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关于《Science》上复杂系统与网络专辑的杂感(9)
Fangjinqin 2009-11-26 12:04
关于 《 Science 》上 复杂系统与网络专辑的杂感( 9 ) 方锦清 在杂感( 9 )里,我准备对最后二篇文章谈谈自己的看法和收获。一篇是 Alessandro Vespignani 在专辑的文章,题为 技术社会系统行为的预测( Science 24 July 2009:Vol. 325. no. 5939, pp. 425 428 ),这是网络科学值得关注的一大类重要网络, 它与 我们日常生活日益紧密联系在一起,例子有因特网,万维网, WiFi 通讯技术,运输和移动基础设施等。研究由不同的技术层面组成的基础设施与各种社会成份相互作用的复杂网络,不仅推动了自身的应用和发展,而且对网络科学的理论和应用作出重要贡献。 我把这篇文章分析一下,整理出以下亮点与特点。 (1) 多标度特性和复杂性是理解和处理这类复杂系统和网络的一 个至关重要的特征。 新数据的获得、理论的发展和复杂网络建模正在提出一个完整构架,使得我们更接近获得对技术社会系统行为的真实预测能力。最成功的例子之一是天气预报,利用先进的超级计算机,把当前数据和海量的历史天气模式资料库结合起来,进行大规模计算机模拟。在天气预报上已经取得了数十年的成功,使得我们可以预测飓风的路径和强度、风暴和其他剧烈气象事件,且很多情况下,对这些事件的预计及准备挽救了数千生命。尽管有时天气预报的不准确。 ( 2 ) 建立所谓社会集合态理论框架,以解决在空间和时间中刻画的数百万个体组成的大规模社会系统。例如 ,应用于流行病时空图以及从中国到印度今后数十亿的新增入网人口对互联网生长和稳定性的影响的定量预测问题。但是在社会聚集态的研究中仍遭遇物态物理研究中所遇到的所有挑战(从湍流到多标度行为)。 (3) 提出事实挖掘、代言网络 (proxy networks) 和 代言数据 (proxy data) 新概念。 这几类数据有助与理解很多现象。包括:人类流行病的空间动力学,决定于那些携带疾病到本未感染人群的个体的迁移。因特网空间的信息的开发和攫取。 (4) 提出对技术社会系统的网络思维。 因特网和虚拟世界是我 们每天都巡览和探索的网络。例如,种群网络是迁移、社会生态学和流行病学模型互联在一起的全部人口组成的复杂网络。大量工作显示大部分真实世界网络展现了动力学的自组织以及统计上明显的异质性,这些正是复杂系统的典型特点。复杂网络提出的挑战在于它们的内部互联程度(网络的网络)和多标度特性。 技术社会系统的复杂性要求网络思维是非常必要的。 (5) 现代网络思维另一个至关重要的方面是动力学的自组织 , 这导 致不依赖于人类规划和系统工程的大规模基础设施中特定模式的涌现。动力学自组织系统最好的例子也是因特网, 不过,大多数通讯基础设施、道路和运输系统、供给网络和电网也是动态增长网络 。 (6) 提出一个多标度网络的整体描述,最大挑战在于必须同时处理 多个时间和长度尺度。 在网络和技术社会系统的情况中,多标度难题因为大规模数据集的可获取性正变得越来越明显。与多标度物态系统(流体,固体,宇宙中物质扩散,等等)所做的那样,需要发展合适的形式和技巧。为了获得对技术社会系统解析的理解和计算的方法,必须找到不同的策略去处理非常不同的特征尺度彼此影响的动力学方程。 该法最终将允许分层式计算方法,并与在不同的模型假设和粒度的一般性多标度框架达到一致。 (7) 多标度网络的应用。 网络特性的知识开创了发现和理解支 配与社会系统耦合在一起的大基础设施系统的新的统计规律和动力学规律的道路。 (8) 提出需要解决的最棘手难题。 尽管很多观念上的基本问题仍然 没有解决,界定技术社会系统内在的预测极限的最大障碍是它们的敏感性和对社会适应性行为的依赖。 在灾难事件的情形下(例如,在大规模流行病或大型自然灾害这样的突发事件期间社会秩序的瓦解),技术社会网络的行为属于远离平衡态特性,目前还是未知的领地。值得注意的是,处理上述问题需要解决三个主要的科学难题。 首先 , 收集有关信息传播的大规模数据和发生在危机期间的社会反应,目前还做不到。 第二 ,提出形式模型的公式化表述,这使得量化个体的风险感知和认知现象对技术社会网络结构和动力学的影响成为可能。 第三 ,涉及实时控制中影响计算模型的监测设备能力的分配。 因此,我赞成文章的基本结论:复杂系统和网络理论、数学生物学、统计学、非平衡态统计物理和计算机科学在对付这些难题中都起了关键的作用,我认为,其中非平衡态统计物理特别重要,迄今还远远没有成熟,发展不够。上述还需要进行大量的艰苦工作。 最后,我阅读到 《 Science 》上 复杂系统与网络 专辑的最后一篇文章是, Harold D. Kim 等人的 转录调控回路:从字母表中预测数字。 说实在,我不懂这个课题,只是从中学习了一些知识,了解了国外该课题的进展概况。这里,我仅仅整理了有关内容,提供给还没有看到的朋友有个初步的了解。 首先, 基因组学的下一个前沿是如何系统地将基因组和细胞的功能部分集合成回路,从而把信号转换成细胞反应。这些回路包括信号转导,代谢和转录的通路。该方面工作的一个重要问题就是在给定细胞种类和一定条件下,如何预测每个基因的表达水平。该文重点讨论了调控回路,把反式调控因子和顺式序列决定因素作为调控回路的输入信息,把基因表达水平作为输出信息 。文中评述了以下工作:( 1 )对真核生物的基因调控作用的小尺度方法;小尺度方法注重在组成部分和连接已知的情况下研究回路中的调控作用。( 2 ) 大尺度:从单基因到全基因模型;比较小尺度方法,大尺度方法没那么精确,但是可被用于推断回路的成分和连接。( 3 )正调控作用的全基因重构:在全基因测序和描绘的研究工作已经大大促进了重构正调控作用方法的发展。 