氧化碳排放抑制了珊瑚礁的生长能力；而历史性的海洋变暖在最近几年导致了背靠背的白化事件，威胁着世界各地的珊瑚礁，包括可能多达一半的大堡礁北部珊瑚。尽管如此，虽然坏消息不可否认，但这并不是唯一的故事。“当社区掌控自己的海洋生态系统时，情况就不是这样了，”桑丁说。“当一个社区参与进来并倾听水下的声音时，他们就可以让它继续下去。”
桑丁和史密斯召集的科学家小组认为，至少有一些珊瑚礁有潜力在另一次——不可避免的——像2014-15年和2015-16年厄尔尼诺年袭击南太平洋的那些大规模白化事件中幸存下来。其他科学家也同意，确认这一点对于保护它们至关重要，因为如果人们认为一个问题没有解决方案，他们往往会置之不理。
“珊瑚礁正在发生很多不好的事情，忽视这一点是疯狂的，”史密森尼国家自然历史博物馆海洋科学主席南希·诺尔顿说。尽管如此，她说，当珊瑚礁没有其他压力源（如污染和过度捕捞）时，它们可以恢复，因此“仅仅抱着‘珊瑚礁注定要灭亡’的态度，既没有特别的帮助，也不是特别准确。”
在当地，这种态度可能会导致有害的新开发，或向珊瑚礁倾倒污水，因为如果珊瑚礁反正都会死亡，拒绝这些许可又有什么意义呢？“百岛挑战”项目的目的是找出哪些珊瑚礁恢复良好，为什么它们更具韧性，以及如何将任何正在拯救它们的特性——无论是生物的、管理的还是环境的——转移到其他珊瑚礁和珊瑚物种。
“在地球上有大量的岛屿，它们是美丽的、独特的生物多样性宝库，并为人类提供资源，因此，如果我们能够开发出在每个地点都有效的技术，它们将成为其他岛屿和其他珊瑚礁的良好测试案例，”澳大利亚布里斯班昆士兰大学海洋科学教授奥韦·霍格-古尔德伯格说。
45岁的桑丁和史密斯是一对夫妇，他们正在根据初步证据采取行动，该证据表明，水质良好、渔业健康的当地珊瑚礁更有可能从白化中迅速恢复。“我们在中太平洋的一些地方确实经历了相当严重的变暖，珊瑚礁也确实发生了白化，”史密斯说。“我们记录了这一点，并且能够回去发现许多珊瑚实际上能够恢复。”她还指出，一些珊瑚已经适应了温暖的海洋，例如那些在每天和季节性经历温度峰值的泻湖中的珊瑚。
帕尔米拉环礁是位于夏威夷和拉罗汤加岛之间的美国未合并领土，在一次重大白化事件发生后仅八个月就出现了恢复的迹象。自2009年以来，每年都在帕尔米拉拍摄珊瑚的史密斯推测，缺乏污染和捕捞在使其珊瑚如此显著地恢复方面发挥了作用。“它们比经历径流、污水、过度捕捞等等的珊瑚礁更有可能恢复，”她说。
该小组已经确定了100个珊瑚礁地点，从中国东海到小安的列斯群岛，作为所有珊瑚礁类型的样本：那些食物水平从高到低的（三个水平），那些人口密度从高到低的（三个水平），以及高海拔岛屿与低海拔岛屿（两个水平）。这构成了18种组合，每种组合都有五个岛屿。（从90到100的飞跃是关于“项目品牌”，史密斯解释说。）
圣地亚哥实验室中训练有素的志愿者在3D模型中标记每一个可见的物种，该模型可以显示小至1平方厘米的珊瑚幼体，因此该实验提供了每个地点几乎完整的珊瑚分类学。科学家们还在每个地点进行鱼类普查，采用或多或少与在坦桑尼亚计算大象数量相同的方法。
他们用GPS记录位置，计划在两到三年后重新访问每个珊瑚礁，并重复这些艰苦的过程，以了解它的变化。在这些地点测量温度、水质、鱼类种群、珊瑚物种和其他变量。（远征计划在每年的同一时间进行，以考虑季节性变化；无论如何，有了如此多的数据，任何此类变化都将基本被消除，桑丁说。）通过将这些变量与岛屿因素（如特定的海洋学、底栖维度——有多少海底是由珊瑚礁、沙子等组成——以及人为影响，如那里发生多少捕捞（以及是为食用还是为出售到岛外）进行对比，他们希望找出变化发生的原因。
