NASA推动了解生物多样性的创新途径

黄嘴美洲鹃（Yellow-billed Cuckoo）有柔软的棕色翅膀，白色的腹部，长长的尾巴上有黑白相间的斑点，它们几乎已经没有栖息地了。近几十年来，由于城市化、高温热浪等因素的影响，黄嘴美洲鹃在美国东部原生地的种群数量有所下降。气候变化可能会进一步减少其适宜的栖息地。

虽然黄嘴美洲鹃只是广阔的动植物世界中的一个物种，但它的故事并不是独一无二的。为了研究和监测地球生物多样性的变化以及世界上数量巨大的生物体，科学家和公民科学家们记录了他们在野外的观测情况。同时，地面、卫星和机载传感器可以在区域乃至全球范围内进行动植物监测。

美国国家航空航天局（NASA）资助了四个项目，以创建新的虚拟门户网站，使这些丰富的生物多样性信息成为关注焦点，以帮助向全球科学家、土地管理人员和决策者提供有关陆地生态系统状态和健康状况的相关信息。

每个项目均突出了生物多样性的不同方面，并允许用户创建易于使用的地图和其他信息产品，以追踪健康、脆弱的物种在争夺资源、迁徙到更安全的栖息地并适应气候变化时的情况。

NASA兰利研究中心（NASA’s Langley Research Center）负责监督这些工作的项目经理劳拉·罗杰斯（Laura Rogers）表示：“健康的生态系统和丰富的生物多样性是地球生命的基础。这些项目为自然资源保护者和政策制定者提供了保护地球的重要信息。”

植物和动物在哪里？

如果你曾发现一只有虎纹的鲜绿色青蛙，并想知道它究竟是什么，怎么才能找到更多这种青蛙，那你可真幸运。虎腿猴树蛙（Tiger-stripedleaf frogs）是“生命地图”（Map of Life）中包含的许多物种之一，“生命地图”是一个交互式的虚拟数据库，可追踪世界各地的哺乳动物、鸟类、爬行动物、两栖动物和一些鱼类、昆虫和植物。该数据库还可以预测物种未来将生活在何处，并帮助确定它们的栖息地是否将受到法律法规的保护。

树叶上的一只虎腿猴树蛙（Phyllomedusatomopterna）
图片来源：Jacopo Werther，维基媒体（Wikimedia）

耶鲁大学（Yale University）的教授沃尔特·杰茨（Walter Jetz）负责领导“生命地图”的相关工作，他表示：“随着我们周围世界的快速变化，社会、政策制定者、企业和个人均需要就如何与环境打交道做出决策。数据正在迅速增长。”

“生命地图”整合了卫星图像、博物馆记录、建模输出以及来自公民科学家的地面和水体观测信息。例如，“生命地图”从NASA与美国地质调查局（U.S.Geological Survey）联合运行的陆地卫星（Landsat）以及Terra卫星和Aqua卫星上的中等分辨率成像光谱仪（ModerateResolution Imaging Spectroradiometer, MODIS）等仪器收集信息。沃尔特·杰茨表示：“这些卫星提供了全球数据，我们可以使用这些数据并将其与物种生存的相关原始数据结合在一起。”

“生命地图”旨在帮助政府和非政府机构在保存及保护地球上最脆弱的物种时做出明智的决定。大自然保护协会（The Nature Conservancy, TNC）的空间规划技术协调员詹妮弗·麦克高恩（JenniferMcGowan）负责帮助该组织确定保护行动的优先顺序。詹妮弗·麦克高恩表示：“‘生命地图’项目提供了物种层面的信息，这对于确定为保护特定物种而应采取的保护行动的优先级非常有用。”

詹妮弗·麦克高恩表示：“‘生命地图’的物种分布图尤其宝贵。”这有助于他们以经济有效的方式来平衡陆地栖息地和海洋栖息地的保护机会。

该团队还创建了一款“生命地图”移动应用程序，使用户可以探索周围的环境并记录自己的所见所闻。该应用程序包含有关全球3万多个物种的信息。例如，如果德克萨斯州休斯顿的某人想发现当地的蜻蜓，他们将打开该应用程序，搜索自己所在的位置，看到粉舞蟌（ArgiaMoesta）的照片和说明。粉舞蟌是大理石大小的昆虫，翅膀纤长、半透明。

沃尔特·杰茨表示，这款应用程序和在线门户网站均揭示了土地利用的变化（例如种植粮食、砍伐树木和建造城市）是塑造生物多样性的主要驱动力。如果环境发生变化，比如在湿地上新建一座建筑，则很可能会对生物多样性造成影响，例如特定地区的蜻蜓数量会减少。

