生物圈的神奇链接

生物圈的神奇链接

【英国《新科学家》周刊文章】题：最弱的联系（作者　阿伦·弗鲁德）
以前，拯救世界是超级英雄们的工作。但是现在，随着数百万种动植物濒临灭绝的威胁迫近，这项任务落在了我们这些普通人肩上。我们从哪儿开始？我们甚至不知道到底有多少物种。即便我们知道，这些数字也毫无意义，除非我们了解不同物种间相互作用的方式。
搜集所有这些细节是一项艰巨的任务。然而，没有这些细节，我们如何知道人类的哪些活动最可能带来灾难性后果？更别说想出避害的方法了。
我们需要的是一种以已经掌握的信息为基础进行预测的方法。但是，新兴的生态科学仅停留在努力描述自然世界，更别说对它能有多少了解。与早期的天文学家相似，生态学家们面对的是一个试验、复制和控制等科学方法均不适用的独特体系。然而，就像天文学家们学会预测日食和行星排列一样，生态学家们现在已开始创建能够解释自然模式并帮助预测生态系统如何应对变化的模型。
大自然的特殊平衡
州立旧金山大学的尼奥·马丁内斯便是试图以该方法理解生物复杂性的先驱。他专门从事食物网研究——即任何生态系统中谁吃谁的问题。查尔斯·达尔文曾形容这类食物网是“一组组难对付的东西”。但是，马丁内斯开始寻找将这些“美丽的一组组”联系起来的线索。他摸索出一种无须借助使人精疲力竭的观察和采样，便能发现特定群落中动植物怎样相互作用的方法。他设计的计算机模型为更好地理解物种灭绝如何影响生物多样性打开了大门。
当马丁内斯注意到热带物种在食物网中的奇特联系时，他获得了突破。热带物种比其他自然物种的联系更紧密，它们对尚处在研究阶段的生物多样性问题举足轻重。马丁内斯在威斯康星小石湖地区进行研究，这里是92个热带物种的栖息地，它们形成了著名的复杂食物网。他发现，每个物种都以其他所有物种中的10%为食，并被同等数量的物种捕食。
另外，当马丁内斯添加一些新物种来创建该体系的详细图像时，物种间链接的百分比——关联度——没有变化。他说：“恒定关联度的假设表明，大自然中存在着食物网的特殊平衡。这种平衡是什么都吃的物种与什么都不吃的物种之间的平衡。”他搜集的科学文献证明，这种模式存在于各种各样复杂的生态体系，从沙漠、岛屿到河口、湖泊。10%这一数字本身不足为奇，但是，无论一个特定生物体系的关联度如何，无论向食物网添加多少新物种，它总是保持不变，这很奇怪。
虚拟模型预测现实
任何一种生态或生物理论都无法预测并解释类似模式。怎么会这样？马丁内斯猜想，答案在于一个物种进入该体系时建立新链接的方式——无论该物种是外来的还是从本体系进化而来的。他与州立旧金山大学龙伯格·蒂伯伦环境研究中心的理查德·威廉斯一道，研究新物种进入食物网时会发生什么。
他们的数学模型从“复杂的食物网缘自单个觅食顺序”的概念开始。随后，他们添加了两条规律。第一，在固定的觅食顺序中，较高等的物种会吃较低等的物种。第二，如果一种动物吃食物网中的两个物种，那么，它也吃链接这两个物种的所有物种。例如，以金枪鱼这样的大鱼和包括鲭在内的小鱼为食的鲨鱼也会吃鳕鱼和其他任何中等体积的鱼。
通过在模型中加入两个参数——特定食物网中物种数量和这些物种间的关联度，马丁内斯与威廉斯便能精确预测该食物网的12个生态特征。这些特征包括食物链的长度、专食物种（以有限物种为食的物种）和杂食物种（什么都吃的物种）的分布，以及各个物种种群受外界影响的程度，从保护的角度看，这一点可能是最重要的。
在涉及对复杂自然群落相互作用方式进行预测的问题时，该模型比其他任何模型都高明得多。威廉斯说：“让我惊讶的是——我想，大部分人也会有同样感觉——具有这样单一概念性基础的模型会如此出色地预测受观察食物网络的特征。”