这项研究不仅仅是学术性的。希望是，遭受珊瑚礁破坏的当地管理者将实施与珊瑚礁状况良好的地区类似的政策。“人们总是很兴奋地听到其他岛屿正在发生什么，”桑丁说。在每个岛屿，该团队都寻求与当地渔业管理者和其他政府机构、科学家以及代表居住在珊瑚礁上并依赖珊瑚礁谋生的人们的环境非政府组织建立伙伴关系。该团队还在每次考察结束后向合作伙伴提供考察报告和该地区的3D照片镶嵌图。
在拉罗汤加岛，在他们将头浸入海洋之前，桑丁、彼得森和兹格利钦斯基拜访了阿里基议院的成员，该议院是一个由库克群岛12个有人居住的岛屿和环礁的大多数传统领导人组成的议会机构。议院的宪法职责是就某些问题向民选议会提出建议——包括目前，一项政府计划允许海底开采锰结核（议院已接受），以及一项建造污水管道的提案，该管道将把营养物质排入海洋。后者可能会通过鼓励藻类生长来损害珊瑚，从而耗尽鱼类种群；该项目仍处于设计阶段，尚未提交给议院。
他们在以前是一个私人住宅的客厅里会面，现在议院在那里设立了办公室；仪式性的雕刻和织物，以及过去传统领导人的照片装饰着这个地方。一些现任议员，其中大多数是女性，戴着花环头饰。协调会议的是蒂娜·龙戈，她是一位海洋生物学家，在当地因其在美国大学获得的博士学位以及来自该岛著名家庭而备受尊敬。
在介绍和基督教祈祷之后，议院主席特拉维尔·图向来访的科学家们发表了讲话。“你们来找我们很重要，因为我们不确定政府是否在向前迈进，”他说。“如果我们不保护陆地，结果将在海洋中看到，所以我们有一项艰巨的任务。”桑丁随后向与会领导人介绍了他在拉罗汤加岛的意图，并解释了这项实验，表示希望在领导人和其他库克群岛人士中找到“良好的合作者”。“我们随时可以参与对话，以找到一种我们可以相互学习的方式，”他说。
图主席回答说，在2017年，有15位科学研究人员通过议院，像桑丁一样介绍了他们的项目。议院认可了所有这些项目。“我们要求，‘当你们完成时，请——我们想知道你们发现了什么，这样也许你们可以就保护我们的生计需要注意的事项提出建议。’”但15人中只有1人做出了回应。
会议结束后，在北岸一家新开的餐厅吃午饭时（朗戈确信这家餐厅会在下次飓风来袭时倒闭），他解释了外岛居民如何管理他们的渔业。岛民使用传统方法捕鱼，例如用矛和用植物纤维手工编织的渔网——没有“欧式”鱼竿或渔网——并将捕获的鱼类在社区内分配。“他们有时会封闭一个区域[禁止捕鱼]，并每隔一两年轮换禁渔区，”他说。“他们这样做已经有数百年了。” 很少需要执法，但当需要执法时，一种惩罚是要求违规者在社区聚会时与孩子们坐在一起。
拉罗汤加的情况则不同。库克群岛分为南部群岛和北部群岛，陆地面积为91平方英里，散布在近80万平方英里的海洋上。拉罗汤加位于南部群岛。朗戈说，人们与主岛的联系越紧密——库克群岛 17,000 人中的大多数都分布在那里，主要在沿海地区，面积比曼哈顿略大——他们在保护珊瑚礁方面就越糟糕。这是西方价值观对当地文化的腐败影响的一部分：“心态是，如果你说英语，你就聪明。但我们正在因失去语言而失去文化。保护伦理是通过传说和歌曲传播的。” 他说，教土著人如何捕鱼和耕种也会让他们关心资源。“即使他们后来成为工程师或商人，他们也会有这个基础。”
这里的西方影响不仅仅是文化上的：海洋变暖直接威胁着库克群岛居民的健康。预计食用被雪卡毒素污染的鱼类引起的疾病将随着海水温度升高而增加。海洋变暖会增加飓风和珊瑚白化事件的频率，这两者都会增加携带毒素的微生物的数量。朗戈在他的博士论文中研究了这种疾病，他直接将 2004-05 年厄尔尼诺现象期间的六次飓风与有记录以来人类雪卡毒素中毒的最高发病率联系起来。
