利用数值模拟重构物种多样性格局的形成过程

生命形成的过程极其漫长, 经历了地球系统复杂的沧海桑田变化。当前人类所观察到的物种分布格局的形成除了由物种本身特征决定外, 还受到环境变化、人类活动以及各种随机事件的影响。受限于实验条件、时间、经费、人力等诸多因素, 我们尚无法完整地观察并记录到物种多样性形成的全过程, 只能通过片段化数据来推测该过程。信息科学中包括数值模拟在内的仿真技术以其高效、可控及全过程记录等优势, 能从某种程度上解决物种多样性格局形成过程中的部分数据黑箱问题。本文介绍了数值模拟的概念和工作原理及在物种多样性研究中应用的特点, 列举了物种生态位、扩散模式、种间互作及物种分布应对气候变化等方面的数值模拟研究, 基于已有研究系统地介绍了如何综合上述数值模拟研究构建虚拟物种、气候和场景来解释物种多样性的形成与维持机制, 并阐述了数值模拟在物种多样性研究中的优缺点及应用前景。     

红外相机技术在我国野生动物监测中的应用:问题与限制

红外相机(camera traps)作为对野生动物进行"非损伤"性采样的技术,已成为研究动物多样性、种群生态学及行为学的常用手段之一。其发展和普及为中国野生动物多样性和物种保育研究带来了诸多机会。如今,国内大多数自然保护区都在运用红外相机技术开展物种监测工作。本文结合20年来已发表的相关研究,从内容、实验设计以及发展趋势方面,总结了目前红外相机技术在应用过程中出现的共性问题;并就相机对动物的干扰性、影像识别、研究的适用范围及安全保障四个方面,对该项技术在实践中存在的限制进行了探讨。最后结合红外相机技术未来的发展方向,提出了建立技术规范、数据集成和共享、影像数据版权维护、提高监测效率等问题。     

生物多样性数据集成模式初探

本文以生物多样性研究发展现状的分析为基础,为生物多样性保护政策的制定提供可靠的数据支持为目标,通过对国内外几个著名的生物多样性数据库建设情况的分析,从相关学者的需求出发,提出了设计一个多层次多角度并带有一定人工智能的生物多样性集成数据库的构想。该系统基于都柏林核心(Dublin Core)的数据规范,并符合基于开放文献预研的元数据互操作协议(The Open Archixles Initiative Protocol for Metadata Hatvesting,OAIPMH)的标准,是一个集文字、图件、图片、声音、影像为一体的,能够在网上和硬件载体(如光盘)上同时进行发布的分布式数据库平台。其网上数据库系统的子系统之间以及子系统和硬件载体之间可以通过元数据获取的开放档案倡议协议互相交换数据。     

流程化的生态建模方法与科学工作流系统

科学工作流系统是由一系列经过特殊设计的数据分析与管理步骤组成的、按照一定的逻辑组织在一起,并在给定的运行环境下,完成特定科学研究的工作流管理系统。科学工作流系统致力于使全世界的科学家可以在一个简单易用的平台上交换思想,共同设计全球尺度的实验,共享数据、实验步骤与结果等。每一个科学家可以独立创建自己的工作流,执行工作流并实时查看结果;不同科学家之间也可以方便地共享和复用这些工作流。本文以开普勒系统(Kepler system)和生物多样性虚拟实验室(BioVeL)两个项目为例,介绍了科学工作流的发展历史、背景、现有项目和应用等。以生态位模型工作流为例,介绍了科学工作流的流程以及特点等。并通过对现有科学工作流的分析,对其发展方向和存在的问题提出了自己的看法及预期。     

从自然保护区到国家公园体制试点:三江源国家公园环境覆盖的变化及其对两栖爬行类保护的启示

三江源地区具有丰富的高原生物多样性,是我国重要的生态安全屏障。作为我国第一个体制试点的国家公园,三江源国家公园将被建成青藏高原大自然保护展示和生态文化传承区。为更好地服务于三江源国家公园建设,本研究从海拔、年均温和年降水等方面,在环境空间上系统比较了国家公园与三江源和可可西里自然保护区的差异;以4种两栖爬行动物即高原林蛙(Rana kukunoris)、倭蛙(Nanorana pleskei)、西藏齿突蟾(Scutiger boulengeri)和青海沙蜥(Phrynocephalus vlangalii)分布点环境条件在国家公园内外的异同为例,探讨分布受环境制约大、扩散能力弱的物种保护在国家公园建设中可能面临的机遇和挑战。结果表明,国家公园与已建自然保护区在地理空间上重叠较大,但它们在自然环境上的差别很明显;自然保护区内两栖爬行类所偏好的环境条件较多未包含在国家公园内。鉴于三江源的区位特殊性及对气候变化的敏感性,区域内两栖爬行动物等对环境依赖性强、扩散能力弱物种的有效保护不仅有助于保持物种遗传多样性和区域生态系统的完整性,也有利于更好地实现国家公园目标定位并服务于生态文明建设。为此,在国家公园内,应开展两栖爬行动物种群动态和群落结构的长期监测,加强基础生物学研究,掌握环境变化对两栖爬行动物分布、遗传、行为、形态、种群动态及群落可能产生的影响,实现区域内两栖爬行动物及其类似物种在环境变化下的永续生存。     