气候变化如何影响物种群落？

杜克大学（Duke University）的研究人员也在研发一种工具，旨在帮助识别北美的生物多样性变化。值得一提的是，由杜克大学的詹妮弗·斯文森（Jennifer Swenson）教授和吉姆·克拉克（JimClark）教授领导的研究小组想知道当一个物种在变暖的世界中迁徙并为合适的栖息地展开竞争时将如何影响另一个物种。该研究小组创建了一个交互式门户网站，将卫星、机载和地面信息以及气候预测和生态预报结合起来，以追踪气候变化将如何影响物种和野生动植物群落。

例如，“基于通用联合归因模型的生物多样性预测”（Predicting Biodiversity with a Generalized JointAttribution Model，简称PBGJAM）使用了美国国家生态观测站网络（National Ecological Observatory Network, 简称NEON）收集的信息、NASA遥感观测的地球数据和气候数据以及其他资源，以揭示啄木鸟、荒漠小囊鼠和白枞树等许多物种在未来的气候情景下将有可能迁移到什么地方。

枝条上的一只黄嘴美洲鹃（Coccyzusamericanus）。
图片来源：MagnusManske，维基媒体

詹妮弗·斯文森表示：“我们需要考虑哪个物种和哪个物种栖息在一起，以便了解更广泛的影响。” 例如，如果desert pocket mouse没能在干旱中幸存下来，它们的捕食者会不会找到其他食物来源，或者是改变栖息地，或是也将灭绝？

PBGJAM门户旨在探索生物多样性群落如何作为一个整体来应对气候变化，以更准确地预测气候变化对单个物种和整个生态系统的影响。

为了解决这个问题，PBGJAM团队建立了强大的通用联合归因模型（Generalized Joint Attribution Model），该模型可以为多个物种引入不同类型的数据。例如，荒漠小囊鼠（desert pocket mouse）和其他鼠种目前集中在美国西南地区。随着气候变化和发展，它们开始失去能存活的栖息地从而被迫向北或向东迁移，同时相互争夺资源，并从捕食者手中争先恐后地捕杀。

该模型可以推算出特定区域中生活着多少物种，以及对特定物种存在多少合适的栖息地。该模型还可以预测未来这一切将如何改变，以及随着群落迁移，一个物种的迁徙将如何影响另一个物种。

PBGJAM提供的网络界面降低了决策者、科学家和任何感兴趣的个人的参与门槛。来自纽约州立大学布法罗分校（Universityat Buffalo）的教授亚当·威尔逊（Adam Wilson）表示，他们只需要选择一种生态系统类型，然后查看其变化方式即可。

何时开花？

PBGJAM采用多种途径来研究气候变化对物种群落的影响，但高级物候信息系统（Advanced Phenological Information System, APIS）则重点关注植物物种的季节性动态。具体而言，APIS为探索气候变化和其他因素如何影响物候或研究季节性的生命周期事件（例如抽叶、开花、繁殖和迁徙）提供了框架。

APIS包括一系列软件，这些软件依赖于来自野外观测、近地面观测相机和卫星的上百万数据来探索汇总不同时间和空间尺度的物候观测。这项工作由来自美国国家入侵物种委员会（National Invasive Species Council）首席科学家杰夫·莫里塞特（JeffMorisette）和陆地过程分布式数据档案中心（Land Processes Distributed ActiveArchive Center）的项目科学家汤姆·迈尔斯佩格（Tom Maiersperger）共同领导。陆地过程分布式数据档案中心是NASA地球观测系统数据和信息系统（EOSDIS）的一部分。

物候学与周期性的动植物生命周期事件的时间有关，例如亚利桑那州切利峡谷国家纪念碑（Canyon de Chelly National Monument）的树叶在秋天变色。
图片来源：美国国家公园管理局（NationalPark Service）

APIS包括来自MODIS、PhenoCam（由北亚利桑那大学的研究人员领导，在固定位置设置的高分辨率数码相机，用于捕捉延时图像），美国国家物候网（USA-NPN）和NEON的信息。该项目的参与者还包括保护科学合作伙伴（Conservation Science Partners），该机构领导的软件研发促进了近期物候预测。

杰夫·莫里塞特说：“当看到一棵丁香树开花时，你可以说是这颗丁香树的春天来临了。” 但是，正如卫星观测所发现的那样，这对于季节的开始意味着什么呢？

杰夫·莫里塞特表示：“APIS可在更广阔的区域、跨越多个监控网络的范围，在不同的尺度上提供更加全面的信息。在动植物入侵的背景下，了解物种之间如何竞争以及更广泛的生态系统动态和气候是如何影响这些物种的，这一点至关重要。如果仅在有限的时空尺度上观察，你将很可能会错过一些东西。”

