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针锋相对是国外学术领先的根本原因

已有 4038 次阅读 2013-12-7 14:40 |个人分类:生活点滴3|系统分类:教学心得|关键词:科学水平,学术争鸣,案例| 案例, 学术争鸣, 科学水平

针锋相对是国外学术领先的根本原因

高建国

在中国学界,虽然早已确立了“百家争鸣,百花齐放”的思想,但由于中国人的“谦逊”和“面子”问题我们并没有做到百家争鸣。相反的是,国外虽没有确立某种指导思想,但大家只唯实,不唯上,处处针锋相对,从而保证了学术上的持续领先。下面我以近期争论激烈的生态学统一化定律WBE模型为例向大家展示国外学者如何就某个具体问题进行激烈争论的。

千百年来,人类感兴趣的一个基本生态学问题是到底有没有统一的用来描述世间万物的定律。达尔文通过观察总结了一些规律,但限于当时的科学技术水平没能总结出具体的数学表达式。1883年Rubner通过对狗代谢率与体积的关系的研究发现,代谢率是体积的2/3次幂函数,掀起了人们对普世规律研究的第一次热潮,但由于这个现象不能在其它物种得到验证,这次热潮很快就消退了。直到1997年,三个美国人 West, Brown & Enquist提出了以他们名字命名的WBE模型,人们再次对统一化理论产生浓厚兴趣,且持续至今。为什么这次人们的关注度就这么高呢?原因是WBE模型相比于之前的模型有更加严格的数学推导、生物学机理解释和实证数据的支持。有人甚至高呼“一个普世的生态学理论诞生了”。

WBE模型给人们提供了一种简化观察世界的方法,如它预测生物代谢速率与生物量的生长关系可以用Y=a*Mb来表示,其中Y表示不同的性状,b是权度指数,a则由生物种类表示。WEB模型预测叶片数量、枝条个数、繁殖的生物量、呼吸速率和水分输送与生物量的权度指数,即b等于0.75,这大大简化了人们对客观世界的理解。如果我们的周遭可以通过WBE模型来精确的预测,无论对研究植物个体还是生态系统都是有极大帮助的。但WBE模型真的像作者声称的那样可以用来解释生物界和生态学中的所有现象吗?当然不是!如果是的话,人们就没有必要进行具体的科学研究了,因为他们的模型可以解决一切问题。且看国外学者是如何针锋相对地来探讨这个问题的。

自从1997年在Science发布WBE模型,三位作者分别又再1998和1999年在Nature发布更为详细的关于植物的模型解释。2002年6月英国人Mencuccini对植物个体发育进程中的预测参数进行了检验,发现WBE模型当用来预测种内水分传输规律时误差较大;同年11月WBE模型的作者之一Enquist在同样的期刊Tree Physiology回复了他的质疑,认为WBE模型可以用来描述从细胞到生态系统的所有植物学规律。这个有点像天方夜谭,所以有人实在看不下去了。2004年两名波兰学者Kozlowski & Konarzewski认为WBE模型的理论基础就是自相矛盾的,数学上不严密,解释的生物学意义也不明确,如你不是说代谢速率是生物量的3/4幂函数吗,那么飞行中的昆虫是静止时的代谢速率的15100倍,这点该怎么解释?你假设植物各级枝条相同且分生出相同数目的子枝条,这点显然也是不对的。但WBE的作者也不是吃素的。2005年他们对2K进行了针锋相对的辩驳,认为2K计算方法有误,对WBE模型进行了错误的解读才导致权度指数的偏移。最终他们认为WBE模型不仅数学上正确,生物学意义也很明确。同期Functional Ecology还继续刊登了2K的质疑文章,认为WBE模型的作者继续犯了低级错误,且2K提供了实测数据进行了有力回复。以上两次针锋相对的较量有兴趣的读者可以参见文末两篇Tree Physiology论文和3篇Functional Ecology文章。