外群选择对隧蜂科（膜翅目：蜜蜂总科）系统重建的影响

外群用于给树附根和推断祖先性状状态。通常,来自内群的姐妹群中的多个分类单元被共同选择作为外群。为了在经验上验证这一方法, 我们采用了3种外群选择策略： 姐妹群中的单一分类单元, 姐妹群中的多个分类单元和连续姐妹群中的多个分类单元。以隧蜂科（膜翅目： 蜜蜂总科）的系统发育重建为例, 我们评估了这3种策略对树拓扑结构的影响, 包括最大似然树、 最大简约树和贝叶斯树。初步结果表明： 相比其他两种策略, 采用姐妹群中的多个分类单元作为外群更有利于系统发育重建得到现已被广泛认可的隧蜂科系统发育关系; 相比最大似然法和贝叶斯法, 虽然隧蜂科系统发育关系没有被很好地解决, 但最大简约法在不同外群选择策略下得到了较为一致的拓扑结构     

生态位模型的理论基础、发展方向与挑战

生态位模型是一个以生态位理论为基础的新兴研究领域.它通过采集研究对象的已知分布点及其相关的环境数据组成训练样本,利用数理统计或机器学习理论分析数据,构建特征函数表示物种在生态位空间的实际生态位.以生态位模型预测物种潜在分布地或计算物种间的生态位重叠等研究,在生态学、生物地理学和进化生物学研究中显得越来越重要.本文从生态位概念出发,详细解析了生态位模型的理论基础、相关的焦点争论、使用时的注意点以及可能的发展方向与面临的挑战,指出模型中要考虑人类活动对物种生态位的影响.希望本文所探讨的本领域最新的争论焦点能引起相关学者的关注与深入思考.     

生态位模型在流行病学中的应用

随着新冠肺炎(COVID-19)疫情在全球逐渐开始蔓延, 对其传播范围以及强度的风险评估工作越来越受到人们的重视。作为生态学和生物地理学中常用的研究手段, 生态位模型也被应用到该项工作中来。虽然预测流行病的传播热点和趋势是生态位模型的应用方向之一, 但由于新冠病毒(SARS-CoV-2)自身特点, 生态位模型并非预测其潜在传播范围的有力工具。本文回顾了近些年来生态位模型在各种流行病学研究中的应用, 比较了疫病传播中常用生态位建模方法的优势与不足, 分析了适用生态位建模的疫病案例以及不适用于生态位建模的疫病特点, 明确指出, 生态位模型只能用于分析流行病在传播过程中受自然环境干扰的部分, 如中间宿主的潜在分布等。而对于包括COVID-19在内的主要通过人传人的流行病, 生态位模型尚无有效的手段进行预测。尽管生态位模型可用于分析流行病的传播范围, 但在使用时需要根据疾病特点有针对性地选择合适的建模方法与建模对象。为了量化疫病传播风险, 还需要考虑其他干扰因素, 以便准确测试和评估生态位模型。若不加选择地滥用生态位模型的工具, 反而会误导决策者的判断。总之, 在应用生态位模型进行研究工作, 特别是预测流行病的传播范围时, 首先要考虑建模对象是否满足生态学假设。     

ROC曲线形状在生态位模型评价中的重要性——以美国白蛾为例

【目的】生态位模型在生物地理学、入侵生物学和保护生物学中具有广泛的应用,被越来越多地用于预测物种潜在分布和现实分布的研究中。本文以美国白蛾为例介绍pROC方案在生态位模型评价中的应用及其注意事项,以期对物种潜在分布预测进行合理的评价,促进生态位模型在我国的合理运用和发展。【方法】介绍ROC曲线和AUC值基本原理,总结其在生态位模型评价中的应用,从物种存在分布点和不存在分布点的可信度出发,分析AUC值用于模型评价的优点和不足,最后介绍局部受试者工作特征曲线的线下面积方案(pROC方案)来弥补传统AUC值的不足。【结果】AUC值虽独立于阈值,但因其综合灵敏度和特异度,而屏蔽这2个指标各自的特征,不能分别评估预测结果的灵敏度和特异度,同时对遗漏率和记账错率不能进行权衡,会误导使用者对模型的评价。与AUC值相比,ROC曲线的形状更具有价值,蕴含丰富的模型评价信息。【结论】模型评价需要将灵敏度和特异度区别对待,ROC曲线形状比AUC值在生态位模型评价中更为重要,pROC方案相对于传统AUC值具有优势,但容易对过度模拟做出不当判断。模型评价与作者研究目的密切相关:当以预测物种潜在分布为目的时(如入侵物种潜在分布、气候变化对物种分布的影响和谱系生物地理学),模型评价应当给予灵敏度(或者遗漏率)更多的权重;当以预测物种现实分布为目的时(如保护区界定和濒危物种引入),模型评价应当给予灵敏度和特异度同等的权重。