从泥泞的靴子到数学推进生态系统和生物多样性科学

普林斯顿在环境问题领域的重要研究在今天并将继续成为解决人类最棘手问题的关键。我们的影响建立在个人承诺、知识领导、毅力和创新的长期、深刻和广泛的遗产之上。这篇文章是介绍普林斯顿在过去半个世纪中的环境卓越成就系列文章的一部分。

大卫·威尔考夫(DavidWilcove)很小的时候就对鸟类着迷，上小学时，他意识到游隼和秃鹰等鸟类数量急剧下降，它们都是杀虫剂污染的受害者。

“这激发了我想要尽我所能保护野生动物种群和它们赖以生存的自然生态系统的愿望，”生态学、进化生物学和公共事务教授以及普林斯顿环境研究所的威尔考夫回忆道。

威尔考夫于2001年加入普林斯顿大学，成为杰出学者的一部分，特别是在过去的半个世纪里，他一直站在理解和保护生态系统和生物多样性的前沿。不幸的是，保护地球自然系统的挑战现在比以往任何时候都更加紧迫。

虽然保护鸟类和禁止使用某些杀虫剂的法律最终让Wilcove青年时代的标志性鸟类得以恢复，但世界现在正在经历自恐龙灭绝以来最大规模的物种灭绝。这种植物和动物物种的加速丧失——被称为第六次大规模灭绝——是由人类活动驱动的。威尔考夫说，世界上至少有25%的哺乳动物和12%的鸟类面临灭绝的威胁。

“在世界各地，我们看到自然生态系统正在以削弱其维持生命和为人类提供重要服务的能力的方式被破坏或发展，”Wilcove说，他的研究重点是栖息地恢复、野生动物贸易及其影响气候变化和人类活动对物种的影响。

“我们需要健康的生态系统来维持健康的生活，”他说。“我们无法生存在一个仅由玉米田和城市组成的世界中。”

幸运的是，我们拥有比以往更多的概念和技术工具来实现这一目标。从数学模型和基因测序到气候模型和卫星，生物多样性研究在过去50年中不断扩展，以考虑和捕捉生命系统的结构和相互关联性。

科学家今天在实验室和野外使用的许多工具和理论都源于普林斯顿。普林斯顿的科学家们继续引领着将新技术应用于自然系统研究、对控制所有系统的动力学进行建模以及研究物种如何以可用于保护的方式表现和对环境做出反应的方式。

“这所大学有着悠久而重要的科学研究传统，这有助于我们了解如何最好地部署我们的资源，以尽可能多地拯救地球上的生命，”威尔考夫说。

1965年，大学聘请了生物学家罗伯特麦克阿瑟，他的工作是探索物种之间的相互作用和竞争如何支持共存和生态系统的第一批工作之一。他的工作——尤其是他1967年与哈佛大学生物学家EOWilson合着的开创性著作《岛屿生物地理学理论》——促使生态学从主要基于观察和轶事转向受理论和实验驱动。

麦克阿瑟工作的独创性在于它试图发展跨系统的统一原则，西蒙莱文说，他是詹姆斯·麦克唐纳大学生态学和进化生物学杰出教授，也是普林斯顿环境研究所生物复杂性中心的负责人(培)。岛屿生物地理学理论不是专注于特定系统，而是提出了思考所有生态系统结构的概念基础。

“这有助于将生态学领域从其自然历史的历史根源发展为一门更加严格的定量科学。那些年的普林斯顿是这方面的先行者，”莱文说，他于1992年来到普林斯顿，是1994年PEI成立时的创始董事。

“普林斯顿成为理论生态学领域无可置疑的领导者，即开发有助于发展生态系统一般理论的概念和数学框架，”莱文说。“普林斯顿在结合生态系统的理论和实证方法方面有着悠久的历史，并且可能在定量生态学或数学生态学方面拥有延续至今的最丰富的历史。”

麦克阿瑟到来之后的时代在该领域被称为“理论生态学的英雄时代”，生态学和进化生物学FrederickD.Petrie教授、PEI前任主任斯蒂芬·帕卡拉(StephenPacala)说。

“这是建立现代生物多样性理论的地方，”帕卡拉说。“生物多样性是衡量物种分布和丰度的指标。因此，它需要一种数学理论，而不是预测任何地方生物多样性水平的数学方程式。大部分初步进展都发生在这里。”

麦克阿瑟等科学家加入了已故的罗伯特·梅，他专注于生态系统稳定性与物种多样性之间的关系，热带生态学家(和威尔考夫的研究生导师)约翰·特博格率先研究了如何设计自然保护区以最好地发挥作用保护稀有物种。

“这些人是最早制定这些重要原则的人之一，他们以及后来的一代科学家将这些原则发扬光大，对保护生物多样性产生了重大好处，”威尔考夫说。

捕捉自然的复杂性

理论生态学家CorinaTarnita是生态学和进化生物学副教授，她以理解动力系统的涌现模式如何受简单规则支配的工作而闻名。例如，她在2017年领导的一项研究成为头条新闻，该研究将非洲神秘的“仙女圈”与邻近植物和昆虫之间的当地互动联系起来。

她说，在2013年加入普林斯顿大学之前，塔尼塔是一名对生态知之甚少的数学家，开始了她的职业生涯。“不是有一天我决定朝复杂系统的方向发展，”Tarnita说。

科瑞娜·塔尼塔

科瑞娜·塔尼塔

丹尼斯·多布森工作室摄

“这正是我感兴趣的各种问题的本质，其中许多问题都是在与普林斯顿同事的互动中形成的，”她说。“事实上，直到我搬到普林斯顿，我才意识到获得生态背景会在多大程度上改变我对所问问题的处理方式。”

在参加会议并与Levin和RobertPringle等生态学家交谈后，她对自然系统产生了兴趣，RobertPringle是生态学和进化生物学副教授，现在经常与Tarnita合作进行理论和实验相结合的研究，包括仙女圈研究。

“结合理论和实证工作是我们领域的一个主要目标，但在两者之间建立成功的对话仍然很难，”Tarnita说。“但在普林斯顿不是，自麦克阿瑟以来，那里一直在进行激烈的对话。在这里，每个人都习惯于概念和理论思考，因此为此类合作做好了准备。”

Tarnita、Levin和他们的同事等科学家将实证研究和建模相结合，研究生物体之间的相互作用如何影响大规模过程。“对我来说，这可能是我们所做的所有事情的统一特征。这些问题长期以来一直是保护生物学某些方面的核心问题，”莱文说。“它们基本上是运筹学问题。”

莱文说，了解生物复杂性不仅需要研究环境系统，还需要研究维持它们的人类社会系统。与许多科学学科一样，随着科学家们试图了解是什么促使人们采取必要的行动来拯救地球生态系统，生物多样性研究正在迅速发展成为一种社会科学元素。

对生物复杂性的研究提供了对群体行为动态的洞察力，可以为“让社会相信生物多样性很重要并制定激励人们和社会保护生物多样性的计划”提供方法，莱文说。

“对生物多样性的态度与对气候变化的态度有很多共同点——你不会看到政客们做任何事情，直到他们意识到公众的看法已经改变，”他说。

“对于现在的很多工作，很难知道基本生物学问题和社会科学之间的界限在哪里，”莱文说。“这些都是理论生态学面临的巨大挑战。”