最近,科学家提出了一些更符合实际的热力学模型。例如,通过计算正调控序列上反调控因子的所有可能分布概率,并将它们对表达的贡献求和,预测了果蝇细胞分裂中的表达模式。核小体和反调控因子的序列偏好性已经被用来预测酵母的表达。然而,热力学模型还不能应用于基因组尺度上的度量, 评估模型在预测基因表达时成功与否的是一项具非常有挑战性的任务。理想情况下,大尺度模型不仅可以描述某一数据集,并且能够被检验推广到其它未知的数据。下一个重要目标就是创建标准的研究方法和数据集,这样我们可以对不同模型的表现进行公平比较。 DREAM 工程的目的就是通过给界内提出挑战以实现这一目标 。( 4 )发现方向:推断在基因组尺度上的反调控:单独的正调控输入并不能预测基因表达,因为动态的表达模式随着环境调控、细胞种类和细胞周期阶段而改变。 基因组尺度上的合并正反调控的模型下一个明显的研究方向是在不同条件下系统地同时度量和模拟反调控因子与正调控成分之间的关系。两个关键挑战是:如何在基因组尺度上对预测进行实验测试,如何将收集的实验结果合并起来。一个立即可行的研究方向是根据测试数据检验模型如何推广,另一个更雄心勃勃的目标是利用数据对模型进行反复提炼。 小尺度方法研究中的回路方法能否应用于研究高级组织中的详细基因和分子操控技术是一个巨大挑战。 ( 5 )小尺度和大尺度方法的联合:大部分研究还不能弥补这些方法之间的裂痕。最近研究强调联合两种方法的希望。 另一个主要进展的方向是将这些方法和时间序列实验(它进行动态基因调控作用的研究)相结合。最近的研究证明它具有发展潜力。一个具有里程碑意义的工作就是构造定义完善的一个子网络。 总之,该综述仅仅考虑了调控转录层次上的回路,这里的输入直接影响转录的正调控序列和反调控因子(例如,转录因子、核小体或染色质修饰),输出是转录水平。然而,这些回路是由许多其他相互作用成分构成的更大且更复杂的细胞网络的一部分。例如,仅仅是 RNA 本身就直接受编辑、化学修饰、 RNA 结合蛋白和其他非编码 RNA 的影响,这影响其降解的速率、是否能被翻译及蛋白质翻译的速率。更一般地,转录回路被紧紧耦合到信号、新陈代谢和定位系统中 ( 它们是复杂的三维细胞和机体的组织的一部分 ) 。复杂系统以这种方式处理信息和完成功能,并最终决定表达类型。
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关于《Science》上复杂系统与网络专辑的杂感(8)
Fangjinqin 2009-11-23 15:30
关于 《 Science 》上 复杂系统与网络专辑的杂感( 8 ) 方锦清 Frank Schweitzer1 等人在专辑上的文章 : 经济网络:新挑战。在评论之前,我们首先来了解一下, 2009 年 10 月12日瑞典皇家科学院 诺贝尔基金会 宣布,把 2009 年度诺贝尔经济学奖授予美国印第安纳州大学经济学教授埃莉诺奥斯特罗姆和加州大学伯克利分校经济学家奥利姆 E 威廉森,以表彰他们对经济管理行为的卓越分析,尤其是奥斯特罗姆对公共经济管理行为的贡献和威廉森对企业边界经济管理的分析。 据悉,原来学界大家都还以为与宏观经济有关的经济学家会获得今年的诺贝尔经济学奖。然而,有效市场假说因为 2007-2009 的金融危机,正面临空前的质疑。结果, 2009 年的诺贝尔经济学奖授予了与制度经济学发展紧密相关的研究。一个是研究共有资源( Common Resource )的政治学出身的 Elinor Ostrom ,一个是研究企业制度的 Oliver Williamson ,都与经济危机和宏观经济无关。 Ostrom 是获得经济学奖的第一个女性,圆了英国的 Joan Robinson 夫人生前不能获得诺贝尔奖的遗憾,她是政治学系。而 Oliver Williamson 是科斯( Ronald Coase )在 1991 年获诺贝尔奖时提到的三位对企业理论有贡献的经济学家之一。如今他再次以对企业理论的贡献获奖。 中国的经济学界对 Elinor Ostrom 早有所了解,并不陌生。 据报道,北大周其仁讲的经济史与企业制度课上就有她写的关于集体行动的案例研究。还有专门一节课讨论她的文章,探讨避免公共资源搭便车问题的实际制度安排。她 1990 年的书, Governing the Commons: The Evolutionof Institutions for Collective Action 也早已翻译为中文。 Elinor Ostrom 通过对现实安排的深入观察,得出与一般理论推导出不同的结果,由此对传统看法提出挑战。 她深入调查过洛杉矶的水资源协会,印第安纳的警察局,以及尼泊尔的灌溉系统。通过对鱼类种群,牧场,森林,湖泊和地下水盆地等资源管理的研究, 发现这些公共资源可以通过使用者的合作机制,得到有效利用;并非如传统认为的公地悲剧一样被过度开发和浪费,而不得不借助私有化或者集中管制。合作是她观察中得到的主题。这个结果与日前普遍猜测的获奖热门之一的瑞士经济学家 Ernst Fehr 的研究有相通之处。 Fehr 通过经济学的实验, 发现人们并非一味的以自己利益为出发点,在交流的开始总是首先尝试合作的可能。合作博弈,可能比以私利计算出发的非合作博弈,更能解释实际的集体行为。 ( 来自 : 中国经济学教育科研网 (http://www.cenet.org.cn) 详细内容清查看: http://www.cenet.org.cn/article.asp?articleid=38899 ) 请大家仔细看: Elinor Ostrom 上述研究思想和科研成果,我觉得,她涉及的研究课题与复杂网络颇有关联,与我上篇杂感( 7 )提到的研究方向比较接近,有利于进一步从经济 - 生态网络联合系统来探索社会经济发展问题,经济网络与生态网络有一个共同点,它们本身就存在着内在的联系和相互作用。 