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微软科学家打造“虚拟地球”演绎物种兴衰

科学家打造“虚拟地球”演绎物种兴衰

这是一个可以帮助我们预测地球未来的数学模型。它可以告诉我们,如果所有的蜜蜂消失了,环境会怎么样;大熊猫灭绝后,世界将有什么不同;如果人类从来没有进行过集约化养殖,地球又是怎样一番面貌。这就是微软科学家开发的“马丁利(Madingley)”模型,也是第一个在全球规模上模拟所有生物互动方式的计算机模型。

微软研究院计算科学实验室的 Drew Purves 和同事建立的这个“数学世界”,遵循着地球生命所要遵从的同样的基本法则。研究小组首先模拟了一个拥有大陆、海洋和全球气候的自然界地球,然后加入各种数字生物“移民”。正如我们生活的世界一样,“马丁利”模型中的生命形式也是多种多样的,从植物到食草动物、食肉动物,从冷血动物到温血动物。这些生命形式涵盖了各类体型,就连小如蚜虫也没有忽视。不过,它模拟的是动物类型,而非特定的品种。

“我们让每一种类型的动物和植物四处少量分布。” Purves 说。他们能够观察不同种类生物的繁荣和萧条,有些从一个环境中完全消失,但在另一个环境中生机勃勃;有些为生存空间而争斗,有些迁往了新的居所。最终,就像真实地球上的生存法则一样,“马丁利”中的所有生命会进入一个均衡状态,不同类型物种的比例也与地球相似。

研究小组为这个“虚拟地球”设置了一些基本规则。比如,我们知道,食肉动物一般倾向于捕食大约为自己体重十分之一的猎物,因此“马丁利”中的动物也是这样做的。此外还有大型动物如何维持体温的规则。

“我们放进去的一切事物,都能随之产生一些看起来大致正确的结果。” Purves 说,“我们获得了每个地点的物种个体的集合,了解了谁捕食谁的模式,以及它们生长和死亡的过程。我们拥有了一个虚拟的世界,它的丰富程度令人难以置信。”

“马丁利”能够在一套基本的生态规则下运行的事实表明,生态系统的基本结构在一定程度上是可预测和可重复的。目前,该模型只是对每个小环境中预料会出现的生物类型进行预测。研究小组正在建立额外的参数,包括将人类加进模型中,以模拟物种入侵现象。

模型也可能帮助揭示我们对世界的认知错误。研究小组发现,“马丁利”的海洋中鱼的数量超过预期 10 倍以上。他们最初认为模型出错了,但随后有现实研究表明,关于鱼类生物数量的最佳估计存在一个数量级的误差。这个“错误”大概算是“马丁利”所作的第一个预测吧。

原文检索:

Michael B. J. Harfoot, Tim Newbold, Derek P. Tittensor,Stephen Emmott, Jon Hutton, Vassily Lyutsarev, Matthew J. Smith, Jörn P. W. Scharlemann, Drew W. Purves. Emergent Global Patterns of Ecosystem Structure and Function from a Mechanistic General Ecosystem Model. PLoS Biology, April 22, 2014; DOI: 10.1371/journal.pbio.1001841

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