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北大教授“翻译”无声密语

大学作者：北京大学 2021-09-28 14:43:22

每当沙尘在春日里光临京城的时候，我们的目光便会被吸引到它的源头，蒙古高原和中国西北的荒漠。不过，如果以万年作为测量的刻度，我们便可以在时间长河中发现诸多难以置信的奇景：今日飞沙走石的不毛之地，也许曾经水草丰茂或是树木丛生。因为，尽管这些植物早已腐朽消失，它们的孢子和花粉却留下了植被曾经存在过的证据。

“翻译”植物无声的密语，是刘鸿雁教授的实验室中的日常。无论是需要在显微镜下观察的细小孢子和花粉，还是钻取树木得到的年轮标本，都如同独特的史书。纤毫之间的记录，见证着一段远远超过人类自然寿命的时间，还有真实发生过的沧海桑田。

今天，北大官微“不一样的科学家”栏目，将带大家走进北京大学城市与环境学院教授刘鸿雁的实验室，在斗室倾听花木的诉说，感受他的一花一世界。

巨匠学术精神塑造实验室的“气场”

“每位学生都需要为自己打造一个‘饭碗’，也就是掌握独立研究的方法。我心目中理想的实验室，便是能够为他们养成这样的能力保驾护航。”

逸夫贰楼外墙的瓷砖上，有岁月留下的斑驳痕迹。来到7楼，刘鸿雁教授实验室的木门引起了过往路人的注意。

推门而入，你会发现这扇其貌不扬的门，里面其实别有洞天。这个面积不大的房间，却有着远远超过一般办公室的层高，主人在其中同时安排实验室、办公室和书房的功能。

房间里最引人注目的家具，是进门之后右手边那座高大的转角书柜。它从地面一直通到天花板，覆盖了房间大约三分之一的墙壁。10多年前，刘鸿雁亲自设计了这座书柜，并请来经验丰富的木匠打制完成，以便最大限度地利用房间的高度，容纳他珍贵的藏书。

书柜正中偏下的“黄金分割点”，放着他2005年获选为“洪堡学者”，应邀前往德国研究的证书，上面殷红的封泥依旧崭新。在谢世100多年之后，亚历山大·冯·洪堡的精神，仿佛仍然盘桓在万里之外北京大学的这间斗室里。作为生物地理学的创始人，他在南美洲的山脉和寒冷的俄罗斯都留下了科学考察的足迹。丰富的素材储备，使他多年后写作巨著《宇宙》的时候能够游刃有余。

巨匠的学术生涯也深刻地塑造了刘鸿雁的实验室的“气场”，那就是坚信只有实地考察，亲手实验，掌握第一手的数据，方才有可能完成开创性的研究。

刘鸿雁书柜上的植物标本画作

刘鸿雁回忆说，“20世纪80年代后期，我在北京大学地理系（后来改成城市与环境学系）读书的时候，本科毕业论文就是通过计算机模拟的方式，来研究湖泊富营养化的趋势。当时，计算机的性能还很有限，程序输入后需要储存在磁带上，读取起来并不容易。我做的模拟表明，镜泊湖（位于黑龙江省）的富营养化趋势，在2000年的时候不太可能恶化，后来的事实也的确如此。但堰塞湖是一个相对封闭的系统，我的经验很难推广到开放的陆地植被的演化。所以，在获选成为‘洪堡学者’，得到德国洪堡基金会的资助之后，我的主要目标就是学习植被动态模型的经验。”

尽管计算机性能已经突飞猛进，但拥有出色的模型，仍然不代表可以忽略实地考察。刘鸿雁介绍说，在德国的科研机构里，研究团队的组会会有“阅读经典”的环节，也就是一起阅读和研讨历史上学界泰斗的著述，使现在的科研人员能够潜移默化地学习前辈的思维方式，领略他们在科学研究中的“活力”。

而今，在为学生们讲授生态学、植物地理学等学科发展的时候，刘鸿雁也常常会介绍国内外的学科先驱和他们的经历，使学生从前人提出概念和科研思路的过程中得到启发。

这是因为，获取第一手数据的过程，有助于让研究人员“知其所以然”，甚至收获新的科研方向的灵感。比如说，树木的年轮可以反映它们的生长速度和环境限制。随着全球变暖加剧，高温会使土壤变得干燥，水分不足令树木生长速度变缓。但在自然条件相似的地方，同样的树种可能会出现生长速度差异很大的情况。这是因为面积比较大的森林会拥有自己的“小气候”，有可能缓和土壤中水分的波动。如果研究人员没有亲临现场，而只是满足于其他人采集的标本甚至整理好的数据，便会对这样的差异难以索解，甚至将无关因素考虑进来，得出不准确的结论。

