埃米特·达菲在巴拿马海岸水下约5米处时，一条巨大的棕白色豪猪鱼引起了他的注意。这种行动缓慢的生物如果不是因为躲藏在鹿角珊瑚（Acropora palmata）的大型树状分支下，就会成为捕食者的主要目标。这次目击对海洋生物学家达菲来说是一个灵光一闪的时刻。他曾去过加勒比海珊瑚更丰富、更多样化的地方，但珊瑚较小；那里的鱼也总是很小。在这里，在博卡斯德尔托罗群岛，他看到鹿角珊瑚中有各种各样的大鱼。“这些大鱼之所以能够茁壮成长，”他说，“是因为它们有躲藏的地方和生活的地方。”
对于达菲来说，与豪猪鱼（Diodon hystrix）的相遇使他脑海中长期酝酿的一个概念得以实现：生态系统的健康可能不仅取决于存在的物种数量，还取决于其特征的多样性。这个被称为功能性状生态学的概念，多年来一直是他的实验室工作的一部分，但一直感觉学术化和抽象，达菲说，他现在是华盛顿特区史密森尼学会的滕嫩鲍姆海洋观测站网络的负责人。
这个观点越来越受到生态学家的欢迎。它指出，生物多样性不必仅仅是关于生态系统中物种的数量。对于保持生态系统的健康和韧性，同样重要的是物种的不同特征以及它们可以做的事情——以诸如体型或分支长度等特定性状来衡量。
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这种思维方式的转变可能对生态学产生重大影响。这对于理解和预测动植物如何应对气候变化可能是必要的。功能多样性已经开始影响生态学家对保护的看法；一些政府甚至开始将性状纳入其管理政策。例如，伯利兹几年前采取行动，保护鹦鹉鱼物种免受过度捕捞——不一定是因为它们的数量正在减少，而是因为这些鱼会清除珊瑚上的藻类，对珊瑚礁的生存至关重要。
阿根廷国家科学技术研究委员会（CONICET）和科尔多瓦大学的生态学家桑德拉·迪亚兹说：“仅仅关注物种数量基本上不允许我们利用所有这些关于现实世界如何运作的极其丰富的信息。” 尽管如此，一些专家对此表示担忧。如何定义性状仍然是争论的焦点，而且如果没有关于世界各地环境中性状和物种多样性的可靠数据，任何由这种方法指导的选择都可能被证明是短视的。“我真的很兴奋，但我很担心，”康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学的生态学家和进化生物学家沃尔特·杰兹说。“我们作为一个群体需要非常谨慎地评估现有的数据限制。”
质量与数量
几十年来，对生物多样性的研究本质上是一场数字游戏：一个生态系统拥有的物种越多，人们就认为它越稳定，对变化的抵抗力越强。这种思维方式是有道理的，因为当时关于生态系统的结构以及物种在其中的功能的信息非常少。当时的技术还无法测量许多性状，也无法处理如果可以测量的话会产生的大量数据。各种发展改变了这种情况。分子生物学的进步使得能够大规模研究微生物。卫星可以评估诸如树冠高度和海洋浮游生物生产力等性状。统计工具和计算能力的飞跃有助于利用现在正在生成的所有数据。
一些人将这种关于生态系统的新思维方式——至少在正式研究中——追溯到圣保罗市明尼苏达大学的生态学家大卫·蒂尔曼。1994年，他发表了一篇具有里程碑意义的论文1，追踪了明尼苏达州草原在20世纪80年代严重干旱期间的物种多样性。物种丰富的地区比物种较少的地区更容易度过干旱，这支持了多样性与稳定性之间的联系。但这种关系不是线性的。只需要一些耐旱的草就可以大大提高一块土地的反弹能力。
三年后，蒂尔曼和他的合作者发表了他们用不同数量的物种和功能多样性水平种植的289块草地的情报2。在这里，某些性状（例如C4光合作用途径或固氮作用）的存在对地块的整体健康产生的影响比物种数量更大。
