從泥濘的靴子到數(shù)學(xué)推進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性科學(xué)

普林斯頓在環(huán)境問(wèn)題領(lǐng)域的重要研究在今天并將繼續(xù)成為解決人類最棘手問(wèn)題的關(guān)鍵。我們的影響建立在個(gè)人承諾、知識(shí)領(lǐng)導(dǎo)、毅力和創(chuàng)新的長(zhǎng)期、深刻和廣泛的遺產(chǎn)之上。這篇文章是介紹普林斯頓在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)中的環(huán)境卓越成就系列文章的一部分。

大衛(wèi)·威爾考夫(DavidWilcove)很小的時(shí)候就對(duì)鳥類著迷，上小學(xué)時(shí)，他意識(shí)到游隼和禿鷹等鳥類數(shù)量急劇下降，它們都是殺蟲劑污染的受害者。

“這激發(fā)了我想要盡我所能保護(hù)野生動(dòng)物種群和它們賴以生存的自然生態(tài)系統(tǒng)的愿望，”生態(tài)學(xué)、進(jìn)化生物學(xué)和公共事務(wù)教授以及普林斯頓環(huán)境研究所的威爾考夫回憶道。

威爾考夫于2001年加入普林斯頓大學(xué)，成為杰出學(xué)者的一部分，特別是在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)里，他一直站在理解和保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性的前沿。不幸的是，保護(hù)地球自然系統(tǒng)的挑戰(zhàn)現(xiàn)在比以往任何時(shí)候都更加緊迫。

雖然保護(hù)鳥類和禁止使用某些殺蟲劑的法律最終讓W(xué)ilcove青年時(shí)代的標(biāo)志性鳥類得以恢復(fù)，但世界現(xiàn)在正在經(jīng)歷自恐龍滅絕以來(lái)最大規(guī)模的物種滅絕。這種植物和動(dòng)物物種的加速喪失——被稱為第六次大規(guī)模滅絕——是由人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)的。威爾考夫說(shuō)，世界上至少有25%的哺乳動(dòng)物和12%的鳥類面臨滅絕的威脅。

“在世界各地，我們看到自然生態(tài)系統(tǒng)正在以削弱其維持生命和為人類提供重要服務(wù)的能力的方式被破壞或發(fā)展，”Wilcove說(shuō)，他的研究重點(diǎn)是棲息地恢復(fù)、野生動(dòng)物貿(mào)易及其影響氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)物種的影響。

“我們需要健康的生態(tài)系統(tǒng)來(lái)維持健康的生活，”他說(shuō)。“我們無(wú)法生存在一個(gè)僅由玉米田和城市組成的世界中。”

幸運(yùn)的是，我們擁有比以往更多的概念和技術(shù)工具來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。從數(shù)學(xué)模型和基因測(cè)序到氣候模型和衛(wèi)星，生物多樣性研究在過(guò)去50年中不斷擴(kuò)展，以考慮和捕捉生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和相互關(guān)聯(lián)性。

科學(xué)家今天在實(shí)驗(yàn)室和野外使用的許多工具和理論都源于普林斯頓。普林斯頓的科學(xué)家們繼續(xù)引領(lǐng)著將新技術(shù)應(yīng)用于自然系統(tǒng)研究、對(duì)控制所有系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行建模以及研究物種如何以可用于保護(hù)的方式表現(xiàn)和對(duì)環(huán)境做出反應(yīng)的方式。

“這所大學(xué)有著悠久而重要的科學(xué)研究傳統(tǒng)，這有助于我們了解如何最好地部署我們的資源，以盡可能多地拯救地球上的生命，”威爾考夫說(shuō)。

1965年，大學(xué)聘請(qǐng)了生物學(xué)家羅伯特麥克阿瑟，他的工作是探索物種之間的相互作用和競(jìng)爭(zhēng)如何支持共存和生態(tài)系統(tǒng)的第一批工作之一。他的工作——尤其是他1967年與哈佛大學(xué)生物學(xué)家EOWilson合著的開創(chuàng)性著作《島嶼生物地理學(xué)理論》——促使生態(tài)學(xué)從主要基于觀察和軼事轉(zhuǎn)向受理論和實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)。

麥克阿瑟工作的獨(dú)創(chuàng)性在于它試圖發(fā)展跨系統(tǒng)的統(tǒng)一原則，西蒙萊文說(shuō)，他是詹姆斯·麥克唐納大學(xué)生態(tài)學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)杰出教授，也是普林斯頓環(huán)境研究所生物復(fù)雜性中心的負(fù)責(zé)人(培)。島嶼生物地理學(xué)理論不是專注于特定系統(tǒng)，而是提出了思考所有生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念基礎(chǔ)。

“這有助于將生態(tài)學(xué)領(lǐng)域從其自然歷史的歷史根源發(fā)展為一門更加嚴(yán)格的定量科學(xué)。那些年的普林斯頓是這方面的先行者，”萊文說(shuō)，他于1992年來(lái)到普林斯頓，是1994年P(guān)EI成立時(shí)的創(chuàng)始董事。

“普林斯頓成為理論生態(tài)學(xué)領(lǐng)域無(wú)可置疑的領(lǐng)導(dǎo)者，即開發(fā)有助于發(fā)展生態(tài)系統(tǒng)一般理論的概念和數(shù)學(xué)框架，”萊文說(shuō)。“普林斯頓在結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)的理論和實(shí)證方法方面有著悠久的歷史，并且可能在定量生態(tài)學(xué)或數(shù)學(xué)生態(tài)學(xué)方面擁有延續(xù)至今的最豐富的歷史。”

