埃米特·達菲在巴拿馬海岸水下約5米處時，一條巨大的棕白色豪豬魚引起了他的注意。這種行動緩慢的生物如果不是因為躲藏在鹿角珊瑚（Acropora palmata）的大型樹狀分支下，就會成為捕食者的主要目標。這次目擊對海洋生物學家達菲來說是一個靈光一閃的時刻。他曾去過加勒比海珊瑚更豐富、更多樣化的地方，但珊瑚較小；那裡的魚也總是很小。在這裡，在博卡斯德爾託羅群島，他看到鹿角珊瑚中有各種各樣的大魚。“這些大魚之所以能夠茁壯成長，”他說，“是因為它們有躲藏的地方和生活的地方。”
對於達菲來說，與豪豬魚（Diodon hystrix）的相遇使他腦海中長期醞釀的一個概念得以實現：生態系統的健康可能不僅取決於存在的物種數量，還取決於其特徵的多樣性。這個被稱為功能性狀生態學的概念，多年來一直是他的實驗室工作的一部分，但一直感覺學術化和抽象，達菲說，他現在是華盛頓特區史密森尼學會的滕嫩鮑姆海洋觀測站網路的負責人。
這個觀點越來越受到生態學家的歡迎。它指出，生物多樣性不必僅僅是關於生態系統中物種的數量。對於保持生態系統的健康和韌性，同樣重要的是物種的不同特徵以及它們可以做的事情——以諸如體型或分支長度等特定性狀來衡量。
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這種思維方式的轉變可能對生態學產生重大影響。這對於理解和預測動植物如何應對氣候變化可能是必要的。功能多樣性已經開始影響生態學家對保護的看法；一些政府甚至開始將性狀納入其管理政策。例如，貝里斯幾年前採取行動，保護鸚鵡魚物種免受過度捕撈——不一定是因為它們的數量正在減少，而是因為這些魚會清除珊瑚上的藻類，對珊瑚礁的生存至關重要。
阿根廷國家科學技術研究委員會（CONICET）和科爾多瓦大學的生態學家桑德拉·迪亞茲說：“僅僅關注物種數量基本上不允許我們利用所有這些關於現實世界如何運作的極其豐富的資訊。” 儘管如此，一些專家對此表示擔憂。如何定義性狀仍然是爭論的焦點，而且如果沒有關於世界各地環境中性狀和物種多樣性的可靠資料，任何由這種方法指導的選擇都可能被證明是短視的。“我真的很興奮，但我很擔心，”康涅狄格州紐黑文市耶魯大學的生態學家和進化生物學家沃爾特·傑茲說。“我們作為一個群體需要非常謹慎地評估現有的資料限制。”
質量與數量
幾十年來，對生物多樣性的研究本質上是一場數字遊戲：一個生態系統擁有的物種越多，人們就認為它越穩定，對變化的抵抗力越強。這種思維方式是有道理的，因為當時關於生態系統的結構以及物種在其中的功能的資訊非常少。當時的技術還無法測量許多性狀，也無法處理如果可以測量的話會產生的大量資料。各種發展改變了這種情況。分子生物學的進步使得能夠大規模研究微生物。衛星可以評估諸如樹冠高度和海洋浮游生物生產力等性狀。統計工具和計算能力的飛躍有助於利用現在正在生成的所有資料。
一些人將這種關於生態系統的新思維方式——至少在正式研究中——追溯到聖保羅市明尼蘇達大學的生態學家大衛·蒂爾曼。1994年，他發表了一篇具有里程碑意義的論文1，追蹤了明尼蘇達州草原在20世紀80年代嚴重乾旱期間的物種多樣性。物種豐富的地區比物種較少的地區更容易度過乾旱，這支援了多樣性與穩定性之間的聯絡。但這種關係不是線性的。只需要一些耐旱的草就可以大大提高一塊土地的反彈能力。
三年後，蒂爾曼和他的合作者發表了他們用不同數量的物種和功能多樣性水平種植的289塊草地的情報2。在這裡，某些性狀（例如C4光合作用途徑或固氮作用）的存在對地塊的整體健康產生的影響比物種數量更大。