桑丁坐在团队每天花费约 1,000 美元租来的船的船尾，他身上装备着各种精密的装备，悬挂在他的浮力补偿器上：两个潜水卷轴，每个卷轴配有 25 米（82 英尺）的电缆；一台相机；一个连接到相机的 PVC 单脚架，用于拍摄设定区域，以便建立 3D 模型的比例；以及一个带有鱼类计数数据表的剪贴板。（他希望自己身上某处有铅笔。）他向面罩吐口水，然后把它固定在眼睛和鼻子上，然后把一个带有 GPS 的红色浮标扔到船边。它有两个作用：一是提醒船长和任何可能路过的人，水下有潜水员，二是标记潜水的确切位置，以便研究人员在两年后返回重新调查该地点时可以找到它。他把调节器放到嘴里，在仪表上检查其流量，然后向后倾倒在水中。
团队每次潜水都有三项任务：收集图像以制作 3D 光学镶嵌图；计数鱼类；以及部署用于原位测量的设备。卫星可以估算海面温度，而部署在热带太平洋地区以预测厄尔尼诺现象的浮标网络可以提供精确的测量数据，但上升流、洋流、淡水流入和其他因素会导致近岸温度与上方水域的温度不同，即使在 10 米（33 英尺）的浅水深度也是如此，而他们今天正在那里潜水。在部分地点，一名潜水员——在拉罗汤加是兹格利钦斯基——负责安装大约一个热酱瓶大小的温度计，它会每 45 分钟记录一次温度，直到研究人员两年后返回将其取回。他将它们连接到一根螺纹杆上，他将杆子锤入珊瑚礁中，这也标志着佩德森正在拍摄的地块的位置。
一名潜水员通过拍摄一个 21.5 厘米 x 28 厘米（8.5 英寸 x 11 英寸）的棋盘图案来校准相机（尼康 D7000 数码单反相机），该图案印在水下纸上并固定在 PVC 板上。“[在水下拍摄时]角度永远不会完美，因此如果你拍摄多张已知距离的图片，我们可以进行调整，”佩德森解释说。完成此操作后，佩德森开始在海底一两米处游泳，确保缓慢前进，以便每张照片与之前和之后的照片大约有 80% 的重叠。
与此同时，兹格利钦斯基和桑丁正在计数鱼类——考虑到鱼类会移动，这并不容易。（史密斯在加州大学圣地亚哥分校教授一门关于清点海洋鱼类和植物的课程，并在卡塔利娜岛附近进行实地考察，因此当她参加探险时，这通常是她的工作。）他们从潜水卷轴上解开电缆，以便知道每次都采样一致的距离，然后来回游动三次，标记他们看到的每种物种及其大致大小，他们稍后将从中估算该区域的生物量。鱼类计数员必须注意不要妨碍摄影师；尽管从图像创建模型的软件会自动排除任何运动中的物体，但如果他们减慢了佩德森的速度，相机的定时器将导致过多地捕获地块的一个部分，从而将其抛出。
这项工作并非没有危险。去年夏天在南线群岛，佩德森在 2.5 米（8 英尺）的海浪中潜水一个陡峭的斜坡时，当她拍摄珊瑚礁最浅的部分时，一股被老水手称为“寡妇制造者”的海浪滚滚而来。一股海浪把她推进了珊瑚礁中的一个裂缝，通向海浪破碎的地方。相机装置丢失了，佩德森的调节器从她嘴里掉了出来。“我当时真的以为自己要死了，”她说，但在白浪下大约 20 秒后，她找到了备用调节器，海浪过去后，她得以游出断裂处并到达水面。
