美国纽约股市骤然崩溃，股价掉落谷底——这是发生在1929年10月24日的真实历史；
复活节岛一度辉煌，却在短时间内森林灭绝，文明绝迹。
金融系统、生态系统是典型的复杂系统，其“崩溃”看起来总像是突然发生的。这样的“崩溃”即将发生之前会有怎样的迹象？换言之，在股市行将崩溃、复活节岛森林开始灭绝时发生了什么？
人们对此众说纷纭，却苦于无法验证。
现在，基于菌群灭绝前的实验研究验证了从原则上观测到预警信号的可能性，相关研究成果日前发表于美国《科学》杂志。
实验室的新发现
该论文第一作者及主要负责人是我国学者、美国麻省理工学院博士戴磊。戴磊及其同事培养了多个酵母的种群，这些种群中的每一个都有着不同的创始菌数；他们发现，创始菌数过少的酵母菌会走向灭绝，而那些有着较多创始菌的种群往往会成长至一个稳定的平衡点。
他们还观察到，那些难逃厄运的酵母菌种群比那些兴旺生长的酵母菌种群会更为缓慢地从干扰中恢复，特别是当它们正在缩小的数目到达了一个不可逆转的点的时候。
一个系统在其接近某种灾难性临界点时，会更为缓慢恢复的理念被称作临界慢化。论文介绍，基于微生物种群的研究为临界慢化是复杂体系中发生重大转变之前的一个普遍现象的概念提供了支持。电子科技大学互联网科学中心主任周涛表示：“这是一篇非常有趣的论文，戴磊的工作也非常漂亮！”
该发现意味着在实验上成功观测到了一个生物系统的临界点，并且初步揭示了该系统在临界点附近的行为规律。
在中国系统工程学会副理事长、中国工程院院士王众托看来，该发现“为理论研究提供了一个实验验证，对复杂系统接近临界点的预警可能性提供了一个实例”。
有心“插柳”的收获
据了解，近年来学术界关于复杂系统临界点前预警信号的理论研究很多，但因经验性研究的缺位，既无法证伪也无法证实。
在接受《中国科学报》记者采访时，戴磊表示，野外观测等经验性研究因耗时久远，确实成为相关研究的一个瓶颈。
相比之下，基于菌群的实验可操控性好、周期短、可定量，对于现有的研究是一个非常好的补充。他说：“主要的难点在于如何在实验室中实现类似于动物种群生长的动力机制和灭绝前的临界现象。”
戴磊一直在结合微生物实验和动力系统理论来定量研究种群灭绝前的动力机制，他和同事发现酵母种群在蔗糖中的合作代谢机制其实类似于动物种群的种内合作行为，成功地在实验室的酵母种群中实现了被称为“Allee效应”的种群动力学现象。
正是这一发现激发了他利用实验室的微生物菌群系统来实现最简单的临界点，并在其基础上来检验一些通用的动力系统理论的灵感。
王众托表示该研究不仅是对生态保护，实际上还对从事生物系统研究的科学家有所启发。
看来，这一有心“插柳”，开启了复杂系统研究的新视角。
更多奥秘待揭示
金融系统、生态系统、社会系统等是典型的复杂系统。研究证实，大多数的复杂系统都存在一个临界点，在临界点附近，系统的状态会发生跃变。
有些跃变对人类是不好的，例如金融市场崩溃；有些则反之，例如传染病有效控制等。因此，戴磊说：“如果能通过监测一个系统的状态来判断其距离临界点的距离，就可能对不好的变化作出预警。”
“我们基于菌群灭绝前的实验研究，验证了从原则上观测到预警信号的可能性。”戴磊认为，由于这些信号并不基于某个系统特定的动力机制，具有相当的普适性，因此即使是迥然不同的两个复杂系统，他们的管理者都能应用这些预警信号来实时评估系统的脆弱性。
在王众托看来，该研究在理念上也提供了在技术、经济、社会等领域中有关突变的预警研究之可能途径。
然而，周涛表示并不认为这类研究可以应用到真实的经济预警中，不过，“这依然不影响这篇文章的价值”。
目前，戴磊及其同事已经开始着手考虑验证能否利用空间分布的数据来预警临界点，验证基于时间序列的预警信号的普适性和其在恶化环境中的可观测性。
有关研究将揭示复杂系统更多奥秘，或可为避免复杂系统的“崩溃”提供更多可能。（来源：中国科学报 徐雁龙）
