趙斌：生態學研究正進入大科學、大資料時代

說起「大科學」這個詞，首先讓人聯想到的是火箭、HTTP://www.aliyun.com/zixun/aggregation/32260.html">天文望遠鏡和粒子加速器的研究，這些研究需要大量的資金支撐。 而生態學研究，讓人聯想到的是帶著樣方尺的植物生態學家、拿著望遠鏡的鳥類生態學家、以及手持捕蟲網的昆蟲學家等等，很少會有人將他們的研究與大科學聯繫起來。 其實，反過來想，這又是特別令人奇怪的！ 生態學家研究的地區，例如大多數陸地，是一個真正被人類佔領的區域，卻一直沒有歸為大科學的範疇。 不過，在David Schimel的帶領下，一大邦美國生態學家們正打算糾正這種狀態。 他們計畫將撼動陸地生態學領域，並將之引入到大科學的規模和範圍，這就是他們正在建立的的美國國家生態觀測網路（NEON, National Ecological Observatory Network）， 這也正是本文將作為詳細案例進行探討的一個話題。

「大資料」（Big Data）所覆蓋的範圍越來越大。 例如，《紐約時報》2012年8月2日就大資料這種新出現的文化基因（cultural meme）進行了探討。 通常，人們首先以技術愛好者的角度來看待大資料。 《紐約時報》的文章將大資料描述為「應用人工智慧工具，如機器學習，巨大的資料的新搜集，這超越了標準的資料庫。 新的資料來源包括網頁流覽資料的痕跡、社會網路通信、感應器資料和監測資料。 」

大資料受到自然世界的塑造，並影響我們如何理解自然世界和與自然世界交流。 生物學在如此多的水準上提供一個巨大的資料：來自遺傳研究幾乎無限的資料正充斥著我們最大的數位倉庫中的位元組；大量保存在自然歷史博物館的標本；在全球範圍內日常生活所拍攝的攝影檔案；大量的來自「公民科學」（citizen science）資料庫中的資料，如國家物候學網路（National Phenology Network），有關這個內容，在2012年出版的一期的Frontiers in Ecology and the Environment中的「 公民科學」欄目中有一個非常重要的綜述文章「From Caprio’s lilacs to the USA National Phenology Network」介紹了這個網路；大尺度的生物地球化學作用研究的彙集，比如濱海「死亡地帶」 的研究，實質上是總匯了工業氮轉換、人類農業實踐、初級生產力和生物呼吸之間的相互作用。 有關這些區域的互動式地圖已經由WRI出版。

大資料正在影響我們如何理解世界，因為它正在瓦解我們在過去50年被告知的對科學理解的基石：在一個「強大的推理」框架中用受控實驗來測試可證偽的假設。 認為科學必須可證偽的想法來自卡爾·波普爾（Karl Popper），他從約翰·普拉特（John Platt）的傳道中得到了啟示，在其1964年所發表的高引用「強推論」（Strong Inference）雄文中主張用標準化方法進行生物科學研究。 Observation and Ecology的作者Rafe說：「如果你第一次閱讀他的文章時候就很喜歡，其實我也是這樣的，但我還是勸您以批判的態度再讀一遍」。 並說這有點像在高中時候對艾茵·蘭德（Ayn Rand）很癡迷，成年後試圖用她的思想與現實結合起來。 顯而易見，這些哲學思想產生了一些慣例性的規則：「相關性並不意味著因果關係」、「模式不能揭示機制」，以及科學的結論如果沒有推翻預先確定的假設，其作用就僅相當於「審前調查」。 大資料使得以前這些堅實的信念看起來有點古怪。 雖然這些信念有時候仍然有價值，但其中自反的特性被科學家和非科學家以相同的方式採用，這都需要重新評估。 如果我們無法把一些機制性原因弄得100%清楚（其實沒有那個方法能做到這點兒），大資料方法允許生命科學家在更大的混沌週期中發現更為健壯的模式，或者時會讓我們盡可能接近真實狀況。 同時，在對待大資料中應該注意的是，大資料永遠不會完全取代小資料。 那些花時間觀察自然的小資料，以及對小資料片言隻語的理解，是構成大資料整體的基石。

在生態學領域，現在提起NEON，不能說是家喻戶曉、人人皆知，但也可以說是在這個大資料時代增添了一道異常鮮豔的光芒。 開始，這個專案僅立足于在科羅拉多的博爾德尋求資金支援，專案進展異常艱難。 但是在長達十年的討論和計畫後，美國國家科學基金會設法說服國會專項撥款4.34億美元進行建設，這是一個中等太空探測器的價格，操作預算大約為每年8千萬美元。 2011年美國的大陸尺度生態網路計畫終於啟動了，它將全面監測整個美國的環境變化，從根本上改變傳統的小規模、地域性研究方式，形成陸地領域的群體合作。 研究人員宣稱，生態領域的大資料時代已經來臨，生態觀測將迎來「資料洪流」。

最終，覆蓋美國的60個地區將同步建立起來。 一旦在2016年這個台站網路完成後，一切順利的話，將有15000個感應器用於收集超過500個類型的資料，包括溫度、降水、氣壓、風速和風向、濕度、日照、如臭氧等的空氣污染物濃度、土壤和溪流中各種營養的總量， 以及地區的植被和微生物狀態。 在每個地方這些儀器將以同樣的方式安裝，並採用相同的測量，用標準化方式堅持長期的資料收集，希望能達到統計學功效的需求，將生態學研究從一些技巧性實驗觀測變成一個工業規模的企業運作。 有了這樣的基礎，就可以觀察生態系統是如何應對氣候變化和土地利用變化以及新物種入侵的。 最終，利用這些觀測資料可開發一些預測生態系統未來的模型，這可説明決策者評估各種行動方案所產生的後果。

圖1 美國NEON專案將美國劃分為20個不同的生態系統區域

NEON的研究人員將美國劃分為20個不同的區域（圖1），每一個區域代表一個特定的生態系統類型。 每個區域都配備有三套感應器。 一套固定安裝在核心位點進行至少30年的連續監測，核心位點的環境條件不受干擾而且可能維持下去。 其他兩套可進行移動，在一個地方進行三到五年的觀測後移動到其他地方，這些「浮動」的位點用於同區域內的比較。 每一個位點，不管是核心位點還是浮動位點，都有一座佈滿感應器的觀測塔，這座塔比現有的植被冠層高10米。 在圍繞這座塔方圓幾十平方公里的區域內，研究者將更多的感應器佈設在土壤和溪流中，測量溫度、二氧化碳和營養水準，以及根生長速率和微生物活動。 這些感應器將記錄不同的生態系統如何有效地利用養分和水分，植被如何回應氣候變化，以及二氧化碳在生物和大氣之間是如何移動的。 這將有助於尋求對碳迴圈的理解，以及溫室氣體引起的氣候變化的後果。 為了配合這些地面測量，研究人員還將在每個核心網站進行一年一次空中的調查，觀察諸如葉化學特徵和森林冠層的健康問題，也可用於與衛星觀測資料進行比較。 此外，NEON的研究人員可以部署一個特殊裝備的飛機，其上配備了雷射雷達（雷達的光學本的），一個光譜儀（測定化學成分）和一個高解析度的相機，用於評估自然災害如洪水、野火和害蟲爆發的影響。

(責任編輯：蒙遺善)