正如在 经济网络:新挑战文章中指出的: 当前的经济危机说明对经济网络的结构和动力学进行全新的、基础性的解释是非常必要的。现有的经济体系越来越多的在相互依赖的基础上,通过跨国借贷、投资网络、贸易关系或供应链进行实施,而这方式很难进行预测和管理。因此, 我们需要建立经济理论的新范式,这种范式应强调经济网络系统的复杂性,并且能够对其进行修改和扩展。通过进一步健全经济网络,会为科学家或政策制定者制定政策带来方便。比如制定政策减少个人兴趣和全球效率之间的冲突,以及如何制定政策减少全球性失败风险 , 等等。 经济系统和其它复杂系统一样,反映了大量不同的个体之间的动态相互作用,而不是只反映几个关键的个体。总的来看,经济系统最终的行为通常是不能预测的,正如目前的经济危机一样,不能用几个主要个体的失败来进行解释。 因此,我们需要更基本的洞察系统的动力学,以及他们究竟是怎样追述到基本相互作用网络( interaction network )的结构特征的。 文章强调:经济网络的研究工作需要从两个方面入手,一个是从经济和社会关系角度入手,另一个是应用物理学和计算机科学中研究复杂系统与网络的方法。不论哪个做法都与我们有一定关系。 在上述两个观点中,节点都表示不同的可分辨的个体,它可以用来表示公司、银行或者国家。而不同节点之间的连线表示它们之间的相互合作,比如贸易、所有权、研发结盟、或者是债务信用关系。 这些思想和基本考虑与我们探讨过的多层次的高科技网络极为相似,我们是把一些经济指标称为不同属性,根据不同属性在一定关系下来加权方式和强度。在相同条件下不同的个体也许有不同的行为,并且有策略上的相互作用( Science 325 24 2009 422 424. ) 。这些相互作用的演化可以用网络动力学来表示,它受时间和空间的约束,并能够随着环境改变,也能够同个体共同演化。网络的形成和演化是通过增加或是删除个体和个体间连接来实现的。 目前,社会经济学着重研究相对简单的网络结构(或者是互惠类型( reciprocallyshapes ))是怎样影响作用个体的决策行为。一个典型的例子就是星形网络。 在这样非常集中的组织中,最主要的 hub 中心与所有的个体间都存在一条通路。 研究观点有微观和宏观两种。 从微观的角度出发,应该将系统分解,细致地研究网络内部的联系。相比之下,对于大规模的系统而言,则采用一种宏观的观点,这种观点致力于研究将网络作为一个整体的统计规律。这两种方法都有其自身的优势和劣势。微观观点的研究归根于对网络结构和个体行为的过于简单假设。 在最新的微观方法中,人们通常把经济网络看作是个体间相互合作、竞争的网络博弈。对经济网络的微观分析有赖于博弈规则理论,这些理论以等同于纳什均衡为目标(即,在没有个体有偏离动机的情况下,这种均衡具有战略性稳定的意义)。经济网络的微观分析也可以依赖于对运筹学方面的研究,在这个领域里运算法则的寻找和优化被进一步发展。 然而,由于节点的数量和可能的连接在成倍增长,一些问题变得非常难以解决,经典分析法不再适用。 以前博弈论方面的文献特别强调内在动机和社会经济网络诱导行为的关键作用。然而,这种微观的方法还没有特意与能够识别复杂系统的效力的宏观方法结合。如果没有这些信息,我们不能充分理解一些重要的问题, 比如个人喜好和总体福利间的矛盾,或者他们对网络性能整体效益的影响。 文章说: 经济网络上观察到的统计规律无法复现以往研究方法的结果,而这一点恰恰证明了我们提出的这种复杂系统方法可能会对大尺度网络提供一些预测的观点。 这些预测由对随机规则的实验产生,这些规则考虑到个体除了某些随机性外的典型特征,并且影响连边的形成,例如用节点的连通度(连边的数量)或他们的中心度度量节点的重要性,这个结点反过来又会被它对其它节点的连边影响。然而,复杂系统方法假定规则是源于外部的,并且不能明确地预测出这些规则是如何有可能以个体经济动因为基础的。因此, 不同于理解单个个体的内在行为,复杂系统方法着重理解网络形成规则是如何系统地影响其连接结构。网络产生于不同的随机性运算法则,比如随机的,无标度或小世界网络,都可以用来与现实的复杂网络相比较。 在复杂网络中,连接不是二元的(现有的或者非现有的),而是根据当下的经济交易进行加权。例如,在世界主要非银行金融机构的网络中就是如此。此外,连接也表示贸易量,投资资本量等等,并且 他们的权重是随着时间的推移而变化的。我们考虑不同层次上的网络。 例如直接与非直接的连边,加权或非加权的边,这有助于阐明其拓扑性质的演化。 网络科学方法也能提供一个强有力的途径去管理、监督和控制复杂经济系统。 经济网络属性允许依赖时间,我们将能够摆脱单次快拍数据逼近。这将允许研究人员通过合作补充信息的来源来鉴定网络的进化途径。这种假定的一个很好的实例就是人类应用生物学领域里的研发网络,该网络遵从一个可预测的生命周期,该周期与知识的交换和合作的时机有关。 总之,他们期望一个富有挑战性的经济网络研究提到议事日程,该课题能够尽力捕捉到个体行为与及其内部动力学的相互作用.为了实现有效分析,需要分析大量数据进行实证研究来洞察经济网络的特点和规律。同时,需要形成一种理论能够涵盖经济个体及其相互作用的合理描述;需要从一个系统性的角度去理解这个全球性的效应是来自于经济网络相互作用的变化。预测这样的研究将创造更加统一的经济网络,将提高对客观社会经济的认识,并推动进一步研究。尽管目前还远不如人意,也还没有将许多因素统一起来,但目前的研究发展趋势却展示了一个良好的开端。 我相信:上述网络科学在社会经济领域的研究课题(方向)也为我国经济领域与网络科学交叉研究的学者提供了大有作为的天地。 最近,我收到通知参加 2010中国经济形势解析高层报告会,希望能够探讨解决我国/国际上金融危机的途径,届时将拭目以待.