该模型还证明，通过已经出现的物种显然能够预测可能出现的物种。在任何生物群落中，每个物种有适于自己的位置。马丁内斯与威廉斯设计的位置模型具有新的意义，因为它根据一个物种与系统中其他生物的“关联”，成功地预测了任一物种进入食物网后所在的位置。
利用这个位置模型，你能建立真实食物网的虚拟模型，然后，在你模拟觅食或生物灭绝时，看有什么情况发生。马丁内斯说：“我们可以在计算机里进行模拟处理，看食物网最底层的物种在维持生物多样性方面是否比最高层的更重要。我们还能以类似方式，对专食动物和杂食动物进行比较。”位置模型还能显示，在规模和复杂性各异的食物网中，DDT（二氯二苯三氯乙，　杀虫剂的一种）和PCB（多氯化联二苯）之类的污染物是如何聚集起来的。
圣菲研究所的里卡德·索莱和加泰罗尼亚工学院复杂体系研究组乔斯·蒙托亚称，他们发现了“小世界”现象。
从本质上讲，小世界是这样一种网络：其中的许多节点只有几个链接，而其中几个节点——或者说，网络中心——有许多链接。这种排列，被称为幂律分布，与完全规则的网络相比，大大降低了链接任何两个节点所需的步骤。食物网中物种的分布符合这种模式，因为大部分物种与其他一小部分物种有关联，而几个中心物种与其他许多物种有关联。长期以来，这些“基础物种”被一些生物学家视为生态系统的关键，对群落的稳定性至关重要。
以这种方式观察食物网有好处，因为显示小世界特征的网络表现出对变化的可预测反应。圣母大学的艾伯特—拉斯洛·鲍劳巴希说：“这些网络的拓扑结构对这些体系的运行方式至关重要。发现食物网遵循幂律分布———就像我们在细胞、因特网中看到的一样———说明自然界在运转其各种各样的网络时，表现出高度的组织性———它对其中大部分网络使用同样的蓝图。”
鲍劳巴希的研究显示，类似复杂体系具备固有特征——它们比其中每部分总和的功能要大，并具有整体网络表现出的特性。例如，因特网本身具有稳定性，能很好防止网址的随意消除，因为很多节点链接很少，只有集中攻击才能消除较珍贵的中心节点，使体系的大部分陷入瘫痪。鲍劳巴希说：“我们已经证明，这些网络在防止节点的随意消除时显得很坚固，而对于集中攻击就显得很脆弱。”
索莱和蒙托亚在一项新研究中发现，食物网能够防止物种的随意消除，但是，基础物种的定向移动会使整个生态体系崩溃。索莱说：“我们的分析表明，5%到10%高度关联的物种灭绝会导致生态系统崩溃。”
生态保护的意义是显而易见的。共有生态体系中生物高度紧密的关联意味着，生物多样性丧失和物种入侵的危害可能要比我们设想的严重得多。索莱说：“情况可能是，一些人为破坏可能以一些关联程度高的物种为目标，于是，它最终会促使整个体系出现层叠灭绝。如果真是这样，那么，现今对生物多样性丧失的预测要比我们设想的低得多。”
新理论带来新思考
但是，这样的理论方法真的能从根本上促进问题的解决吗？田纳西大学的生态学家和复杂性理论学家斯图尔特·皮姆认为可以。他说：“发现这些广泛模式，让人欣喜地了解了自然运行的方式，有助于我们重新思考以前的理论。”他说，模拟物种灭绝提供了一些基本的认识。他说：“物种灭绝是由栖息地毁坏、新物种的引入和狩猎造成的。附带灭绝——某一物种由于与之密切关联的临近物种消失而逐渐走向灭绝的情况——是致命重创的最后一部分。”他说，模拟试验显示，附带灭绝要比生态学家猜想的更重要。
在现实世界中，这意味着许多物种需要保护。从积极的角度看，小世界模拟可能有助于生态学家辨别其持续灭绝对整个生态系统至关重要的生物。这样，环保主义者便能尽量阻止生态系统因附带灭绝走向崩溃的失控现象。但是，我们剩下的时间不多了。索莱说：“令人悲痛的是，物种消失的速度非常快。许多低等物种消失的速度慢，但是，它们也会不可避免地要走向灭绝。”
鲍劳巴希比较乐观。他认为，生物复杂性在今后几十年将成为人们关注的中心问题。他说：“我们将深入了解这些体系的结构、起源和进化。”