【人物專訪】秀才不出門,「模擬」天下事──劉維中老師

■ 「不用去田野,可以待在家裡面(室內)做生態。我們把自己的想法用模型寫出來,從模型中看出這世界是怎麼產生的。」──劉維中老師

003採訪/郭冠廷
攝影/黃道佐

假如我們的工作職場、學校班級,是一個生態系。那麼當我們聽過劉維中老師的演講後,我們身處的生態系會產生什麼樣的變化呢?我們是否能從各自的職場和班級的「種間競爭」中脫穎而出呢?且讓我們來聽聽數學與生態學的對話。聽物種如何進行地盤協商:現實生活的模擬農場──漫談生態系中族群數量的變化。


臺灣的教育很有特色!

「臺灣的教育也很有特色的!」在英國就讀高中、大學、碩博士班的老師[1] 微笑說:「臺灣的教育就是『廣』。從高中一直到大學,學生仍然要學很多不一樣的東西。英國在大學的時候就分得非常細了。」臺灣教育制度提供「(強制性)機會」,讓學生在師長的引導下,有效率地習得系統性的知識。這讓學生的基礎知識很廣,在未來碰到問題,或者想要往某領域發展時,會更具有方向性。這些基礎知識就好比是一份簡易地圖,大幅降低我們在異地旅行時迷路的風險。


學,然後知不足

1993年知名科幻電影《侏儸紀公園》,片中描述研究者盜取恐龍胚胎的故事。充滿無限可能的生物科技,讓還在讀高中的維中老師深深的著迷,毅然決然選擇生物做為他的專業領域。老師在大學時研究的領域是基因與分子生物學,因緣際會修習一門堪稱是啟蒙課程的「演化論(基因演化)」。「生物學中的(生態)理論竟然可以用『數學模型』去模擬!」[2] 這讓老師非常的震驚。加上基因與分子生物學,要記憶的東西過於繁瑣。老師研究的對象遂從電影中那顆圓嘟嘟的「恐龍胚胎」(基因科技),放眼到整個「侏儸紀公園」(生態研究)。 

「生態非常的複雜,」老師強調了兩次:「這是很複雜的東西。」複雜,讓老師深深的著迷。「我嘗試往反方向想,這些複雜系統的背後有沒有簡單的機制?」老師概要式的解釋,「食性關係所建立出來的食物網,都非常的複雜。」也因為複雜,老師發現自己需要學習如何撰寫電腦程式。需要運用到生物統計作為研究的工具,建立一個最簡單的食物網模型,然後逐一加入數學參數。我們會訝異的發現:「只要幾個參數,就可以產生非常複雜的食物網。」

「我們把(數學)模型和實際田野調查的數據進行比對,(猜)看看哪一個參數最有可能符合實際生態系中的食物網。」而這「化繁為簡」得過程當中,最重要的工具就是我們這一期探索講座的主題「數學」!

 

模擬農場的主角是整個「生態系」

我們詢問老師這一場模擬農場的「主角」是誰?我們盼望著能從老師口中聽到「福壽螺」、「貓鼬」等物種的名稱,讓整個農場圖像具象化。老師立刻訂正我們的迷思:「整個生態系就是主角!『物種』只是其中的一個分子。」像是河口生態系或海洋生態系,都是老師的研究對象。

老師將從「單物種」的生態系導入這場演講,與觀眾一同探討:如何讓物種「無限成長」、「穩定成長」、「產生急性的數量變化」?接著,我們將「模擬農場」中的物種種類增多,慢慢延伸到「雙物種」、「三物種」、「四物種」、「多物種」,並加入「競爭者」、「獵殺者」。從觀察族群數量隨時間的變化,看食物網物種之間的食性關係如何演變?並去追究當中所蘊藏的機制。

 

物種的重要性,取決於「鄰居」的重要性!