大約在同一時間，哥倫比亞大學地球研究所環境可持續發展中心主任沙希德·納伊姆也在關注物種數量之外，研究生態系統的功能，重點關注食物網不同層次的物種多樣性。他說，僅關注物種數量就像列出汽車的零部件，卻沒有說明它們的作用。他說，當事情開始崩潰時，這無法提供指導。“我們只是站在那裡抓頭，就像從未見過汽車的原始人一樣，說，‘汽車現在不工作了，我想知道它出了什麼問題’。”
從20世紀90年代中期開始，對功能多樣性的研究開始生根發芽。對植物和森林的研究走在前列，因為操縱這些系統相對容易。但這種方法逐漸擴充套件到包括鳥類、海洋生物和土壤。科羅拉多州立大學柯林斯堡分校的土壤生態學家戴安娜·沃爾說，她和她的同事多年來一直關注功能性狀和多樣性，部分原因是土壤微生物的活動通常比物種本身更容易識別。她很高興研究人員正在對地上和地下的性狀和物種有更牢固的把握。“雙方的新知識使我們瞭解了對物種和功能的依賴，”她說。
理清您的優先事項
保護生物學家對功能性狀感到興奮，因為它們可能會影響關於保護什麼的決定。研究人員和環保主義者通常關注物種豐富的地區，例如亞馬遜雨林和澳大利亞的大堡礁。但是，澳大利亞塔魯納塔斯馬尼亞大學的生態學家裡克·斯圖爾特-史密斯建議重新定義生物多樣性熱點的定義。整合功能性狀可能會指出以前未被充分研究的地區的重要性。對於斯圖爾特-史密斯來說，現在確定符合條件的具體地點還為時過早——需要更深入的研究。但是，他說，功能性狀生態學最終應該擴充套件到保護策略以及政府如何選擇要保護的區域。
關於多樣性的新思維方式可能會揭示以前未被認識到的脆弱性。法國蒙彼利埃大學的海洋生態學家大衛·穆里奧說，物種豐富的地區似乎具有某種針對性狀喪失的保險，因為人們認為性狀提供的功能存在於許多物種中。但是，某些功能僅由一個或幾個物種提供。他和他的同事們正在競相尋找這些罕見的功能。
功能多樣性的視角有助於建立更細緻的生態系統圖景。加利福尼亞州斯坦福大學卡內基科學研究所全球生態學系的生態學家格雷格·阿斯納使用獨特的頻譜成像儀繪製了秘魯各地森林的15個性狀圖。阿斯納說，傳統的研究使用物種豐富度的概念，識別了該國的三種森林型別——旱地、洪泛區和沼澤森林。但是，阿斯納和他的團隊研究了哪些性狀可以幫助區分新的功能組，發現有七個關鍵性狀。然後，他們根據這些性狀對森林進行分類，並提出了代表七個性狀不同組合的36個類別3。研究人員利用他們的發現來幫助秘魯重新平衡其保護組合。
阿斯納說，他還被要求在性狀的基礎上確定婆羅洲北部40萬公頃的區域以留作保護。“他們想知道，在哪裡可以獲得性狀變化最多的百萬英畝土地？”他說。“在哪裡可以圍繞功能變化最大的區域設定圍欄？”
他對這種程度的興趣感到鼓舞，因為生態系統非常複雜，一旦某些物種、功能或生態系統過程丟失，就無法再恢復它們——至少不能使用當前的技術或知識。“我們沒有地球上的科學或技術來從頭開始設計森林，就像自然和進化所做的那樣，”阿斯納說。
然而，一些專家建議，在獲得更完整的資料之前，不要根據功能性狀做出決定。“一旦你的資料矩陣中缺少一個物種，你可能就錯過了一個僅由該物種代表的關鍵功能，”傑茲說，他研究了植物和脊椎動物，尤其是鳥類的功能性狀。他不僅警告資料中的差距，還警告偏見——例如研究人員選擇取樣的地點，這可能會使資料集偏向或遠離某些地區或環境型別。
納伊姆也希望看到一項協調一致的全球努力，為自然界建立一個更完整和全面的性狀資料庫。“當我們對某個領域感到非常興奮時，每個人都必須支援的大型主要投資和努力之一是獲取我們需要的資料，”他說。
