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美国生态系统监控计划预示新时代来临

到2016年,将有约1.5万只感应器监控美国生态系统的健康状况,它们将为人类收集大量的信息。我们是不是可以说生态学已经进入了“大数据时代”?

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多少年来,好奇心强的人常常问这样一个问题:如何观察恒星冰川这类事物极为缓慢的运动?答案之一便是使用延时摄影技术,用一段时间内拍摄的多幅图像组合制成时间比自然进程短得多的影片。正是拜延时摄影技术所赐,我们才能在电视里或者电脑屏幕上看到植物的生长过程,看到嫩芽如何像章鱼挥舞触手那样伸展开来。或者,如果你能有幸得享高寿的话,你或许有机会观察到更广阔世界的潜在规律,以及事物周而复始或螺旋上升的发展变化过程。

计算机和信息技术的世界似乎总是以接近光速的速度前进,快到让人眼花缭乱,以至于有些人恨不得想阻止科技的发展,好有时间弄明白这一切到底是怎么回事。但信息科技的飞速发展中其实也蕴藏着更大的趋势。其中令我感兴趣的问题之一便是,在世界人口规模(和环境足迹)爆炸式增长的情况下,信息技术的发展将如何帮助我们更好地管理我们小小的星球。

大约25年之前,我参与了一个研究如何使用当时的计算机工具解读卫星遥感数据的项目。我到加利福尼亚等地拜访了一些在利用电脑为房地产开发或石油开采用地构建多维度地图领域处在领先地位的公司。当时与我有合作关系的IBM公司也在研究诸如为墨西哥城等地的空气质量问题建模等具有挑战性的难题,并希望以此加速其大硬件系统的发展。这个研究项目本身十分振奋人心,但没过多久IBM就将工作的重心转到数据密度更大的医疗影像学领域。

如今,这一切又重新开始。这一次的目标是监测地球的生物圈,而且令人欣喜的是,人类在这方面的进展速度正在加快。比如几周之前,我就听说美国新推出了一项总金额4.34亿美元、预计耗时30年的生态系统研究计划。这个全称为“国家生态观察网络”(英文简称NEON)的项目将产生并分析大量的所谓“大数据”。25年前我参与类似项目的时候,科学家就曾用“站在消防栓前喝水”来形容分析卫星数据时遇到的问题——如今,研究人员要面对的数据量只会有增无减。

到2016年,全美60个站点安装的约1.5万个感应器将收集超过五百种与生态系统健康状况有关的数据。完全运转之后,NEON每年将产生大约200TB的信息,《经济学人》杂志称这相当于哈勃天文望远镜环绕地球前二十年产生的数据量。

NEON旨在使科学界得以弄清环境科学中的一些重要问题,亦即所谓的“大挑战”。这些问题主要分为两类:一是推动生态系统变化的主要力量,如气候变化、土地使用变化以及入侵物种等。二是对生态系统的变化有所反应的领域,包括生物多样性、生物地球化学、生态水文学以及传染病。很显然,这些效应并非相互孤立的:比如植被结构的变化会影响到气候,新出现的疾病也会显著改变生态系统的过程。

科学家们想要回答的问题包括:风暴的强度、空间分布以及频度的变化如何影响生态系统?风暴对内陆林地的破坏如何影响沿海生态系统?气候变化对平均温度及干旱的严重程度有何影响,物种间相互作用、融雪动态以及粉尘排放又相应会发生怎样的变化?还有,气候变化如何影响入侵物种的播散能力?

NEON的重要优势之一便是每个观测点都采用同样的方法做同类测量 。正如《经济学人》所解释的那样,“通过在许多地方长期以这种标准化方法收集数据,”科学家希望“获得具有说服力的统计数据,从而将生态学从一门技术变成一种大规模的产业。”

研究人员会收集每一个关键观测点的航拍图像和卫星图像 。一旦弄清楚生态系统对气候变化、土地使用以及新物种的到来产生怎样的反应,NEON团队就会建立模型预测生态系统未来的走势,使决策者能够评估不同行为可能产生的后果。

研究产生的庞大数据需要大量的数学运算。的确,正如《经济学人》所得出的结论,“或许可以说所谓的‘大科学’与小玩意儿之间的真正区别——就像天文学家和物理学家几十年前就已经发现,生物学家在人类基因组工程之后也认识到的那样——并不在于花钱多少,而是在于需要处理数据量的大小。”

NEON被视为一次重大的转型,将生态学家引向大科学和大数据的世界。这些研究的结果将具有重大意义,并且多少有些难以预料,但有一件事是我们可以肯定的:当我们能熟练地使用卫星和NEON之类的网络而不仅仅是捕蝶网和显微镜探索这个世界的时候,当我们能像NEON团队准备做的那样将研究结果公之于众供普通人消遣的时候,生态学才能真正成为一个二十一世纪的科学。

接下来的挑战就是将美国的成功做法推广到全世界;不但要提出问题,更要提出该提的问题;无论问题多难解决,都要真正关注问题的答案,并迅速有效地按照获得的信息行事。



约翰·艾尔金顿,飞鱼星组织执行主席和 SustainAbility 非常务理事。他上一本著作是《狂想的力量:社会创业者用市场改进世界》。博客地址:www.johnelkington.com,Tweeter:@volansjohn。

图片来源:University of Maryland Press Releases

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