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关于《Science》上复杂系统与网络专辑的杂感(7)
Fangjinqin 2009-11-22 22:00
关于 《 Science 》上 复杂系统与网络专辑的杂感( 7 ) 方锦清 发表在《科学》杂志的文章有一个共同特色,这个专辑也不例外,深入浅出和 通俗易懂地介绍了 利用网络科学各课题的概况和主线,起到了很好的科普作用,这给我很深刻的印象,也使广大读者受益匪浅。 专辑中 Jordi Bascompte 写的 解开生命之网 ( , Science 325 , 416 (2009) 文章,就比较通俗地介绍生物多样性问题及 网络在生态学方面的应用研究情况,对于我外行起到了普及知识的效果,颇有收获。 专辑中还有一篇文章是与上述密切相关的课题,题为 分析社会生态系统持续性的普适性框架 ( 作者: Elinor Ostrom ) , 它涉及 在全球范围内存在着一个重大问题:渔场,森林和水资源的潜在损失, 以及巨大的气候变化。也很值得一读。迄今,看来我国还没有人去探索生态网络问题。其实这些课题是很重要的,关系到人类自身与动植世界的和谐共存问题 。在这个杂感( 7 )里,我主要介绍前一篇文章,后一篇稍微点评一下,以引起我国有关人员的注意,希望详细了解的读者自己仔细去看原文。 对物种间相互作用的复杂网络描述和达尔文对纠缠的河岸 (tangled bank) 的想法一样古老问题,这说明网络在生态学的研究中是十分重要性的。 尽管如此,国际上复杂网络也只是最近才被纳入主流的生态学领域。 因此,我在这里就多引用一些文章的描述,作稍微详细的介绍,以引起没有读到专辑的生态领域学者的了解 。 文章有重要一句话: 生命之网是一种概括各元素间生态学连接的有力表示。 ,通过这样研究可以把生态网络跟蛋白质相互作用网络或因特网集团结构的连通性相比较。因为过去 对生物多样性的研究通常只集中于物种的丰富程度,但忽略了物种间的相互作用。现有的研究或事先假定物种间的相互作用为均匀分布或一次只考虑两个或几个物种间的相互作用。因此,与以往的研究相对照, 基于网络的研究方法提供了一个能够描述对于物种间相互作用并且强调它们的整体相互依赖性的有效表示方法。为了应对生态系统的整体变化,如何将对成对的相互作用的理解扩展到系统整体的关联仍然是一个需要解决的重大挑战。 基于网络的生态学研究强调物种间的相互作用模式,而并非识别构成群落的物种(相互作用网络节点)。 网络方法得益于从其它领域( 如物理和社会学的概念和方法。) 生命之网 (Web of life) 模型描绘了物种的全局相互依赖性,对忽略物种相互作用或假设相互作用均匀分布于物种的生态学理论做了必要的补充。 。对不同类型系统来说,建立一个可以相互比较的框架是非常有益的,因为这表明这些网络的形成存在一个共同的机制。并且,这些研究工作有助于对寻找共同的结构特性,以及解决具有干扰的稳定性问题。 该文首先讨论了生物多样性的结构,说明食物链网络是生态学的核心,它通过构建一个群落中物种间的捕食作用链接来描述和量化生态系统的复杂性。 其中,大的网络由小的模体( motif )组合而成。对食物链网络中的模体分析包含了量化的信息,如相互作用的强度及掠食者和被食者的体重指数之间的比例,等等。最近生态学家研究捕食 - 被捕食之外的共生相互作用,比如在植物和它们的授粉动物或种子传播者之间的关系。这种相互作用对促进和保持地球上的生物多样性及把群落集中于一个共生依赖网络起到了重要的作用。文章指出:共生网络具有四个特点:异质的、巢状的、物种间弱的连接和不对称的联结,在此基础上,认识到共生网络既非随机组织的,又非隔离组织的,而是聚集于一个具有广泛联系的核心物种的周围。几组物种在时间和空间中共同演化,网络方法的促进这种现象的研究。如果这几组物种及其相互作用在网络中重复出现,它们就可以被当作模体。这时,它们就作为基本的模块被扩展到整个网络。这些模体通常会以一种可以预测的方式在生态系统中变化和发展,因此,科学家提出了共同演化的地理镶嵌体的概念( geographic mosaic )。 其次 文章讨论了结构影响鲁棒性。 缺少对生态网络结构的理解,就无法触及网络在受到物种灭绝、栖息地丧失或其它人为影响时的鲁棒性问题。这种网络模型已经能够预期物种的随机灭绝会导致相继的其它物种灭绝,这是由食物源的缺失造成的。在这些模拟中,研究人员发现食物链网络对于物种的随机灭绝是鲁棒的,但这种情况下的鲁棒性依赖于几个少数互相联结的物种的作用把整个网络粘在一起。如果这些关键物种消失了,那么可以预见到整个网络会很快崩溃。这些仿真针对的是物种的数量而非他们的类型。接下来的工作是将植物和动物也置于网络相互作用中。 文章提到了系统生态的相关性问题 ( 例如,具有相同基因的物种 ) 部分地解释了物种间的相互作用模式。科学家提出了两种方法研究种群动力学,第一种用假定物种不具有动力学的固定节点,并利用拓扑的方法仿真物种灭绝的后果。另一种方法赋予每个物种一个种群动力学模型。一般来说,动力学方法已经运用了最基本的捕食相互作用的描述,例如一个 3- 捕食食物链,这些基本的对食性相互作用的描述 ( 即理论家熟知的捕食模式 ) 在一个简单的成对相互作用和复杂的整体群落之间建立了沟通的的桥梁。但是需要增加对整个食物网络的稳定性理解的研究。最近,生态学家分析了大型食物链网络模型,其中有两种要素刻画了这些模型。第一种:研究者在占据多个捕食级别中的许多物种中加入了现实的相互作用网络。第二种:他们用对物种身体尺寸和新陈代谢率的现实估计,这和随机赋参数值的 Lotka-Volterra 模型形成对照。