一天潜水结束后，团队的工作还没有完成。首先，必须将所有设备上的腐蚀性盐水冲洗干净，并放在外面晾干，这在飓风季节这里常见的 85% 湿度下需要一段时间。桑丁翻阅着约翰·E·兰德尔（John E. Randall）的《南太平洋的珊瑚礁和海岸鱼类》，以找出他们看到的鱼类种类；事实证明，据称是其他岛屿特有的物种——例如一种隆头鱼，一种小的雪茄形鱼——也存在于拉罗汤加。“人们不会相信我们看到了它，除非我们有照片，”兹格利钦斯基说。“我们不知道它是否[由于气候变化]正在远离赤道，还是其他什么。它可能是通过水柱随机散布，这是它们保持遗传多样性的方式。” 他正在拆卸一个 360 度相机，该相机的图像将创建虚拟现实体验，可以在斯克里普斯的伯奇水族馆安装供公众观看。“我们可以回来展示数据，但那很无聊，”他说。“这让人们有机会说，‘哦，天哪，千禧岛看起来是这样的吗？到处都是鲨鱼！’”
在完成 VR 相机的工作后，兹格利钦斯基需要记录元数据——记录潜水地点的纬度和经度，以便他们可以在圣地亚哥的实验室制作地图，并将数据与仪器和位置链接起来。自从该小组今天早上离开码头以来，已经快 12 个小时了。
与此同时，佩德森将图像上传到一台 Windows 笔记本电脑，而另一台电脑则嗡嗡作响，从昨天一次潜水中收集的约 2,000 张图像中创建 3D 模型；该模型的视频将被复制到拇指驱动器上，并在早上交付给库克群岛海洋资源部。该软件运行一个称为运动结构算法的程序，并且可能需要一天到近三周的时间，具体取决于站点的复杂性。由于实验室的七台计算机同时制作模型，到目前为止已经构建了大约 800 个模型，还有 600 或 700 个在排队等待。
桑丁和史密斯正在探索技术如何推进他们的项目的极限。他们希望开发增强现实版本的模型，该模型根据他们在采用不同实践的类似珊瑚礁上观察到的情况，显示在各种管理实践下珊瑚礁的进展情况。如果人们可以看到另一种现实，并观察鱼类在各种管理情景下的生长情况，他们的想法是，他们可能会受到启发去改变他们正在做的事情。
科学家们希望有一天能够部署水下自主航行器来代替人类摄影师，而在圣地亚哥，加州大学圣地亚哥分校的工程师们在发明此类机械方面拥有经验。各种开发阶段的机器人，每个都大约有一个电饭锅的大小，看起来非常手工制作，覆盖着斯克里普斯大学的朱尔斯·贾菲办公室的一张桌子，他帮助设计了用于找到“泰坦尼克号”号的成像系统。他想创建一个机器人群，可以完成佩德森的工作，从而让她可以进行分析工作。“我以为他们每天在水底游泳六个小时会很酷，”他说。
在雅各布工程学院的山上，计算机科学与工程学教授瑞安·卡斯特纳为远洋 AUV 构建计算机系统。“斯图尔特和珍了不起的地方在于他们真的在推动技术前沿，”他说。“我曾与许多海洋科学家合作过，有些人会说，‘我们将做有效的事情。’然后，有一小部分人会说，‘让我们看看如何利用这些正在出现的技术创新’，这是 100 个岛屿挑战的真正酷炫之处。” 在几年内，可以将廉价的成像传感器放置在水下环境中，以收集大量数据，或许可以绘制整个珊瑚礁的地图，而不是仅绘制样本，以回答更大的科学问题。
保罗·阿尔沃斯（Paul Allsworth）的担忧更为紧迫。他是库克群岛库图努伊（Koutu Nui）的总裁和内部事务主管，库图努伊是一个类似于阿里基院的传统政府机构。在拉罗汤加探险的最后一天，当海洋的咆哮声和野鸡的鸣叫声可以通过会议室的板条窗户传入时，团队在会议室里与他会面，凉风习习。桑丁表达了对未来前往外岛探险的希望。阿尔沃斯告诉他，在他长大的外岛，“鱼越来越小，捕获量越来越少，他们必须走得更远。我们不知道为什么。因此，我们欢迎您团队的技术专长。” 然后，佩德森打开她的笔记本电脑，向阿尔沃斯展示了本周潜水拍摄的模型之一。
“哦，哇！” 奥尔斯沃思咂着舌头说，“所以有些部分正在长回来。这真是太棒了。”
本文经bioGraphic许可转载。 该文章于2018年5月23日首次发表。