大约在同一时间，哥伦比亚大学地球研究所环境可持续发展中心主任沙希德·纳伊姆也在关注物种数量之外，研究生态系统的功能，重点关注食物网不同层次的物种多样性。他说，仅关注物种数量就像列出汽车的零部件，却没有说明它们的作用。他说，当事情开始崩溃时，这无法提供指导。“我们只是站在那里抓头，就像从未见过汽车的原始人一样，说，‘汽车现在不工作了，我想知道它出了什么问题’。”
从20世纪90年代中期开始，对功能多样性的研究开始生根发芽。对植物和森林的研究走在前列，因为操纵这些系统相对容易。但这种方法逐渐扩展到包括鸟类、海洋生物和土壤。科罗拉多州立大学柯林斯堡分校的土壤生态学家戴安娜·沃尔说，她和她的同事多年来一直关注功能性状和多样性，部分原因是土壤微生物的活动通常比物种本身更容易识别。她很高兴研究人员正在对地上和地下的性状和物种有更牢固的把握。“双方的新知识使我们了解了对物种和功能的依赖，”她说。
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保护生物学家对功能性状感到兴奋，因为它们可能会影响关于保护什么的决定。研究人员和环保主义者通常关注物种丰富的地区，例如亚马逊雨林和澳大利亚的大堡礁。但是，澳大利亚塔鲁纳塔斯马尼亚大学的生态学家里克·斯图尔特-史密斯建议重新定义生物多样性热点的定义。整合功能性状可能会指出以前未被充分研究的地区的重要性。对于斯图尔特-史密斯来说，现在确定符合条件的具体地点还为时过早——需要更深入的研究。但是，他说，功能性状生态学最终应该扩展到保护策略以及政府如何选择要保护的区域。
关于多样性的新思维方式可能会揭示以前未被认识到的脆弱性。法国蒙彼利埃大学的海洋生态学家大卫·穆里奥说，物种丰富的地区似乎具有某种针对性状丧失的保险，因为人们认为性状提供的功能存在于许多物种中。但是，某些功能仅由一个或几个物种提供。他和他的同事们正在竞相寻找这些罕见的功能。
功能多样性的视角有助于创建更细致的生态系统图景。加利福尼亚州斯坦福大学卡内基科学研究所全球生态学系的生态学家格雷格·阿斯纳使用独特的频谱成像仪绘制了秘鲁各地森林的15个性状图。阿斯纳说，传统的研究使用物种丰富度的概念，识别了该国的三种森林类型——旱地、洪泛区和沼泽森林。但是，阿斯纳和他的团队研究了哪些性状可以帮助区分新的功能组，发现有七个关键性状。然后，他们根据这些性状对森林进行分类，并提出了代表七个性状不同组合的36个类别3。研究人员利用他们的发现来帮助秘鲁重新平衡其保护组合。
阿斯纳说，他还被要求在性状的基础上确定婆罗洲北部40万公顷的区域以留作保护。“他们想知道，在哪里可以获得性状变化最多的百万英亩土地？”他说。“在哪里可以围绕功能变化最大的区域设置围栏？”
他对这种程度的兴趣感到鼓舞，因为生态系统非常复杂，一旦某些物种、功能或生态系统过程丢失，就无法再恢复它们——至少不能使用当前的技术或知识。“我们没有地球上的科学或技术来从头开始设计森林，就像自然和进化所做的那样，”阿斯纳说。
然而，一些专家建议，在获得更完整的数据之前，不要根据功能性状做出决定。“一旦你的数据矩阵中缺少一个物种，你可能就错过了一个仅由该物种代表的关键功能，”杰兹说，他研究了植物和脊椎动物，尤其是鸟类的功能性状。他不仅警告数据中的差距，还警告偏见——例如研究人员选择采样的地点，这可能会使数据集偏向或远离某些地区或环境类型。
纳伊姆也希望看到一项协调一致的全球努力，为自然界创建一个更完整和全面的性状数据库。“当我们对某个领域感到非常兴奋时，每个人都必须支持的大型主要投资和努力之一是获取我们需要的数据，”他说。