利用这些模型,科学家们研究了网络特征的稳定性作用。未来的研究有希望能够解释在哪程度上整个网络的稳定性能够被它的基本单元所决定。 文章讨论了结构影响网络规模。 网络结构不仅会影响一个网络的鲁棒性(在何种程度生物多样性会消失),而且会影响它原来的规模(一开始有多少物种可以存在)。测试竞争与共生相互作用在决定可以稳定存在的( Science 325 , 416 , 2009) 最大物种数的扩展理论表明物种丰富度的潜在增长来自于共生的网络结构。对于任何相互作用数,共生网络的巢状结构能最大化共生的物种数。 作者认为:合理地研究网络结构与功能的关系面临着三个挑战。 首先,需要发展新模型,需要提出既包含种群动力学怎样影响网络拓扑又包括拓扑如何影响动力学的模型。其次,对网络的分析需要包含多元相互作用类型,因为稳定性很可能与多元相互作用类型在组合中起到的作用有联系。如果共生和对抗效应是非叠加的,这种研究就尤其是相关的,因为直到目前为止,网络研究主要是独立开展的。第三,物种入侵、气候变化和其他当前对生态和环境的挑战。 文章还指出:还需要考虑超越物种的相互作用。 网络在生态学中的应用并非局限于物种相互作用,而是能够应用于穿越复杂地貌( landscape )的族群迁移。网络可能是复杂地貌的一个简化表示,即使参数化的数据无法得到。这些网络的拓扑结构提供了单独地块的对整个地域联通性的相对重要的信息。此外,这种方法可用于可视化或分析基因变量在空间中的网络。 我还需要特别指出: 专辑中另有一篇文章是与上述密切相关的课题,题为 分析社会生态系统持续性的普适性框架 ( 作者: Elinor Ostrom ) , 它涉及 在全球范围内存在着一个重大问题: 渔场,森林和水资源的潜在损失, 以及巨大的气候变化。所有人类使用的资源都包含在复杂的社会生态系统中。社会生态系统由许多子系统以及这些子系统的内部变量组成 。人们对导致自然资源改善、恶化的原因的理解是有限的,因为各个学科使用不同的概念和语言来描述和解释复杂的社会生态系统。如果没有一个共同的框架来组织人们的发现,分散的知识将不会被积累。直到最近,普遍接受的理论是:资源的使用者永远不会自组织地维护他们的资源,政府必须采取相应措施。然而,很多学科的研究发现一些政府的政策会加速资源的破坏,反而一些资源的使用者为了达到资源的可持续性会花费时间和精力。文章介绍他们使用一个普适性的框架来鉴定十个影响自组织可能性的变量。 人类需要科学知识来维护社会生态系统,但是生态科学和社会科学是独立发展的,不易结合起来。在诊断为什么一些社会生态系统是持久的,而另一些会崩溃时存在着一个核心的挑战:需要确认和分析这些复杂系统在不同的时空尺度上各个层次之间的关系。完全理解一个复杂系统需要了解具体的变量以及它们的组成部分是如何联系的。因此, 我们必须学习如何研究和利用复杂性,而不是把它从这些系统中消除。因为不同的学科运用不同的框架、理论和模型来分析这个复杂的多层次整体的各自部分,因此,这个过程是非常复杂的,需要一个共同的分类框架使各个学科朝着更好地理解社会生态系统方向努力。文章展现一个最新的多层次嵌套的框架来分析在社会生态系统中取得的成果。在这个框架里,显示了四个一级核心子系统之间的关系。这些子系统除了之间会互相影响,还会和与其相连的社会、经济、政治环境以及相关的生态系统相互影响。这些子系统是 ( i )资源系统 ; ( ii )资源元素 ; ( iii )管理系统 ; ( iv )用户 。每个核心子系统是由多个二级变量组成的(例如,资源的大小、资源元素的移动性、管理级别、用户的资源知识),这些二级变量进一步由更高级别的变量组成。 这个框架有助于识别单个社会生态系统的相关变量, 如果没有一个框架组织在理论和实证研究中识别的相关变量,那么由生物物理学家和社会科学家从不同的国家的不同的资源系统中获得的离散的知识就不可能被积累。提供一套相关变量及其子系统的研究框架很有意义的。这些变量及其子系统可以用来设计数据收集器,进行实地作业,以及分析关于社会生态系统持续性的研究。它有助于确定一些影响某些特殊政策的因素。这些特殊政策只会增强某种类型和大小的资源系统而不会增强其他系统的持续性。许多实证研究中已经确认的会影响相互作用和结果的二级变量。选择相关的二级或更高级别的变量来做分析取决于正在研究的特殊问题、社会生态系统的类型、以及时空尺度。 为了说明社会生态系统框架的用处,他们关注这样一个问题:什么时候一个资源的使用者会花费时间和精力去防止重蹈覆辙? 文章的详细讨论请看原文。 从前文可从得到主要结论是, 网络是一种有用的生态系统描述方法,它能够表示多个单元间相互作用的组成。网络方法在生态系统中的应用提供了一个概念性的框架来了解在群落层级的干扰的影响。这是面临全球环境变化下,生态学朝着更复预见性迈进的第一步。网络同样能够在以前的均匀族群、疾病和社会中引入异质性。因此,网络使得我们找到看似不同的体系间的一般性,即尽管本性不同,他们会有相似的形成过程,或者相似的力作用于它们的结构来实现其功能。 目前仅仅刚开始理解环境改变怎样影响物种相互作用以及生态系统动力学,通过分析简单的成对的相互作用,网络能够提供一个方法来处理一些问题方式方法。可以预见,未来将会出现更加准确地预测对食物网络的干扰反应的的模型,这正是当今生态学家面对的主要挑战( Science 325 , 416 , 2009) 。 鉴于我国同样面临严峻的挑战,我希望,在不久的将来,我国相关的研究人员也能够进入这个重要的领域,与国际开展合作和竞争,相信早日能与其他网络课题研究并驾齐驱!