Reich等人2006年在Nature发文宣称植物的呼吸速率与生物量的权度指数是1,即为等速生长关系,而不是WBE模型预测的异速生长。2007年WBE模型的作者对Reich等人的数据进行了重新解读,如Reich的研究由于主要是较小的草本,重力在草本植物的代谢进程发挥的作用较小,经过校正后就与他们的模型预测值一样了;Reich采用叶片含氮量不能代表整株植物的含氮量,导致其理论基础就是错误的。最终WBE的作者认为Reich等的试验结果恰恰验证了他们的模型,同样发表在Nature上。真可谓高手对决,战场也很高端大气上档次。精彩纷呈的辩驳使我也注意到他们争论时的措辞是相当的不客气,如“完全错误”、“故意逃避”和“武断”等是常用的表达。虽然大家就某个具体问题争论不休,但不打不相识, “仇家”照样可以成为学术上的合作伙伴。如Reich和Enquist在后来的研究中开展大量合作,二人共同署名发表了数篇研究论文。随着不支持证据的进一步增加,WBE模型的作者意识到需要对模型进行修订了,所以他们在2010年在PNAS发布了新的植物网络模型,对之前没有经过实测数据验证的参数进行了修订,如输水速率与半径的关系WBE模型之前预测的权度指数是-1/3,修订后的植物网络模型则是0.有趣的是,我们的研究验证了这个假设,虽然模型的建立者没有从事我们的科学研究活动,但他们能够预测我们的试验结果,足以说明国外学术的先进。2012年WBE模型的冤家合作发表文章认为之前预测的数值只是一个边界,从而回答了为什么实测数据总是与预测值相差较大的问题。

如果没有以上针锋相对的学术争鸣,很难想象如何把这个基础科学难题向前推进。如果没有大量实测数据的驳斥和再争论,也很难促使WBE模型的作者做出后续的修订工作。科学就是在这么一个自由的环境中孕育和慢慢向前发展的。从提出假设,到对模型的验证和否定,再接着辩驳和再否定,科学完成了“否定之否定”的嬗变。修订后的植物网络模型是否可以精确预测其它的植物发育事件?很显然,针锋相对的争论还将继续下去!

国外几乎任何一个优秀的杂志都有letter to editor专栏,对近期发表的标杆性的文章进行点评,如果作者不同意点评者的观点可以发表reply,有时对具体问题的探讨会进行好几个来回,经验证实这是提高读者认识水平的捷径。相反的是,我们在国内的杂志很少看到针锋相对的评论,更多的时候是对当下发表的论文没有任何评论。没有评论是一种可怕的学术冷暴力!它会大大降低同行和读者对科学问题和有趣的自然现象的热情。通过以上的案例分析,或许可以启发我们对建设科研环境责任感的认同,如对同行的试验设计漏洞不再为了照顾“面子”而缄默不语,而是大胆的提出尖锐的批评意见;而受到批评的研究人员也不能认为同行的批评是一种负担。只有这样一点一滴的,我们的科学水平才会慢慢提升。

 

主要参考文献:

Damuth, J.D. (1998) Common rules for animals and plants. Nature, 395, 115–116.

Enquist, B.J. (2002) Universal scaling in tree and vascular plant allometry toward a general quantitative theory linking plant form and function from cells to ecosystems. Tree Physiology, 22, 1045–1064.

Enquist, B.J., Allen, A.P., Brown, J.H., Gillooly, J.F., Kerkhoff, A.J., Niklas, K.J., Price, C.A. & West, G.B. (2007) Biological scaling: does the exception prove the rule? Nature, 445, E9–10.

Enquist, B.J., Brown, J.H. & West, G.B. (1998) Allometric scaling of plant energetics and population density. Nature, 395, 163–165.

Kozlowski, J. & Konarzewski, M. (2004) Is West, Brown and Enquist’s model of allometric scaling mathematically correct and biologically relevant? Functional Ecology, 18, 283–289.

Kozlowski, J. & Konarzewski, M. (2005) West, Brown and Enquist’s model of allometric scaling again: the same questions remain. Functional Ecology, 19, 739–743.

Mencuccini, M. (2002) Hydraulic constraints in the functional scaling of trees. Tree Physiology, 22, 553–565.

Reich, P.B., Tjolker, M.G., Machado, J.L. & Oleksin, J. (2006) Universal scaling of respiratory metabolism, size and nitrogen in plants. Nature, 439, 457–461

von Allmen, E.I., Sperry, J.S., Smith, D.D., Savage, V.M., Enquist, B.J., Reich, P.B. & Bentley, L.P. (2012) A species-level model for metabolic scaling of trees. II. Testing in a ring- and diffuse-porous species. Functional Ecology, 26, 1066–1076.

West, G.B., Brown, J.H. & Enquist, B.J. (1997) A general model for the origin of allometric scaling laws in biology. Science, 276, 122–126.

West, G.B., Brown, J.H. & Enquist, B.J. (1999) A general model for the structure and allometry of plant vascular systems. Nature, 400, 664–667.



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