麥克阿瑟到來(lái)之后的時(shí)代在該領(lǐng)域被稱為“理論生態(tài)學(xué)的英雄時(shí)代”，生態(tài)學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)FrederickD.Petrie教授、PEI前任主任斯蒂芬·帕卡拉(StephenPacala)說(shuō)。

“這是建立現(xiàn)代生物多樣性理論的地方，”帕卡拉說(shuō)。“生物多樣性是衡量物種分布和豐度的指標(biāo)。因此，它需要一種數(shù)學(xué)理論，而不是預(yù)測(cè)任何地方生物多樣性水平的數(shù)學(xué)方程式。大部分初步進(jìn)展都發(fā)生在這里。”

麥克阿瑟等科學(xué)家加入了已故的羅伯特·梅，他專注于生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性與物種多樣性之間的關(guān)系，熱帶生態(tài)學(xué)家(和威爾考夫的研究生導(dǎo)師)約翰·特博格率先研究了如何設(shè)計(jì)自然保護(hù)區(qū)以最好地發(fā)揮作用保護(hù)稀有物種。

“這些人是最早制定這些重要原則的人之一，他們以及后來(lái)的一代科學(xué)家將這些原則發(fā)揚(yáng)光大，對(duì)保護(hù)生物多樣性產(chǎn)生了重大好處，”威爾考夫說(shuō)。

捕捉自然的復(fù)雜性

理論生態(tài)學(xué)家CorinaTarnita是生態(tài)學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)副教授，她以理解動(dòng)力系統(tǒng)的涌現(xiàn)模式如何受簡(jiǎn)單規(guī)則支配的工作而聞名。例如，她在2017年領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究成為頭條新聞，該研究將非洲神秘的“仙女圈”與鄰近植物和昆蟲之間的當(dāng)?shù)鼗?dòng)聯(lián)系起來(lái)。

她說(shuō)，在2013年加入普林斯頓大學(xué)之前，塔尼塔是一名對(duì)生態(tài)知之甚少的數(shù)學(xué)家，開始了她的職業(yè)生涯。“不是有一天我決定朝復(fù)雜系統(tǒng)的方向發(fā)展，”Tarnita說(shuō)。

科瑞娜·塔尼塔

科瑞娜·塔尼塔

丹尼斯·多布森工作室攝

“這正是我感興趣的各種問(wèn)題的本質(zhì)，其中許多問(wèn)題都是在與普林斯頓同事的互動(dòng)中形成的，”她說(shuō)。“事實(shí)上，直到我搬到普林斯頓，我才意識(shí)到獲得生態(tài)背景會(huì)在多大程度上改變我對(duì)所問(wèn)問(wèn)題的處理方式。”

在參加會(huì)議并與Levin和RobertPringle等生態(tài)學(xué)家交談后，她對(duì)自然系統(tǒng)產(chǎn)生了興趣，RobertPringle是生態(tài)學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)副教授，現(xiàn)在經(jīng)常與Tarnita合作進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究，包括仙女圈研究。

“結(jié)合理論和實(shí)證工作是我們領(lǐng)域的一個(gè)主要目標(biāo)，但在兩者之間建立成功的對(duì)話仍然很難，”Tarnita說(shuō)。“但在普林斯頓不是，自麥克阿瑟以來(lái)，那里一直在進(jìn)行激烈的對(duì)話。在這里，每個(gè)人都習(xí)慣于概念和理論思考，因此為此類合作做好了準(zhǔn)備。”

Tarnita、Levin和他們的同事等科學(xué)家將實(shí)證研究和建模相結(jié)合，研究生物體之間的相互作用如何影響大規(guī)模過(guò)程。“對(duì)我來(lái)說(shuō)，這可能是我們所做的所有事情的統(tǒng)一特征。這些問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)一直是保護(hù)生物學(xué)某些方面的核心問(wèn)題，”萊文說(shuō)。“它們基本上是運(yùn)籌學(xué)問(wèn)題。”

萊文說(shuō)，了解生物復(fù)雜性不僅需要研究環(huán)境系統(tǒng)，還需要研究維持它們的人類社會(huì)系統(tǒng)。與許多科學(xué)學(xué)科一樣，隨著科學(xué)家們?cè)噲D了解是什么促使人們采取必要的行動(dòng)來(lái)拯救地球生態(tài)系統(tǒng)，生物多樣性研究正在迅速發(fā)展成為一種社會(huì)科學(xué)元素。

對(duì)生物復(fù)雜性的研究提供了對(duì)群體行為動(dòng)態(tài)的洞察力，可以為“讓社會(huì)相信生物多樣性很重要并制定激勵(lì)人們和社會(huì)保護(hù)生物多樣性的計(jì)劃”提供方法，萊文說(shuō)。

“對(duì)生物多樣性的態(tài)度與對(duì)氣候變化的態(tài)度有很多共同點(diǎn)——你不會(huì)看到政客們做任何事情，直到他們意識(shí)到公眾的看法已經(jīng)改變，”他說(shuō)。

“對(duì)于現(xiàn)在的很多工作，很難知道基本生物學(xué)問(wèn)題和社會(huì)科學(xué)之間的界限在哪里，”萊文說(shuō)。“這些都是理論生態(tài)學(xué)面臨的巨大挑戰(zhàn)。”