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关于《Scinece》上复杂系统与网络专辑的杂感(6)
Fangjinqin 2009-11-21 18:51
关于 《 Science 》上 复杂系统与网络专辑的杂感( 6 ) 方锦清 网络科学分析虽然为我们提供了一个重要的研究平台和有力武器,有助于我们应对重大社会的和多方面的挑战,但是网络科学的研究成果与任何事物一样具有两面性。它既可以造福人类,又可以祸害人类。需要我们密切关注和应对。 我联想到世界二战投在日本的二颗原子弹造成人类的空前悲局。 1945 年 8 月 6 日 美国 B - 29 轰炸机埃诺拉盖伊号在广岛投下一枚代号小男孩的原子弹,造成死亡 14 万人。 1945 年 8 月 9 日 :第二颗代号胖子的原子弹在长崎爆炸,造成约 8 万人死亡。负责运送原子弹的印第安纳波利斯号巡洋舰的舰长在战后得知自己运送了原子弹,同时也了解到原子弹的破坏力,虽然在别人眼里是英雄,但是他自己并不这么认为,最终由于无法忍受自己的罪恶,而在家中开枪自尽!负责曼哈顿工程(建立洛斯阿拉莫斯(武器)实验室)的美国原子弹之父奥本海默也因此类似的主因而自杀! 可见:当年,曼哈顿工程虽然是一项人类伟大的创举,它开创了科学、军事和工业的三位一体的大科学典范,它是一个具有领导统一、组织严密、分工明确、高效协调的复杂网络,提供了原子弹成功研制保证。但是它同时也是一个生命、死亡和战争的疯狂竞赛。曼哈顿工程揭开了原子能的神奇之谜,也第一次把最具破坏力的武器原子弹赋予了人类。 专辑上有一篇调查网络科学:它的黑暗面(作者 JOHN BOHANNON ),该文章最重要贡献是 :揭开了网络分析的黑暗面, 揭露了美国军方利用网络分析犯下的罪行,文章 直截了当地指出:美国 国家安全局对从 e-mail 和电话通话中获得的海量信息数据库进行挖掘。 这种做法并不关心一个被拘留者是否是无辜的。伊利诺斯州埃文斯顿西北大学的一名网络科学家 Brian Uzzi 指出: 所有强有力的(网络分析)方法都伴随一个黑暗面的增长。它们的力量最终会被不负责任地使用。我认为在这里最让我恐惧的事情是,一个以发现新见解著称的方法被错误地使用了。 一位前美国官员声称在伊拉克和阿富汗无辜的平民被盘问,以便获取建立恐怖分子网络模型所需要的信息。 据推测:被关押在伊拉克和阿富汗的人数为 5 万人。许多人并不相信在阿富汗和伊拉克竟有他说的那么大规模的使用。事实却是如此,这是多么 令人可怕的情形!事实充分说明网络科学的分析方法被美国军方不恰当地应用于反恐方面,并被不负责任地错误地扩大化到无辜的广大普通民众生活。这就是目前网络科学应用出现的一个黑暗面! 这个反面教训是非常深刻的。应该引起全世界的网络工作者的警惕和重视! 其实,现在我更担心是,未来网络中心战可能会产生相当严重的不可预测性。可能产生比原子弹更大的爆炸威力和更严重后果。让我们拭目以待。 我认为,现代网络科学也必须接受 曼哈顿(原子弹)工程 的历史深刻教训,对于反恐网络分析,特别是网络中心战,不应被各国军方不负责任地扩大化。 任何负责任的国家和国防部门都要认真研究应对这种可能发生的方法、策略和措施等长远之计。对此, 今后全世界的网络工作者应该引起高度的警惕和关切!绝不能让历史的悲剧重演! 杂感( 6 )下半部分,我想就专辑中与上述相关的 另一篇文章是重谈复杂网络分析的基础( Carter T. Butts , Science , Vol. 325 , 414 (2009) )谈点看法。 该文也提醒我们: 网络分析方法已经成为研究人际关系、神经元连接、因特网结构等等各种问题的有效方法。然而,要正确地应用网络分析方法,依赖于为所研究的问题选择合适的网络表达方式。在过去的十年里,人们对网络的研究兴趣得到了迅速的增长,作为一种对关系结构进行描述、测量、建模的形式化方法,网络分析方法的应用为这些新兴领域(包括物理、生物和医学)的发展铺平了道路。 另一方面,如此快速的发展也产生了曲解或者滥用现有的研究方法的风险,导致不适当的研究结论或者较差的结果。 文中提出问题:在选择网络表述的时侯,有哪些因素必须考虑在内?一旦我们进行了不恰当的选择,将会产生什么样的后果呢?何时节点可称之为节点?一个基本的问题是,如何定义与研究兴趣相关的可区分的实体类。 当然,能划分这么一个类的前提是,默认这样的类是可以被定义的(并且,这样做是科学有效的)。文中列举了一些建模和实证的例子来说明上述问题,并进一步讨论了时间尺度以及网络演化进程。若对动力学过程认识错误,就会得到非常错误的结论。什么情况下采用静态网络描述会带来偏差?一个实例就是艾滋病的传播过程。这些介绍都值得一看,有很好的参考价值。 总之,我同意这样的结论:应用网络来描述实证现象只是一个理论上的处理方式方法问题。它要求人们对存在哪些相互作用的个体、相互作用的形式和发生的时间尺度进行恰当的假设。这些假设并不是可以随意进行的,实际上人们很可能会在这里犯错,因此必须非常小心谨慎处理。任何网络概不例外,不管是研究蛋白质相互作用,性关系网络或计算机系统,要想得到正确的符合实际的结果,最关键的就是选择好合适的表述方式和合理地利用所获得的尽可能完善的数据。 因此,网络科学的理论方法必须与实际紧密相结合,并受到实际的反复检验,不断完善,推陈出新,才能进一步得到健康发展,走向正确的道路,实现科学的辉煌,真正能够 造福于人类文明 。
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关于《Scinece》上复杂系统与网络专辑的杂感(4)(附照片)
Fangjinqin 2009-11-20 09:13
关于 《 Scinece 》上 复杂系统与网络专辑的杂感( 4 ) 方锦清 这二天我去参加在 11 月 18 日 至 20 日在北京国家会议中心召开的中国核学会 2009 年学术年会,会议主题是:创新核科学技术发展的不竭源泉.会议规模之大是少见的,包括44位院士在内的来自我国核工业、核基础科学、核应用技术等领域的知名专家、教授及一线青年核科技工作者近1100人围绕核科学技术创新和核技术产业可持续发展等话题进行学术交流和研讨。这是一次我国核科学技术领域的老中青的空前盛会,座无虚席,还有许多人在后面站着,十分爆满,热闹非凡。整个会议学术气氛浓厚。有 3位 院士作大会邀请报告,其余的院士在会议的11个分会作报告(例如,陈佳洱和方守贤等)和4区张贴报告.本届年会前期共征集1706篇论文,将最终评选出优秀学术论文一、二、三等奖和青年优秀科技论文奖.我也在分会报告了核科技领域的复杂网络研究进展与应用前景.顺便提一下,我这篇综述文即将发表在今年出版的原子能科学技术杂志为纪念创刊5 0 周年的专辑上。 因为参加上述盛会,因此, 关于 《 Scinece 》上 复杂系统与网络专辑的 杂感( 4 ),才拖延到今天来写 。 这次杂感( 4 ),我想在这里说的是,对反恐怖分子网络 以及其他复杂网络研究中存在问题的一些个人看法。 根据无标度网络的特性,只要把处于网络中心的恐怖首领抓到,并消灭掉了,就以为能够使恐怖分子网络崩溃掉。只可惜,美国前总统布什大喊大叫,巨资投入,反恐了几年,结果一事无成,根本没有抓到本 . 拉丁,反而把美国拖入经济危机,并蔓延导致了世界经济危机,连阿富汗和伊拉克的目前局势都不太稳定。这些充分说明反恐形势非常严峻啊。 那么,从复杂网络角度来考察恐怖分子网络,究竟有什么问题?从这个专辑似乎看到一点端倪。 十年前,大部分的社会网络研究都是纯理论和学术性的。但在 9.11 事件以后,在如何应用这些研究到战争问题上爆发了一阵兴趣. Science 上介绍了目前反恐怖分子网络的研究情况。 目前反恐怖主义网络和其他网络分析普遍存在的问题(缺陷),我认为,归纳起来有四点:一是网络数理理论不全面,灵活性和包融性不够,大多数只是建构静态网络,并不符合瞬息多变的实际情况;二是缺乏随时空不断改变的复杂动态统计网络理论,特别是涉及非平衡理论方法;三是缺乏能够与社会学等结合理论方法,难以更深入地理解更深层次的机制问题;四是缺乏消除各种因素引起的噪音的手段和方法。 值得注意的是:新提出的所谓动态元网络分析技术, Carley 和 McCulloh 认为他们提出 的模型可以处理随时间变化的恐怖分子网络。元网络分析的内容包括人物,时间,性质,地点,原因。通过掌握这些层面,他(她)们已经编了计算机程序。据说元网络开始在文化层面上有所收获,并超越通信网络去考虑日常规范、态度和信念等,以及角色性别、年龄和群体的分布。这个程序试图去做超过一般社会网络分析的事情。 虽然 McCulloh 声称这个技术已经产生了异常的效果,使发生在伊拉克的狙击活动下降了 70% 。不过,连 Sageman 都 很怀疑在伊拉克的军事进步归结为网络分析,他说我根本不相信(元网络分析)已经提供了有效的帮助。即便不是所有的研究者都在反恐中接受了网络分析技术,美国军方还是已经于 2 年前在美国马里兰州的 Aberdeen 建立了一个网络科学研究中心,说明美国是多么重视深入开展网络科学与应用的研究。 另一个引我注意的消息是,欧盟委员会近期已经对该领域将来四年的研究工作投入了两百亿欧元, 据此,他们认为,复杂系统的研究在欧洲发展是最快的,好象美国则面临着更为困难的基金问题。 分析上述说法,我觉得情况并非如此。 我们 看到,实际上美国一开始就最高度重视网络科学与应用的研究。 2009 年 9 月由美国麻省理工大学等十所著名大学联合组成了美国网络科学与工程委员会,该委员会提出了一个专题报告:网络科学与工程的研究 议事 日程,报告空前强调美国今后加强网络科学与工程应用研究的重大意义和研究方向,并要求政府必须加大研究经费的投入力度。为此,委员会向美国政府的基金机构推荐必须大力支持研究的四大方面:未来互联网技术的实验研究工作;重建和扩大实验室规模、改善实验方法与技术,加大奖励制度以促进网络工作者发挥重大作用;大力培养和支持网络工程设计有关的科技活动,并包括理论计算机科学、网络科学新课题和其他相关的理论课题的研究;支持更广泛的交叉科学研究活动,以便深刻理解和设计未来的各种网络(包括互联网在内)等。 今年美国军事研究实验室已经斥资 1.62 亿美元在一个新项目网络科学与技术联盟上,让学术、产业和军事研究人员在网络中心战上一条龙工作。因此,我认为, 特别是考虑到美国国防部空前重视网络中心战,把它看成比美国原子弹工程和阿波罗登月两大计划还重要的国家创新任务。最近美国总统奥地巴马提出要成立网络司令部,美国国防部在积极筹划中,种种迹象表明,美国不论是民间、政府,还是军方,都可以说比任何国家都要加紧科学网络与应用的研究,因此,我们怎么能相信欧洲超过了美国?这只能说明美国格外强调开展这个领域研究的紧迫感和国际竞争态势,以更大促进美国的研究工作。 不论怎么样,上述只是反映了国外的情况。 我们更关心的是,我国也该是把网络科学与工程(应用)提到议事日程时候了!最近听说,复杂系统与复杂网络已经被列入我国十二五计划,这对于我们确实是个好消息。希望国家有关部门尽快抓紧落实和实施这个网络科学任务,使我国在国际这个领域竞争中能够与他们并驾齐驱,为建设创新型国家作出贡献。 左边第二位是高能所方守贤院士
