本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
预测生态学、气候变化、医疗结果和其他复杂系统中的临界点是许多研究人员的主要目标。 深入了解关键转变发生的时间并非易事，尤其因为随机事件可能引发此类变化，而警示信号很容易被错过或误解。
研究临界点的最佳方法或许是将两种不同的方法结合起来——一种方法探索剧烈变化的系统的架构，另一种方法专注于系统处于崩溃边缘的明显迹象。 由荷兰瓦赫宁根大学的生态学家 马尔滕·舍费尔 领导的环境科学家、生态学家和经济学家团队在 10 月 19 日的《科学》杂志上提出了这种双管齐下的分析方法。
就架构而言，一些系统——无论是种群、生态系统还是经济体——由多样化且仅略微连接的部分组成，这意味着变化往往会逐渐发生。 然而，另一些系统由相似的、高度互连的组件组成，最初可能会抵制变化，然后在被推到某个阈值时迅速翻转。
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舍费尔和他的同事用珊瑚礁来说明他们关于系统架构的观点。 珊瑚礁是高度互连的系统——已知一个珊瑚礁的生物可以修复附近珊瑚礁的损伤。 如果一个珊瑚礁的生物不断地将另一个珊瑚礁从长期破坏中拯救出来，这可能会给人留下受损珊瑚礁具有高度弹性的印象。 然而，当许多珊瑚礁受到例如 1980 年代加勒比海地区发生的海胆病爆发 等疾病侵袭时，这可能会使整个珊瑚礁系统容易受到热带风暴破坏和大规模但不可预见的生态系统崩溃的影响。
研究结构对复杂系统强度或脆弱性的影响只是战役的一半。 研究人员认为，到目前为止，还没有办法仅使用架构来衡量任何特定系统离临界转变有多近。 为此，分析系统的时间线以寻找线索也很有帮助。 舍费尔和他的同事注意到，有些变化之前会出现活动放缓，而另一些变化则预示着混乱程度的上升。
除了他们自己的研究外，舍费尔和他的同事还在以其他方式为关键转变的研究做出贡献。 他们是 早期预警信号工具箱网站 的 7 月启动幕后推手，该网站是一个专门用于早期识别此类临界点的研究、案例研究和免费计算机程序的交流中心。
关键转变的结果并不总是坏事——例如，珊瑚礁网络的破坏或金融市场的崩溃。 威斯康星大学麦迪逊分校的生态学家 斯蒂芬·卡彭特 多年来一直在研究如何利用关键转变来阻止入侵物种侵占健康的栖息地。 卡彭特和他的同事以威斯康星州-密歇根州边境的彼得湖的食物链作为试验场，多年来向藻类滋生的水中引入了数十条大口黑鲈。 随着时间的推移，鲈鱼吃掉了曾经占主导地位的鮈鱼、南瓜子鱼和其他捕食湖中水蚤和其他微小食藻动物的鱼类。 随着这些食藻动物重返家园，湖水变得清澈，并一直保持这种状态，卡尔·齐默在 2012 年 11 月的《大众科学》文章“生态系统处于崩溃边缘” 中描述了这一点。
卡彭特和他的团队使用包括单个物种的繁殖率和它们相互捕食的速率等变量，开发了该地区生态网络的数学模型。 研究人员跟踪了转变，并能够提前 15 个月识别出彼得湖戏剧性转变的临界点。
图片由 James Allred 提供，来自 iStockphoto.com