刘鸿雁在西伯利亚南部森林-草原过渡带采集树芯

“

不可否认，生态学在不断地发展。世界各地的同行们打造了大量形形色色的数据库。凭借它们，科研新人在有些情况下甚至不用做实验，只利用网络上的‘二手’数据，就可以发表科研论文。”刘鸿雁说，“但第一手的数据仍然是珍贵的。我要求学生不能只满足于‘二手’数据，而是要亲身前往野外考察，比如前往北京大学设在河北省塞罕坝林场的试验站采集样品。这样的野外采样和实验分析技能，和计算机上的模拟实验同样重要。简而言之，每位学生都需要为自己打造一个‘饭碗’，也就是掌握独立研究的方法。我心目中理想的实验室，便是能够为他们养成这样的能力保驾护航。

”

“有序”是实验室的精神底色

“对一些关键性样品的研究，学生尤其需要亲自动手，不能抱有送商业实验室‘走捷径’的想法，以免导致无法收拾的后果。”

无论是高效利用空间又保持有序的功力，还是对实验流程与细节的重视，都是刘鸿雁在德国的科研经历沉淀出来的“副产品”。刘鸿雁将德语“Ist alles in Ordnung？” 引为实验室的精神底色，告诫自己和学生不要抱有“走捷径”绕开复杂工作的想法。

在刘鸿雁的“多用途”实验室里，访客很容易感受到主人对“有序”的重视。极为有限的空间里，各个“功能区”和其中的物品，都得到了妥善的安排。

书柜对面整合了小书架的书桌上，摊开着一册开本足有半人高的蒙古国地图集。有一次出国参加学术会议的时候，他偶然发现了这本图册，为其中蕴含的丰富信息赞叹不已，就带回国仔细研究。

作为中国的邻国，蒙古国的生态环境和我们其实密切相关。蒙古高原上的植被演替，是展示地球气候变化的一扇窗口。不过，科学家们得以知晓它曾经的风貌，正是要归功于对无数细小花粉的细致分析。在植物死亡之后，其他的部分会很快腐朽消失；但孢子和花粉外壁的孢粉素，有着抵抗分解的特性，便成为记述植被曾经存在的证据。刘鸿雁和国内外同行合作，通过这些“拼图碎片”，描摹出了蒙古高原和周边旱区曾经的模样。

而在房间的另一边，一扇窗户两侧，两张实验桌上安放着计算机，还有几台不同年代的显微镜。正是通过这些设备，刘鸿雁和他的学生们才能够读出花粉和树木年轮承载的信息，它们是地球气候变化留在植物界中的印记。

一台1980年从日本购买的显微镜，曾经属于刘鸿雁的导师，在改革开放初期的中国是非常难得的“装备”。刘鸿雁亲手对它进行了“现代化改装”，用直接连接计算机的图像传输系统，取代了显微镜自带的黑白胶卷相机，使这台“祖传”显微镜可以在如今数码照片的时代“老当益壮”。

近几年从德国购买的显微镜和树木年轮量测系统，则拥有一定的“智能”。研究人员观察树木年轮标本的时候，只要用目镜中的十字丝对准树轮，点击鼠标，显微镜连着的计算机就会自动生成一条树木年轮宽度变化序列。

刘鸿雁与学生及合作者在内蒙古赛罕乌拉采集植物样品

一位即将开始研究生学习的女学生，正在显微镜前重新分析一些来自西伯利亚的树轮样品，因为周边地区的寒冷和干旱，看起来似乎没有在这些树轮上留下痕迹。这其实并不是一项简单的工作，因为树木年轮标本是用一种类似空心手钻的工具钻取而来，细长的条状标本在外行人看来如同管中窥豹。而自然条件的影响，让树木生长“不按牌理出牌”的例子不胜枚举：气候异常或者病虫害的干扰，令树木的生长在一年中“几起几落”，年轮中便可能出现“杂音”，也就是“假年轮”（一年中出现多个年轮）或者某一年年轮消失的现象，需要在观察的时候仔细分辨。

刘鸿雁深知，这些大自然的“密语”可以提供丰富的信息，但其中有着很多“陷阱”，稍有疏忽便可能谬之千里。

在获选成为“洪堡学者”之前，刘鸿雁曾在20世纪90年代前往德国汉诺威大学攻读博士学位，师从才华横溢的理查德·波特教授。这位卓越的科学家是研究气候变化和人类活动对植被和生物多样性影响的先驱，对学科的发展方向有着前瞻性的理解。

德国生态学界完成的另一项伟大工作，也让刘鸿雁惊叹不已。作为自然地理学和生态学的起源地，德国从20世纪20年代开始，就着手建设生态学研究的“基础设施”，将全国的生态数据纳入网格化管理的体系。一批批学者前往全国各地，对土壤养分和植被组成等数据进行测量，最终使人们可以迅速调阅任意一个区块的数据，为工程环评等事项提供参考。不同历史时期的调研数据，还可以让学者对某个地区的植被演替过程形成大致的判断。这种一目了然的生态信息数据库，是中国直到今天都没能完全做到的成就。

刘鸿雁与俄罗斯科学院合作者及学生在俄罗斯后贝加尔地区考察

井然有序的数据，建立在严谨认真的科研工作之上。刘鸿雁回忆说，在德国，实验室非常重视规范。科研流程管理会涉及诸多细节，比如样本的保存条件需要严格遵守，盛装各种气体的气瓶需要单独放置等等。即使实验室空间有限，执行这些规范也不能打折扣。