来自USA-NPN的科学家凯西·格斯特（Kathy Gerst）与杰夫·莫里塞特等人共同创建了APIS。她说：“APIS旨在研发技术，使数据更易于获取，且更容易与其他观测源的数据集成。APIS使人们能够将数据无缝整合在一起。”

凯西·格斯特表示，生态学家、自然资源管理者和气候学家可以使用APIS来查看物候与气候之间的关系，以了解受威胁物种、濒危物种及入侵物种对温度和降雨变化的反应。

APIS还可以帮助研究人员创建地图，以确定特定年份的春天是否较常年提前以及通过研究长期模式以查看趋势将如何随时间变化。例如，凯西·格斯特等人发表了一篇论文，将19种树木和灌木的春季指数或指示春季开始的模型与实际的物候活动（如开花）联系起来。

使用APIS的其他组织包括美国地质调查局西南气候适应科学中心和中北气候适应科学中心（Southwest and North Central Climate Adaptation ScienceCenters），这两个中心都在研究物候与干旱的关系。美国国家公园管理局研究和监测处（Inventory and Monitoring Division）使用APIS来更好地了解植被和土壤。美国丹佛动物园（DenverZoo）和蒙古国艾赫纳特自然保护区（Ikh Nart Nature Reserve）也正在使用APIS来为其天然草地管理策略提供参考。

植物的颜色告诉我们什么？

为了帮助向APIS、PBGJAM和“生命地图”提供强大的植物数据，由来自威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin-Madison）的菲尔·汤森（Phil Townsend）教授领导的团队创建了生态光谱信息系统（Ecological Spectral Information System, EcoSIS）。

由于光谱及其反射阳光的方式，新鲜的树叶和郁郁葱葱的树梢在我们眼中看起来是鲜艳的绿色。由于它们吸收除绿色以外的所有波长，因此我们看到的是绿色。当树叶开始变为黄色和红色时，即反射相应颜色的波长。

这些明显的迹象或光谱变化有助于研究人员了解植被的健康状况。尽管来自机载、卫星和地面传感器的光谱数据比以往任何时候都要多，但这些数据并不总是易于使用。

EcoSIS数据库是添加、查找和使用光谱数据的一站式门户。与菲尔·汤森在NASA喷气推进实验室合作的工程师娜塔莎·斯塔夫罗斯（Natasha Stavros）说：“光谱信息是生物多样性的指标。”光谱数据有助于我们了解遗传多样性。

现在，EcoSIS已启动并开始运行，该团队正在研发云端地理空间光谱处理环境（Geospatial Spectroscopy Processing Environment, GeoSPEC），这是一个面向用户的数据系统的原型，可以更轻松地访问和使用光谱信息。随着我们将更多的仪器送入太空并从机载和地面传感器收集数据，我们最终获得了大量数据。

为了使这些数据易于访问，GeoSPEC在云端环境中运行，以便研究人员在避免计算机硬件能力不堪重负的情况下访问、使用和处理数据。

NASA的科学家和平面艺术家团队利用来自多个卫星任务的数据（并非所有数据都是同时收集的），创建了从陆地表面到极地海冰，再到生长在海洋中的数十亿种微型植物的叶绿素反射的光线的全球数据层。
图片来源：NASA/ 戈达德太空飞行中心（Goddard Space Flight Center）/ 雷托·斯特克利（RetoStöckli）

下一步

虽然GeoSPEC建立在EcoSIS的基础上，但PBGJAM团队计划创建结合遥感图像的工具，以揭示冠层的三维结构、组成和功能。许多鸟类、哺乳动物和昆虫在植被冠层中安家。“生命地图”团队计划创建一个在线数据库，其中包括分析产品和来自遥感生物多样性数据的可视化结果。这些被资助的工具将继续降低用户与生物多样性数据进行交互的门槛。

这些项目均由NASA的高级信息系统技术（Advanced Information Systems Technology, AIST）计划资助，该计划是NASA地球科学技术办公室的一部分。AIST计划资助进步性和颠覆性的项目，以满足NASA有效监测和了解地球的目标。该计划旨在加强对科学数据的获取，并启用新的观测测量和信息产品。

AIST项目经理杰奎琳·勒莫尼（Jacqueline LeMoigne）说：“AIST项目是由科学定义并驱动的。”她希望通过这些项目来帮助定义新的科学目标和要求，以收集未来从太空进行的科学测量结果。

劳拉·罗杰斯说：“随着气候变化，物种和物种群落必须适应或迁徙到条件更有利的区域。” 这些AIST项目有助于预测和追踪这些适应和迁移。杰奎琳·勒莫尼说：“从长远来看，该计划还旨在通过发现和推进突破性的计算机科学、软件和信息系统技术来实现未来的NASA地球科学任务。”

来源：https://www.nasa.gov/feature/esd/2020/nasa-fosters-innovative-ways-to-understand-biodiversity