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复杂系统与网络
rbwxy197301 2009-8-1 07:37
《科学》推出复杂系统与网络专题 7月24日出版的《科学》杂志刊登专题《复杂系统与网络》(Complex Systems and Networks),专题导言《关联》(Connections)开篇引用马丁路德金的名言我们被困在无法逃避的相互关系网络中,任何事情,如果直接地影响了一个人,就会间接地影响所有人。 导言说,混乱产生复杂性。从细胞内的分子运动到整个星球间的通讯,我们是网络的一部分。这一特殊的部分显示了科学家正如何在各学科领域间将网络分析推向极限。 专题包括1篇导言,4篇新闻,6篇观察(Perspectives)和1篇评论(Reviews)。 (科学网 梅进/编译) 以上资料转自: http://www.sciencenet.cn/htmlnews/2009/7/221811.shtm Complex Systems and Networks Connections Barbara R. Jasny, Laura M. Zahn, and Eliot Marshall Science 24 July 2009: 405. News: Ourselves and Our Interactions: The Ultimate Physics Problem? Adrian Cho With 3.6 million of support from the European Union, a research team aims to develop a computer program that can analyze dialogue from Internet chat rooms and tell when people are growing excited, angry, and so on. The team is part of a small but growing number of physicists who are turning from atoms and electrons to study social phenomena such as terrorism, the growth of cities, and the popularity of Internet videos. Joining with social scientists, they treat groups of people as complex socioeconomic systems of many interacting individuals and analyze them using conceptual tools borrowed from physics, mathematics, and computer science. Last month, 130 researchers of various stripes gathered in Zurich, Switzerland, to discuss such work. Econophysics: Still Controversial After All These Years Adrian Cho Traditional economic theory is fundamentally flawed, econophysicists say. It relies on representative agent models in which a hypothetical average Joe interacts with monolithic economic forces. Such models ignore correlations that lead to, say, booms and busts. To prove rigorous theorems, economists assume that market fluctuations follow a bell-shaped Gaussian distribution, which underestimates the probability of big swings. Econophysicists claim to take a more data-driven approach. They have yet to score a major breakthrough, but they say their contributions are gaining wider acceptance. Still, econophysics does not impress some economists. Counterterrorism's New Tool: Metanetwork Analysis John Bohannon A decade ago, most research on social networks was abstract and academic. But in the wake of the 11 September 2001 attacks, interest in applying this research to warfare exploded. Many companies are now vying for a piece of the military funding. Academic network scientists are also diving in, competing for lucrative U.S. military contracts and grants. In spite of the boom, there is sharp disagreement about how effective social network analysis has been for counterterrorism. Some worry that in the rush to catch terrorists, the U.S. military has put too much faith in social network analysis. One former U.S. official even claims that applying these methods in war zones has led to unethical practices. Investigating Networks: The Dark Side John Bohannon A few months ago, Lawrence Wilkerson, a former U.S. State Department official and Army colonel, painted a nightmare scenario of how social network science can be applied in a battle zone. Describing how U.S. forces gathered intelligence to identify networks of insurgents after the 2003 invasion of Iraq, Wilkerson outlined something he called the mosaic philosophy. The strategy, he claims, was similar to sequencing a genome. But instead of assembling millions of strands of DNA, investigators worked with data from interrogations of thousands of civilian prisoners. The general strategy of casting a wide net for intelligence gathering was familiar to all network researchers contacted by Science (see main text), but many expressed disbelief that it was carried out on such a grand scale in Iraq and Afghanistan. Perspectives Scale-Free Networks: A Decade and Beyond Albert-Lszl Barabsi For decades, we tacitly assumed that the components of such complex systems as the cell, the society, or the Internet are randomly wired together. In the past decade, an avalanche of research has shown that many real networks, independent of their age, function, and scope, converge to similar architectures, a universality that allowed researchers from different disciplines to embrace network theory as a common paradigm. The decade-old discovery of scale-free networks was one of those events that had helped catalyze the emergence of network science, a new research field with its distinct set of challenges and accomplishments. Revisiting the Foundations of