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本文发表于《科学画报》 2014 年第 7 期 (上海科学技术出版社出版)。

马丁利模型

- 卢昌海 -

本文是替《科学画报》撰写的专栏短文, 本站版本在若干人名和术语初次出现时注有英文。

2012 年底, 阿里巴巴创始人马云发表了著名的 “油罐车” 比喻, 把读书太多的人比喻成油罐车, 建议 “别读太多书”。 仿佛跟这一比喻唱对台戏, 2013 年底, 微软创始人比尔·盖茨 (Bill Gates) 表示自己无论到哪里总是带着几袋书, 以便在旅行、 等待、 休假及夜晚阅读。

比尔·盖茨不仅有广泛的阅读兴趣, 而且还对教育及科研进行过很多资助, 他的微软公司 (Microsoft) 甚至直接参与了一些与公司业务并无直接关系的科研项目。 这种项目的一个例子就是 “马丁利模型” (Madingley model)——一个模拟生态系统的数学模型。 马丁利模型是微软的计算生态及环境科学组 (CEES) 与联合国环境规划署世界保护监测中心 (UNEP-WCMC) 的联合研究项目, 以后者所在地英国剑桥的马丁利 (Madingley) 村而得名——因为那个美丽的村庄是这一模型的发源地。

模拟生态系统是一个很久以来就吸引着科学家们兴趣的课题。 两百多年前, 英国学者马尔萨斯 (Thomas Malthus) 的人口模型就可以算是这一课题上的早期研究, 只不过涉及的是单一物种——人类。 一百多年前, 美国数学家洛特卡 (Alfred Lotka) 提出的 “弱肉强食模型” (predator–prey model) 将此类研究扩展到了两个相互竞争的物种。 在一些新近研究中, 物种的数量已被增加到了数以万计, 方法则转为了统计手段。 不过, 统计手段虽然强大, 与具体生态机制的联系却比较薄弱, 从而不利于研究诸如某个特定物种对生态系统的影响之类的细致课题。 马丁利模型在这方面可以说是填补了空白。

马丁利模型——在其研究者看来——是对生态系统的首次全面模拟, 这种模拟是建立在对生态关系 (比如捕食者与猎物之间的大小关系、 动植物之间的关系等)、 物种与环境的关系 (比如海洋、 陆地对生物的影响等), 以及环境本身 (比如气候、 污染、 人类的影响等) 的数学描述之上的, 涵盖范围则是陆地上和海洋里的各种动植物, 冷血的、 温血的、 食草的、 食肉的、 高大的、 低矮的…… 无所不包。 马丁利模型的研究阵容也十分强大, 包括了生物学家、 生物化学家、 生态学家、 计算机专家等诸多专业人士。 与马丁利模型有关的论文则被发表到了诸如《自然》(Nature)、《皇家学会报告》(Proceedings of the Royal Society) 等知名刊物上, 并被许多媒体所报道。

通过马丁利模型, 科学家们不仅可以预测地球上各类生物的生存前景, 而且还可以研究各种生态条件的变更——比如取走某些物种 (模拟物种的灭绝) 或引进某些物种 (模拟物种的侵入)——会对生态系统产生什么影响。 这种近乎于能随心所欲地改变乃至创造生态系统的自由度被英国《每日邮报》(Daily Mail) 形象地比喻为是用计算机来模拟上帝。 但这种模拟既不是神话也不是游戏, 而是被寄予了实实在在的厚望, 比如很多人希望它能指导人们保护生态系统。

当然, 厚望能否实现, 关键还得看马丁利模型对生态系统的模拟是否可靠, 而这在学术界尚有不小的争议。 怀疑者认为像生态系统那样的复杂系统是无法用马丁利模型来模拟的, 更遑论用它来指导人们保护生态系统。 支持者则认为, 马丁利模型与现实数据之间已经有了不错的吻合, 足以说明其可靠。 支持者甚至举了一个特殊的例子, 即马丁利模型对海洋鱼类的一次模拟给出了比现实数据大一个数量级的结果, 貌似很糟糕, 后来却发现现实数据本身存在一个数量级的误差, 从而非但不见得糟糕, 反而有可能是马丁利模型的 “第一次预言”。 不过, 这个例子虽是为了凸显马丁利模型的可靠而举的 (在貌似不可靠之处依然可靠, 无疑是可靠的高级境界), 但容易被支持者们忽略的是, 误差是一柄双刃剑, 既可以挽救模型与现实间的不吻合, 也可以抹杀彼此间的吻合。 比如那些 “不错的吻合” 有多大的误差? 是否真有那么 “不错”? 就常被略而不提, 而它们对于判定马丁利模型的可靠与否也是很重要的。 这方面的分歧估计还会持续一段时间。 但不管怎么说, 马丁利模型作为一项科学探索无疑是值得赞赏的, 对这种探索的支持也无疑要比发表 “油罐车” 之类的比喻更有 “正能量”。

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