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在全球生态挑战日益严峻的今天，宏观系统生物学这一新兴学科正以其独特的大尺度研究方法，为我们揭示生态系统中前所未见的复杂关系与动态变化。本文将带您深入了解这一领域的发展历程、面临的挑战及其无限潜力，探讨它如何为应对全球气候变化和生态保护提供新思路。
正文
宏观系统生物学是生态学中的一门新兴分支学科，逐渐在科学界崭露头角。它在传统的种群生态学、群落生态学、生物地理学以及全球生物地球化学等领域的基础上发展而来，但其核心特征是聚焦于大尺度生态过程和模式，尤其是从区域到大陆甚至全球范围内的生态系统研究。本文深入探讨了该领域的发展历程、当前状态以及面临的挑战，并展望了宏观系统生物学在未来可能的走向和影响力。
一、宏观系统生物学的定义和历史背景
宏观系统生物学的定义可以追溯到2010年美国国家科学基金会（NSF）的一份征求建议书，该建议书提出了“宏观系统生物学”的概念，旨在研究气候变化、土地利用变化和入侵物种对区域至大陆尺度生物圈的影响。Heffernan等人（2014）提出的定义进一步明确了宏观系统是跨越数百至数千公里的分层生态系统，涉及生物、地球物理和社会组成部分之间的相互作用。
这一学科的思想根源可以追溯到19世纪的亚历山大·冯·洪堡，他的工作奠定了大尺度生态系统研究的基础。尽管宏观系统生物学作为一个独立的学科是相对较新的概念，但区域至大陆尺度的生态研究早在20世纪中期就已开始，尤其是在1957年国际地球物理年期间，科学界首次认识到自然科学研究的大数据特性，这为随后国际生物学计划（IBP 1964-1974）的实施奠定了基础。
图1用于标准化测量北美大陆各地点代谢特征的溪流代谢室，地点范围从 (a) 阿拉斯加北坡到 (b) 波多黎各。(c) 这些广泛分布的地理项目需要庞大且多样化的研究团队。
二、宏观系统生物学的研究特征与方法
宏观系统生物学的研究具有大规模、跨学科、多方法的特征。研究项目通常分为三大类：
1.新估计模式和过程的项目：这些项目旨在生成大空间尺度上的新模式和过程的估计。例如，研究北美河流代谢的测量数据以预测气候变化对初级生产和呼吸的影响。
2.整合监测网络和大规模数据：这些研究利用新技术或方法能力来检验与大规模生态模式相关的基础理论或长期存在的假设，如生物多样性的纬度梯度及其与生产力关系的变化。
3.难以定义的项目：例如，遥相关研究探索了远程相互作用对生态系统的影响，这类研究在传统方法中较少涉及。
图2空间分布生态研究项目的地理范围示例。(a) 流水站间氮实验，一项河流硝酸盐循环实验；(b) 营养网络，一项陆地施肥实验；(c) 长期站间分解实验小组，一项陆地分解实验；(d) AmeriFlux（黑色符号），包括国家生态观测网络（红色符号）；(e) 碎屑输入和去除实验。所有这些项目都在美国国家科学基金会 (NSF) 宏观系统生物学资金流创建之前启动，表明生态界在正式资金来源创建之前就已采用了大空间尺度的方法。
三、宏观系统生物学的前瞻性和挑战
尽管宏观系统生物学已经展示了其在理解和预测大规模生态过程中的巨大潜力，但它仍面临诸多挑战：
1.跨学科整合的需求：宏观系统生物学研究需要多学科的合作和协调，尤其是在实验和观测方法的统一上。
2.技术与计算进步的依赖：随着遥感、大规模数据收集网络的增长以及高通量计算资源和机器学习的进步，宏观系统生物学研究的技术基础得到了显著提升。然而，这也意味着该领域的未来发展依赖于技术的进一步进步。
3.理论的形成与验证：宏观系统生物学要想成为一门成熟的科学学科，必须开发出能够预测生态模式和过程的新方法，并确定这些大尺度特性背后的理论基础。
4.现实应用的关联性：宏观系统生物学的发展最终取决于它能否为现实世界的问题提供解决方案，例如疾病预测、极端气候事件的应对等。
5.传统生态知识的整合：宏观系统生物学应结合传统的生态学知识和方法，如自然历史学、古生态学等，以丰富对宏观尺度模式和过程的理解。
6.科学家培养与技能发展：培养下一代宏观系统科学家需要注重跨学科合作、项目管理和整合等技能的培训。
图3每年发表的出版物数量和引用次数统计，数据来自在 Web of Science 中搜索以下精确术语：(a) “长期生态研究”，(b) “耦合人类与自然系统”，以及 (c) “宏观系统生物学”或“宏观系统生态学”。(b) 中的正斜率（表示每年出版物数量增加）约为 (a) 中的两倍。NSF 资助项目的创建不仅促进了与 (a) 和 (b) 中的术语相关的出版活动，也显示出与 (c) 中的术语相关活动最初的迅速增长。请注意，各面板中的主 y 轴和次 y 轴的刻度不同。
四、宏观系统生物学的未来展望
宏观系统生物学有望在未来几年继续扩展其影响力，原因在于数据收集方法、分析能力以及计算工具的持续进步。这将为大尺度生态研究提供更多机会，并促使宏观系统生物学在理解关键生态问题上发挥更大作用。未来的研究应注重跨学科的整合与合作，进一步发展新技术和计算方法，以应对生态系统研究中的关键挑战。
综上所述，宏观系统生物学代表了生态学研究的一个重要新领域，通过大尺度的研究方法和多学科合作，揭示了许多传统方法无法捕捉的生态过程和模式。尽管面临挑战，宏观系统生物学有着广阔的发展前景，并将继续为理解和应对全球生态问题做出重要贡献。
推荐阅读：
Dodds, W. K., Rose, K. C., Fei, S., & Chandra, S. (2021). Macrosystems revisited: challenges and successes in a new subdiscipline of ecology.Frontiers in Ecology and the Environment, 19(1), 4-10.