目前正在進行一些工作，為陸地和水生環境建立此類資料庫。TRY，由德國耶拿的馬克斯·普朗克生物地球化學研究所主辦，是一個國際植物科學家網路，自2007年以來一直在建立一個公開可用的性狀和功能資料庫。它現在包含100,000種植物的記錄。
還有一個由穆伊洛（Mouillot）領導的ReeFish 資料庫，旨在提供所有熱帶珊瑚礁魚類的性狀和地理資訊。此外，由斯圖爾特-史密斯（Stuart-Smith）和海洋生態學家格雷厄姆·埃德加（Graham Edgar）於2007年在塔斯馬尼亞發起的珊瑚礁生命調查，擁有來自所有海洋盆地超過 5,000 個物種的性狀記錄。
與此同時，達菲（Duffy）正在領導史密森尼學會的“海洋全球地球觀測計劃”，他表示該計劃是“一個重要的機會，可以在全球範圍內繪製出海洋生態系統的多樣性和功能之間聯絡的圖譜”。該網路目前有十個站點，旨在建立一個全球性的、從極地到極地的存在。
這些都是正在進行中的工作，儘管在關注生態系統的功能性狀的重要性上存在廣泛共識，但目前似乎還沒有對性狀的明確定義。要就一個跨越植物和動物王國的定義達成一致將是困難的。應該詳細到什麼程度？是停留在諸如葉片大小等可觀察的性狀上，還是深入研究個體的基因序列？
飲食似乎是一個灰色地帶。一些研究人員在評估生物的功能性狀時，會包括飲食模式，例如，透過觀察它是否能食用多種生物，還是專門以單一花卉物種為食。另一些人則嘲笑將飲食包括在內。“如果它不在基因組上，它就不是性狀，”納伊姆（Naeem）說，他指出狐狸可能有一些特定的飲食偏好，但如果有機會，它們仍然會吃包裝好的狗糧。他說，與基因相關的性狀——例如，捕食者的牙齒大小——會影響飲食，並可以用來推斷攝食模式。
性狀討論
物種之間的相互作用開啟了另一個爭論領域。有些人可能會將豪豬魚在珊瑚中躲藏（正如達菲在巴拿馬觀察到的那樣）解釋為物種之間的相互作用，而不是將其視為一種性狀。然而，對達菲來說，性狀可以影響並反映物種之間如何相互作用。珊瑚的性狀——其分支結構和大小——使魚得以繁榮。
是否對性狀在生態系統中的重要性進行排序是另一個爭議領域。一些研究人員正在努力確定最有價值的性狀，而另一些研究人員（如穆伊洛）則採取更為不可知論的方法。“我們不對它們進行排序。我們不認為兩三個性狀是最重要的，而其他性狀是邊緣性的，”他說。
儘管所有人都關注功能多樣性，但這可能只是朝著尋找生物多樣性的真正全面檢視邁出的一步——這是生態學家和自然資源保護主義者的最終目標。同時，也在進行生態系統中物種進化歷史的研究，以試圖理解和減輕生物多樣性喪失的影響。一些人將這種“系統發育多樣性”視為與功能和物種多樣性並列的第三個支柱。世界各地的研究人員也在努力填補其他空白。一個大型的德國研究聯盟一直在研究土地利用集約化如何影響功能多樣性，並且需要在景觀層面而不是在微觀世界或單獨的研究地點進行更多關於空間資料和相互作用作用的研究。
然而，目前，研究人員正在接受功能性狀，因為它們已經為理解生態系統增加了複雜性。這包括傑茨（Jetz）——儘管他警告說不要過早根據功能多樣性做出決策。資料可能不完整，但與物種豐富度相比，功能性狀可能會以更具體的方式向科學界以外的人們（包括政策制定者和經濟學家）傳達生態系統的重要性。“如果你失去一兩個物種，很難解釋這意味著什麼，”傑茨說。但能夠明確地展示一種功能的喪失如何摧毀一個生態系統可能會產生更大的影響。“這是更多人能夠理解的事情。”
本文經許可轉載，並於 2017 年 5 月 31 日首次釋出。