德国人倾向于为科学和技术领域的事务制订标准，使人们按照规范行事来避免风险。使用过传统相机拍照的人，或许还会记得胶卷感光度的计量方式“DIN”。这其实是德语“Deutsches Institut fuer Normung”（德国标准化研究所）的缩写。这家机构为各个技术领域制定了数万个标准。可以说，追求有序，尊重规程，已经深深地印刻在德国文化之中。

这样的文化，也被刘鸿雁带进了自己的实验室。他仿照在德国留学和研究时的经验，让实验的各个步骤，以及所有的样品都有人负责，减少出错的几率。

看似无言的植物却知晓答案

“我不仅不会（凭借过往经验）否定学生的观点，反而希望学生能拥有与我很不一样的观点，得失则交给同行们去评议。”

严格遵守标准和规范，并不意味着对新生事物的排斥。近年来，计算机和互联网技术的发展，成为令国际学术交流更为活跃的重要推手。跨国文献检索、科研数据获取以及合作研究，都比过去更为便捷。另一方面，学科之间的分野正在变得越来越模糊，这样的趋势同样也发生在生态学领域。计算机科学与生态学的融合，形成了新的交叉学科，也带来了新的研究方法与思路。

刘鸿雁与蒙古科学院和内蒙古农业大学合作者及学生在蒙古杭爱山区考察

刘鸿雁乐于拥抱这些变化，接纳新的科研工具和观念，并且努力让它们给实验室带来新鲜的空气。他说：

“

学生解决科学问题的研究思路会得到尊重，事实上，我更希望学生能够超越我，去拓展新的学术领域，在实验室里形成“教学相长”的氛围。科研不同于传统手工艺的师徒传承；学生有可能给实验室带来新的、更进步的研究方法，乃至思考的角度。比如说，我的一名学生试图将人工智能与生态学研究结合起来，通过“深度学习”的方式尝试分析植被的未来发展，这就是个很有吸引力的研究方向。

”

刘鸿雁与学生在内蒙古锡林郭勒野外考察

新的科研工具也有可能带来不一样的视角。刘鸿雁就曾与同行合作，运用激光雷达揭示了树木生长状态变化背后的适应机制。

在中国北方，有一种很常见的树木叫做“蒙古栎”。它可以长到超过20米高，但在内蒙古自治区的某些地方，却演变为灌木。这是因为，树木的茎（树干）的主要功能，就是支撑叶子，并将水输送到植株各处。因此，在干旱又多风沙的地区，蒙古栎就会选择扩大树冠和降低树高的生长方式，以此来适应环境，使自己更加安全。但想要弄清环境因素在多大程度上塑造了树木，便有赖于激光雷达对树的各个部分尺寸的精密测量。

刘鸿雁与合作者及学生在内蒙古黄旗海采集湖泊沉积物样品

在刘鸿雁看来，生态学是研究“生与死”的科学。它关注森林的兴衰，乃至更大尺度的生态系统的存亡。生物和生态系统往往拥有适应环境变化的机制；但在最近几百年里，它们面对的是迅猛、急剧的改变。在地球史层面上可以忽略不计的时间里，人类活动已经深刻地重塑了这颗星球。因此，一些科学家认为，大约从工业革命算起，地球就已经进入了一个新的纪元。始于1.1万年前的第四纪至此结束，此后的地球史应该算作“人类世”。

刘鸿雁与合作者及学生在蒙古扎门乌德考察

这项近年来不时会被提起的新锐观点，同样是刘鸿雁在实验室里与学生们热议的话题。虽然不同的学者对“人类世”的划分存在不同的理解，但可以确定的是，人类活动已经成为生态系统中无处不在、难以忽视的因素。由人类活动引发的一系列变化，比如全球变暖，有可能给植被演替带来深远的影响。

我们知道，森林可以对之前的干旱或湿润气候有一定的“记忆”。或者说，一场干旱并不能立刻杀死大树；它们会尽可能调节自己的生长节律，等待气候湿润带来的“补偿”机会。但生态系统能够在多大程度上调节扰动带来的影响，仍然充满了待解的谜团，看似无言的植物却知晓答案。这些蕴含于纤毫之间的信息，往往可能是生态工程决策的基石。

人物简介

刘鸿雁，北京大学城市与环境学院教授，中国生态学会常务理事，中国地理学会生物地理专业委员会主任。主要研究方向是东亚生态脆弱区（干旱半干旱区、喀斯特、多年冻土带南缘）植被，探讨森林、草原、荒漠和湿地等生态系统如何响应气候变化，它们的生态系统服务在气候变化过程中可能发生的变化以及生态恢复与生态系统服务改善之间的关系。担任科技部“植被恢复与固碳耗水”创新团队负责人，曾获教育部自然科学奖二等奖、北京市教学成果一等奖、北京大学教学卓越奖等重要奖项。