如何用好生物多樣性大數(shù)據(jù)？

□本刊記者 張文娟

海量的生物多樣性數(shù)據(jù)是國家的重要戰(zhàn)略資源。我國是生物多樣性信息學發(fā)展比較好的國家，但信息資源整合度低，深度挖掘不夠，有效利用程度不高。如何高效有效利用？社會各界廣泛關(guān)注。

我國的生物多樣性數(shù)據(jù)有多少？

我國與生物多樣性有關(guān)的數(shù)據(jù)主要是《中國生物物種名錄》《中國生物多樣性紅色名錄》，以及國家動植物種質(zhì)資源共享平臺、國家標本資源共享平臺等。在國家標本資源共享平臺上，包含植物、動物、巖礦化石和極地資源在內(nèi)的標本照片、名錄、文獻等數(shù)字化標本總量已超過1200多萬份。

我國于20世紀80年代，先后啟動編寫植物和動物紅皮書。2004年起出版的《中國物種紅色名錄》，為我國當時瀕危物種的研究、教育和相關(guān)保護政策的制定提供了最新、最可靠的依據(jù)。

從2007年開始，中科院生物多樣性委員會組織院內(nèi)外分類學專家編研《中國生物物種名錄》，并從2008年起以年度名錄的形式每年更新和向社會公開發(fā)布，為全球使用者提供實時在線的中國動物、植物和微生物等生物類群的分類和分布信息，中國也成為世界上唯一一個連續(xù)多年發(fā)布年度生物物種名錄的國家。

同時，為全面掌握我國生物多樣性受威脅狀況，提高生物多樣性保護的科學性和有效性，原環(huán)境保護部于2008年聯(lián)合中國科學院啟動了《中國物種紅色名錄》升級版——《中國生物多樣性紅色名錄》的編制。這一升級版已先后發(fā)布高等植物卷、脊椎動物卷和真菌卷。

有關(guān)生物多樣性的這些研究成果為相關(guān)部門和地方政府制定物種保護相關(guān)政策和規(guī)劃提供了依據(jù)，對我國生物多樣性保護與管理產(chǎn)生了深遠影響。比如，物種名錄查明了我國已知脊椎動物、高等植物和真菌的種的本底狀況、受威脅程度及分布差異，確定了各個大類群的瀕危狀況和保護等級，分析了瀕危物種滅絕的原因。據(jù)此，就可有針對性地制定和完善自然保護區(qū)規(guī)劃，新建或調(diào)整自然保護區(qū)的面積或功能區(qū)，并為遷地保護提供決策參考。

盡管已積累的數(shù)據(jù)十分豐富，但生態(tài)學家依然對缺乏高質(zhì)量數(shù)據(jù)感到苦惱。研究指出，當前全世界在生物多樣性方面都存在著知識欠缺，主要包括七個方面：一是新物種的發(fā)現(xiàn)，二是已知物種的地理分布，三是種群數(shù)量與時空動態(tài)，四是物種進化史，五是物種功能性狀，六是物種與環(huán)境之間的關(guān)系，七是物種之間的相互作用。這些空缺導(dǎo)致當前研究只能限制在一些特定的區(qū)域，特定的生物有機體，特定的環(huán)境條件等，也極大地限制了研究的普適性和為決策提供參考的可能性。

全球大數(shù)據(jù)研究進展如何？

目前，全球已收集了數(shù)十億個標本及其相關(guān)數(shù)據(jù)，其中大部分可以在網(wǎng)上找到。遠程傳感器和無人機等新技術(shù)使科學家能夠監(jiān)測植物和動物，并實時傳輸數(shù)據(jù)。公眾通過記錄和報告他們通過數(shù)字工具(如iNaturalist)的觀察結(jié)果來貢獻生物數(shù)據(jù)。全球和區(qū)域水平的生物多樣性數(shù)據(jù)庫不斷建立和完善，例如，全球生物多樣性信息網(wǎng)絡(luò)（GBIF）等全球大型數(shù)據(jù)庫包括10億多條物種分布信息，澳大利亞生物多樣性信息系統(tǒng)和美國標本數(shù)字化平臺，也可以提供數(shù)千萬條物種分布信息。這些數(shù)據(jù)資源為科學家和自然資源保護者提供了關(guān)于地球上生命的過去、現(xiàn)在和未來的豐富信息。

利用大數(shù)據(jù)為生物多樣性保護做支持的研究越來越多，內(nèi)容涉及到土地利用和覆蓋變化、氣候變化、城市化等對生物多樣性的影響，物種進化歷史，物種滅絕風險評估與預(yù)測，生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)的功能關(guān)系等。這些研究展示了大數(shù)據(jù)在生物多樣性研究中的巨大潛力，為彌補生物多樣性知識欠缺，驅(qū)動更具創(chuàng)新的科學發(fā)現(xiàn)提供了更多可能。

