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

普林斯頓在環(huán)境問題領(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題的關(guān)鍵。我們的影響建立在個人承諾、知識領(lǐng)導(dǎo)、毅力和創(chuàng)新的長期、深刻和廣泛的遺產(chǎn)之上。這篇文章是介紹普林斯頓在過去半個世紀中的環(huán)境卓越成就系列文章的一部分。

大衛(wèi)·威爾考夫(DavidWilcove)很小的時候就對鳥類著迷，上小學(xué)時，他意識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野生動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，特別是在過去的半個世紀里，他一直站在理解和保護生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性的前沿。不幸的是，保護地球自然系統(tǒng)的挑戰(zhàn)現(xiàn)在比以往任何時候都更加緊迫。

雖然保護鳥類和禁止使用某些殺蟲劑的法律最終讓W(xué)ilcove青年時代的標志性鳥類得以恢復(fù)，但世界現(xiàn)在正在經(jīng)歷自恐龍滅絕以來最大規(guī)模的物種滅絕。這種植物和動物物種的加速喪失——被稱為第六次大規(guī)模滅絕——是由人類活動驅(qū)動的。威爾考夫說，世界上至少有25%的哺乳動物和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，他的研究重點是棲息地恢復(fù)、野生動物貿(mào)易及其影響氣候變化和人類活動對物種的影響。

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

幸運的是，我們擁有比以往更多的概念和技術(shù)工具來實現(xiàn)這一目標。從數(shù)學(xué)模型和基因測序到氣候模型和衛(wèi)星，生物多樣性研究在過去50年中不斷擴展，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)家今天在實驗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、對控制所有系統(tǒng)的動力學(xué)進行建模以及研究物種如何以可用于保護的方式表現(xiàn)和對環(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。

1965年，大學(xué)聘請了生物學(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爭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)向受理論和實驗驅(qū)動。

麥克阿瑟工作的獨創(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，他是詹姆斯·麥克唐納大學(xué)生態(tài)學(xué)和進化生物學(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，他于1992年來到普林斯頓，是1994年P(guān)EI成立時的創(chuàng)始董事。

“普林斯頓成為理論生態(tài)學(xué)領(lǐng)域無可置疑的領(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。“普林斯頓在結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)的理論和實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。”

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

“這是建立現(xiàn)代生物多樣性理論的地方，”帕卡拉說。“生物多樣性是衡量物種分布和豐度的指標。因此，它需要一種數(shù)學(xué)理論，而不是預(yù)測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)計自然保護區(qū)以最好地發(fā)揮作用保護稀有物種。

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

捕捉自然的復(fù)雜性

理論生態(tài)學(xué)家CorinaTarnita是生態(tài)學(xué)和進化生物學(xué)副教授，她以理解動力系統(tǒng)的涌現(xiàn)模式如何受簡單規(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勇?lián)系起來。

她說，在2013年加入普林斯頓大學(xué)之前，塔尼塔是一名對生態(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。

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題的本質(zhì)，其中許多問題都是在與普林斯頓同事的互動中形成的，”她說。“事實上，直到我搬到普林斯頓，我才意識到獲得生態(tài)背景會在多大程度上改變我對所問問題的處理方式。”

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

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

Tarnita、Levin和他們的同事等科學(xué)家將實證研究和建模相結(jié)合，研究生物體之間的相互作用如何影響大規(guī)模過程。“對我來說，這可能是我們所做的所有事情的統(tǒng)一特征。這些問題長期以來一直是保護生物學(xué)某些方面的核心問題，”萊文說。“它們基本上是運籌學(xué)問題。”

萊文說，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系統(tǒng)。與許多科學(xué)學(xué)科一樣，隨著科學(xué)家們試圖了解是什么促使人們采取必要的行動來拯救地球生態(tài)系統(tǒng)，生物多樣性研究正在迅速發(fā)展成為一種社會科學(xué)元素。

對生物復(fù)雜性的研究提供了對群體行為動態(tài)的洞察力，可以為“讓社會相信生物多樣性很重要并制定激勵人們和社會保護生物多樣性的計劃”提供方法，萊文說。

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

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