目前正在进行一些工作，为陆地和水生环境建立此类数据库。TRY，由德国耶拿的马克斯·普朗克生物地球化学研究所主办，是一个国际植物科学家网络，自2007年以来一直在建立一个公开可用的性状和功能数据库。它现在包含100,000种植物的记录。
还有一个由穆伊洛（Mouillot）领导的ReeFish 数据库，旨在提供所有热带珊瑚礁鱼类的性状和地理信息。此外，由斯图尔特-史密斯（Stuart-Smith）和海洋生态学家格雷厄姆·埃德加（Graham Edgar）于2007年在塔斯马尼亚发起的珊瑚礁生命调查，拥有来自所有海洋盆地超过 5,000 个物种的性状记录。
与此同时，达菲（Duffy）正在领导史密森尼学会的“海洋全球地球观测计划”，他表示该计划是“一个重要的机会，可以在全球范围内绘制出海洋生态系统的多样性和功能之间联系的图谱”。该网络目前有十个站点，旨在建立一个全球性的、从极地到极地的存在。
这些都是正在进行中的工作，尽管在关注生态系统的功能性状的重要性上存在广泛共识，但目前似乎还没有对性状的明确定义。要就一个跨越植物和动物王国的定义达成一致将是困难的。应该详细到什么程度？是停留在诸如叶片大小等可观察的性状上，还是深入研究个体的基因序列？
饮食似乎是一个灰色地带。一些研究人员在评估生物的功能性状时，会包括饮食模式，例如，通过观察它是否能食用多种生物，还是专门以单一花卉物种为食。另一些人则嘲笑将饮食包括在内。“如果它不在基因组上，它就不是性状，”纳伊姆（Naeem）说，他指出狐狸可能有一些特定的饮食偏好，但如果有机会，它们仍然会吃包装好的狗粮。他说，与基因相关的性状——例如，捕食者的牙齿大小——会影响饮食，并可以用来推断摄食模式。
性状讨论
物种之间的相互作用开启了另一个争论领域。有些人可能会将豪猪鱼在珊瑚中躲藏（正如达菲在巴拿马观察到的那样）解释为物种之间的相互作用，而不是将其视为一种性状。然而，对达菲来说，性状可以影响并反映物种之间如何相互作用。珊瑚的性状——其分支结构和大小——使鱼得以繁荣。
是否对性状在生态系统中的重要性进行排序是另一个争议领域。一些研究人员正在努力确定最有价值的性状，而另一些研究人员（如穆伊洛）则采取更为不可知论的方法。“我们不对它们进行排序。我们不认为两三个性状是最重要的，而其他性状是边缘性的，”他说。
尽管所有人都关注功能多样性，但这可能只是朝着寻找生物多样性的真正全面视图迈出的一步——这是生态学家和自然资源保护主义者的最终目标。同时，也在进行生态系统中物种进化历史的研究，以试图理解和减轻生物多样性丧失的影响。一些人将这种“系统发育多样性”视为与功能和物种多样性并列的第三个支柱。世界各地的研究人员也在努力填补其他空白。一个大型的德国研究联盟一直在研究土地利用集约化如何影响功能多样性，并且需要在景观层面而不是在微观世界或单独的研究地点进行更多关于空间数据和相互作用作用的研究。
然而，目前，研究人员正在接受功能性状，因为它们已经为理解生态系统增加了复杂性。这包括杰茨（Jetz）——尽管他警告说不要过早根据功能多样性做出决策。数据可能不完整，但与物种丰富度相比，功能性状可能会以更具体的方式向科学界以外的人们（包括政策制定者和经济学家）传达生态系统的重要性。“如果你失去一两个物种，很难解释这意味着什么，”杰茨说。但能够明确地展示一种功能的丧失如何摧毁一个生态系统可能会产生更大的影响。“这是更多人能够理解的事情。”
本文经许可转载，并于 2017 年 5 月 31 日首次发布。