「我是理論型的學者。我們沒有針對特定物種的。我們只進行最單純、最簡單的假設,使用最通用性、簡單化的模型。」這些理論廣泛應用在物種的保育。「我們可以量化一個物種在生態系中的重要性。」錢要花在刀口上,是我們都知道的道理。但是傷痕累累的生態環境,我們要如何找出「刀口」?這就得要靠數學模型的幫忙。

老師以趣味的口吻解釋:「取決於鄰居的重要性!」這真的一語驚醒夢中人,「重要」與「不重要」,這是相對的概念。「看你吃的食物,和吃你的食物是不是很『重要』。」簡言之,如果這個概念放在社會學,一個人對社會的影響力,也是取決於一個人的「重要性」。

除「相對」的定義方法,老師解釋:「生態系當中的能量會循環。生產者光合作用接收太陽的能量,從初級消費者、次級消費者,一路傳遞到上級消費者。而這些消費者當中,有的物種處在承先啟後的位置,沒有他的話能量就沒辦法傳遞到最上層。」

 

物種競爭,沒有「雙贏」的可能!

當兩個物種競爭,可能會發生什麼事情呢?利用微積分數學模型,還有電腦模擬的方式,我們得到一個讓人悲傷的結論:「兩個競爭者,假如競爭同樣的東西,最終會有一個被踢掉。他們可以共存的方法,就是他們用的資源,要有差異性,不能百分之百的相似。」維中老師話鋒一轉,傳授經營管理的祕訣:「不論是在進行商業買賣,或者我們的人際關係,我們都要避免和競爭者都以同一個族群為目標。」

 

田野調查為主理論為輔

當研究結果與田野調查的結果有落差時,「我們要先懷疑理論是不是需要改進。」畢竟數學模型的樣式和寫法繁多。研究者會盡可能修正理論模型去對應田野調查的數據。「大多情況,理論模型的結果,都與田野調查的結果不符合。縱使是一樣,也不要太開心,可能只是『剛好』一樣。」研究者必須要接受:「做出來的結果和實際不一樣,也是一種成就。因為我們可以把這個錯誤的結果,確實地否定掉。」

 

秀才不出門,「模擬」天下事

最後,我們請老師替我們總結這場演講最吸睛的一段話。老師沉思不語。我趁著空檔酌飲老師替我們泡的咖啡。採訪場所的窗外是統研所的後院。在入秋的時節,滿地的落葉,老師說:「這裡曾經有『蛇』跑進來,可惜當我趕來時,已經被抓走了。」這小插曲更加深窗外物競天擇、適者生存的肅殺氛圍。捕食、獵殺、競爭,誠如四時運轉,這是天行健亙古不變的道理。而通過電腦模擬,把這層生物界的神秘面紗抽絲剝繭後,這當中的體會與對自然的感動,是否正如老師所泡的現磨咖啡一般,醇濃香當中,帶一些咖啡特有的苦澀呢?

理論型的學者,做著抽象但卻是比誰都接近現實的研究。就像咖啡,一次喝太多會太苦又傷身,只能慢慢研磨,一次一小口,讓人成癮,難以戒除。老師這麼說:「不用去田野,可以待在家裡面(室內)做生態。我們把自己的想法用模型寫出來,從模型中看出這世界是怎麼產生的。」萬物的真理如此的複雜,讓多少學者沉醉不已。

「數學不是死板的東西,是活生生的。我希望觀眾有和我同樣的感動。」可惜的是,如何利用「電腦」模擬「人事鬥爭」(人類的種內競爭),並讓競爭者(對手)從整個生態系(市場版圖)消失?在這場演講之中老師不會直接告訴各位觀眾答案,這是要留給各位回家細細咀嚼的「弦外之音」。12月7日的週六下午一點半,歡迎各位讀者蒞臨應用力學所,來聽聽劉維中老師,如何利用電腦模擬來預測生態學中的重要議題──族群數量變化。

 


[1] 編者註:老師是從高中起,就接受整套英國教育的歸國學人。基於推廣科學教育的立場,我們立刻請老師替我們介紹英國和臺灣教育的差異。維中老師自1998到2002年取得英國倫敦帝國理工學院生命科學博士學位。之後的三年,老師在愛丁堡大學做博士後研究。並於2005年回到臺灣中央研究院生理醫學研究所,2007年後轉往統計研究所服務迄今。

[2] 編者註:劉維中老師也有在師範大學開設「理論生態學」,採小班式教學,課堂上平均都有八到九位學生。以建立數學模型的角度,去探討物種之間的關係。老師希望將當時的感動,傳承給臺灣的莘莘學子。授課的對象不特別設限,學生不需要任何數學、機率統計的專業背景。
網址是維中老師在師範大學生科院的介紹資料:http://www.biol.ntnu.edu.tw/people/bio.php?PID=112

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