比如，基于數(shù)據(jù)分析全球無路地區(qū)的生態(tài)價值。德國埃伯斯瓦爾德可持續(xù)發(fā)展應(yīng)用技術(shù)大學的Pierre Ibisch帶領(lǐng)團隊，利用維客世界地圖上超過3600萬公里道路的數(shù)據(jù)，繪制了除格陵蘭島和南極洲以外所有無路地區(qū)的地圖。所謂無路，即距離公路1公里以外的地區(qū)。結(jié)果顯示，全球共有1.32億平方公里的土地，約1.05億沒有道路覆蓋。其中，四分之一基本是荒蕪之地，三分之一是牧場，也有一些生物種類繁多的地方，如亞馬遜和北美的北方森林。研究者發(fā)現(xiàn)，目前只有9.3%的地方得到了國際保護力量的保護。他們認為，隨著關(guān)于道路負面影響的科學證據(jù)越來越多，應(yīng)該優(yōu)先保護地圖上最具生態(tài)價值的無路地區(qū)。這篇文章2016年12月15日發(fā)表在《自然》雜志上。

再比如，基于大數(shù)據(jù)分析森林生產(chǎn)力與物種多樣性之間的關(guān)系。美國西弗吉尼亞大學的梁晶晶教授等，收集了來自44個國家及地區(qū)、橫跨13個不同生態(tài)區(qū)域的77萬多個森林樣地數(shù)據(jù)。研究者以樹的種類豐富度、林分斷面積、初級生產(chǎn)力、氣候、土壤狀態(tài)、降水等為變量，建立了一個冪函數(shù)模型來反映生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力之間的關(guān)系。結(jié)果顯示，如果樹木物種減少10%，那么森林的生產(chǎn)力會下降2%～3%；而如果樹木只剩下一種，即使樹木總數(shù)不變，森林的生產(chǎn)力也會下降26%～66%。結(jié)論是，物種多樣性的持續(xù)缺失會加劇森林的生產(chǎn)力衰退，保護物種多樣性作為一種防微杜漸的預(yù)防手段，具備極高的經(jīng)濟價值，生物多樣性在維持森林生產(chǎn)力方面的經(jīng)濟價值相當于每年1660億～4900億美元。這篇文章發(fā)表在2016年10月的《科學》雜志上。

深度挖掘和利用從何處破題？

作為科學研究的新范式，大數(shù)據(jù)促使生物多樣性研究不再僅僅滿足于數(shù)據(jù)的采集、處理、保存和共享，必須邁上一個新的維度。研究需要回答一些問題：是否能夠基于各類數(shù)據(jù)的分析，驅(qū)動更具創(chuàng)新的發(fā)現(xiàn)。是否能夠提供可視化、標準化的服務(wù)，為政府決策做科技支撐。是否能夠提供共享程度更高的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，服務(wù)于科普教育和提升公眾文化水平。

用大數(shù)據(jù)的思維方式去推動變革，目前最大的障礙是，如何使屬于不同組織、機構(gòu)的數(shù)據(jù)庫能夠順利地相互協(xié)作。不同國家、組織和機構(gòu)建立的生物多樣性系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，通常以完全不同的方式收集，如何將這些數(shù)據(jù)集成起來，實現(xiàn)無縫連接，是一個重大挑戰(zhàn)。

以中國科學院系統(tǒng)為例。多年來，中科院積累了大量生物物種（包括古生物）和遺傳信息資源，已經(jīng)建成全球最大的古生物學與地層學專業(yè)數(shù)據(jù)庫、國家標本資源共享平臺、世界微生物數(shù)據(jù)中心、中國生物物種名錄、中國生態(tài)系統(tǒng)評估和生態(tài)安全數(shù)據(jù)庫、中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)和中國森林生物多樣性監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)等一系列信息不斷更新的大數(shù)據(jù)平臺。全面整合這些信息資源，是一項重大工程。

據(jù)了解，中國科學院已經(jīng)在推動中國生物多樣性大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)。平臺將聚焦服務(wù)國家資源的應(yīng)用場景，利用分析模型和可視化技術(shù)實現(xiàn)對生物多樣性數(shù)據(jù)資源的挖掘和利用，構(gòu)建開放開源的通用接口，支撐國家公益性科學研究和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，促進信息最大限度地整合、分析、評價、保護和利用，為生物多樣性科學發(fā)展和科普教育、履行《生物多樣性公約》、評估國家生態(tài)承載能力和構(gòu)建生態(tài)安全格局提供強有力的支撐和服務(wù)。

生物多樣性信息數(shù)據(jù)是國家的重要戰(zhàn)略資源，也是國家生態(tài)安全和生態(tài)文明建設(shè)的重要保障。面對生物多樣性數(shù)據(jù)的高異構(gòu)性和動態(tài)性挑戰(zhàn)，還需要頂層設(shè)計和更高層次的協(xié)同創(chuàng)新，促進地理、氣象、遙感、環(huán)境、國民經(jīng)濟等跨領(lǐng)域的數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建我國生物多樣性資源保護新格局。