Network Analysis Carter T. Butts Network analysis has emerged as a powerful way of studying phenomena as diverse as interpersonal interaction, connections among neurons, and the structure of the Internet. Appropriate use of network analysis depends, however, on choosing the right network representation for the problem at hand. Disentangling the Web of Life Jordi Bascompte Biodiversity research typically focuses on species richness and has often neglected interactions, either by assuming that such interactions are homogeneously distributed or by addressing only the interactions between a pair of species or a few species at a time. In contrast, a network approach provides a powerful representation of the ecological interactions among species and highlights their global interdependence. Understanding how the responses of pairwise interactions scale to entire assemblages remains one of the great challenges that must be met as society faces global ecosystem change. A General Framework for Analyzing Sustainability of Social-Ecological Systems Elinor Ostrom1,2,* A major problem worldwide is the potential loss of fisheries, forests, and water resources. Understanding of the processes that lead to improvements in or deterioration of natural resources is limited, because scientific disciplines use different concepts and languages to describe and explain complex social-ecological systems (SESs). Without a common framework to organize findings, isolated knowledge does not cumulate. Until recently, accepted theory has assumed that resource users will never self-organize to maintain their resources and that governments must impose solutions. Research in multiple disciplines, however, has found that some government policies accelerate resource destruction, whereas some resource users have invested their time and energy to achieve sustainability. A general framework is used to identify 10 subsystem variables that affect the likelihood of self-organization in efforts to achieve a sustainable SES. Economic Networks: The New Challenges Frank Schweitzer,1,* Giorgio Fagiolo,2 Didier Sornette,1,3 Fernando Vega-Redondo,4,5 Alessandro Vespignani,6,7 Douglas R. White8 The current economic crisis illustrates a critical need for new and fundamental understanding of the structure and dynamics of economic networks. Economic systems are increasingly built on interdependencies, implemented through trans-national credit and investment networks, trade relations, or supply chains that have proven difficult to predict and control. We need, therefore, an approach that stresses the systemic complexity of economic networks and that can be used to revise and extend established paradigms in economic theory. This will facilitate the design of policies that reduce conflicts between individual interests and global efficiency, as well as reduce the risk of global failure by making economic networks more robust. Predicting the Behavior of Techno-Social Systems Alessandro Vespignani We live in an increasingly interconnected world of techno-social systems, in which infrastructures composed of different technological layers are interoperating within the social component that drives their use and development. Examples are provided by the Internet, the World Wide Web, WiFi communication technologies, and transportation and mobility infrastructures. The multiscale nature and complexity of these networks are crucial features in understanding and managing the networks. The accessibility of new data and the advances in the theory and modeling of complex networks are providing an integrated framework that brings us closer to achieving true predictive power of the behavior of techno-social systems. Review Transcriptional Regulatory Circuits: Predicting Numbers from Alphabets Transcriptional regulatory circuits govern how cis and trans factors transform signals into messenger RNA (mRNA) expression levels. With advances in quantitative and high-throughput technologies that allow measurement of gene expression state in different conditions, data that can be used to build and test models of transcriptional regulation is being generated at a rapid pace. Here, we review experimental and computational methods used to derive detailed quantitative circuit models on a small scale and cruder, genome-wide models on a large scale. We discuss the potential of combining small- and large-scale approaches to understand the working and wiring of transcriptional regulatory circuits. 以上资料摘自: http://www.sciencemag.org/content/vol325/issue5939/index.dtl
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