本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
預測生態學、氣候變化、醫療結果和其他複雜系統中的臨界點是許多研究人員的主要目標。 深入瞭解關鍵轉變發生的時間並非易事，尤其因為隨機事件可能引發此類變化，而警示訊號很容易被錯過或誤解。
研究臨界點的最佳方法或許是將兩種不同的方法結合起來——一種方法探索劇烈變化的系統的架構，另一種方法專注於系統處於崩潰邊緣的明顯跡象。 由荷蘭瓦赫寧根大學的生態學家 馬爾滕·舍費爾 領導的環境科學家、生態學家和經濟學家團隊在 10 月 19 日的《科學》雜誌上提出了這種雙管齊下的分析方法。
就架構而言，一些系統——無論是種群、生態系統還是經濟體——由多樣化且僅略微連線的部分組成，這意味著變化往往會逐漸發生。 然而，另一些系統由相似的、高度互連的元件組成，最初可能會抵制變化，然後在被推到某個閾值時迅速翻轉。
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舍費爾和他的同事用珊瑚礁來說明他們關於系統架構的觀點。 珊瑚礁是高度互連的系統——已知一個珊瑚礁的生物可以修復附近珊瑚礁的損傷。 如果一個珊瑚礁的生物不斷地將另一個珊瑚礁從長期破壞中拯救出來，這可能會給人留下受損珊瑚礁具有高度彈性的印象。 然而，當許多珊瑚礁受到例如 1980 年代加勒比海地區發生的海膽病爆發 等疾病侵襲時，這可能會使整個珊瑚礁系統容易受到熱帶風暴破壞和大規模但不可預見的生態系統崩潰的影響。
研究結構對複雜系統強度或脆弱性的影響只是戰役的一半。 研究人員認為，到目前為止，還沒有辦法僅使用架構來衡量任何特定系統離臨界轉變有多近。 為此，分析系統的時間線以尋找線索也很有幫助。 舍費爾和他的同事注意到，有些變化之前會出現活動放緩，而另一些變化則預示著混亂程度的上升。
除了他們自己的研究外，舍費爾和他的同事還在以其他方式為關鍵轉變的研究做出貢獻。 他們是 早期預警訊號工具箱網站 的 7 月啟動幕後推手，該網站是一個專門用於早期識別此類臨界點的研究、案例研究和免費計算機程式的交流中心。
關鍵轉變的結果並不總是壞事——例如，珊瑚礁網路的破壞或金融市場的崩潰。 威斯康星大學麥迪遜分校的生態學家 斯蒂芬·卡彭特 多年來一直在研究如何利用關鍵轉變來阻止入侵物種侵佔健康的棲息地。 卡彭特和他的同事以威斯康星州-密歇根州邊境的彼得湖的食物鏈作為試驗場，多年來向藻類滋生的水中引入了數十條大口黑鱸。 隨著時間的推移，鱸魚吃掉了曾經占主導地位的鮈魚、南瓜子魚和其他捕食湖中水蚤和其他微小食藻動物的魚類。 隨著這些食藻動物重返家園，湖水變得清澈，並一直保持這種狀態，卡爾·齊默在 2012 年 11 月的《大眾科學》文章“生態系統處於崩潰邊緣” 中描述了這一點。
卡彭特和他的團隊使用包括單個物種的繁殖率和它們相互捕食的速率等變數，開發了該地區生態網路的數學模型。 研究人員跟蹤了轉變，並能夠提前 15 個月識別出彼得湖戲劇性轉變的臨界點。
圖片由 James Allred 提供，來自 iStockphoto.com