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公众科学:人人参与的科研新模式

作者:Aisling Irwin

Filip Meysman在火车上无意中听到通勤者讨论他研究的项目,他意识到他在比利时安特卫普有所成就。仅仅在几天后,他还在电视上看到,牙膏广告之后出现了有关他工作的广告,紧接着就是乔治·克鲁尼的雀巢咖啡机广告。 

Meysman是比利时安特卫普大学的生物地球化学家,以前也不习惯如此受关注的日子。但后来,他创造性地选择了比利时北部的业余科学爱好者作为他的研究伙伴,情况就发生变化。在佛兰德斯环境保护部和一家当地报社的帮助下,Meysman与他那由非专业人士组成的团队吸引了超过五万人加入CurieuzeNeuzen项目,该项目旨在监测当地的空气质量(CurieuzeNeuzen源于安特卫普方言,意为“爱管闲事的人”)。 

该项目最终向两万名参与者发放了空气污染采样器,这些人用了一个月的时间来了解相关背景知识(见“Street science”)。超过99%的传感器被送回Meysman的实验室进行分析,共获取17800个数据点。这些数据为Meysman及其同事提供了“鼻高”处的二氧化氮浓度信息——而这一大气水平数据无法用卫星检测出,而且让科学家自己来测量则费用过于高昂。“这为我们提供了无法通过其他途径获取的数据集,”Meysman说,他在这个项目中负责空气质量建模。

 

图源:CurieuzeNeuzen

 公众科学——公众积极主动参与到科学研究中——规模越来越大,种类日益增多,并且越来越网络化。不仅仅是监测空气污染和拍摄大量动植物照片,公众也会安装盖革计数器来监测辐射水平,拍摄静水以辅助记录蚊媒疾病的传播情况,拍摄水流的视频以校正洪水模型。还有越来越多的人在思考如何帮助专业人员在算法还不能匹配的情况下推进元分析或图像评估的进程。 

公众科学对社会的方方面面提出了要求,比如:获取更多数据、增强人际联系、发展低成本的传感器技术、提高科学研究的透明度和可及性。相应地,政府部门和国际组织也在行动。比如,美国与苏格兰环保机构已将公众科学纳入了他们的日常工作范围。联合国环境规划署正在摸索如何利用公众科学监测环境、提高公众的环境意识。欧洲委员会则斥资800亿欧元(合920亿美元)开展展望2020Horizon 2020)研究创新项目,向公众开放一系列资助机会。 

与此同时,公众科学的倡议者认为该领域前景无限。他们希望公众科学能够成为决策及科研相关领域高质量数据与分析的主要来源。十二月,众多公众科学组织集结起来形成一个全球性的团体——公众科学全球合作组织。这个组织的首要任务之一是探索公众科学如何监督联合国可持续发展目标的实现进展,联合国的这一目标旨在应对在2030年前遇到的从饥饿到环境恶化等方方面面的挑战。 

为使其获得合法地位,很多人期望公众科学能够解决长期以来研究中存在的测量可信度和效用性的担忧。Steffen Fritz是奥地利拉克森堡应用系统分析国际学院(IIASA)地球观察与公众科学的专家,他说:“公众科学需要一定的认可度和制度化,它不能只是从下而上的模式——也需要一些官方数据源的认可。” 

反对与遭遇 

公众科学的源头可以追溯到至少两千年前。在中国古代,迁徙的蝗虫经常破坏庄稼、影响收成,居民为此记录追踪了长达约2000年的蝗灾爆发事件。这种科研相对的现代形式则是在科学成为职业活动之后出现的,在这个过程中产生了一大批业余科研爱好者。“公众科学”这个词本身在20世纪90年代中期产生。Alan Irwin现为哥本哈根商学院的社会学家,他将这个词定义为“迎合公众需求及关注的科学”和“一种由公众本身发展、促成的科学” 

早期的公众科学项目,始于20世纪初的鸟类计数,包括一些记录动物观察点的集中户外活动。之后,公众参与起到的作用更加多样化。伦敦大学学院的地理学者Muki Haklay概述了公众参与的类别,包括由非专业人员提供数据或志愿计算的“群策群力”公众科学,以及公众积极投身于研究项目诸多方面,甚至自主开展研究的“共同创造”或“协同”研究 

公众科学最先在生物多样性领域得到发展,研究项目借助了庞大的参与群体与数据量来打破专业限制。全球生物多样性信息网络(GBIF)是该领域全球最大的信息库,在该机构称其数以亿计的数据点中,一半来源于非专业渠道。据它估计,在过去的十年里,已经向超过2500篇同行审阅的论文提供数据。

 

青年项目参与者Donovan WootenMaya Sanders在用iNaturalist记录观察结果。 

图源:Catie Rafferty/mediasanctuary.org

iNaturalist是一个社交网络平台,任何人都可以上传他们所拍摄的生活中遇见的动植物照片。自从iNaturalist2008年上线以来,联合主管Scott Loarie所负责的照片领域就在以每年翻一倍的速度增长。他试着追踪科学家对iNaturalist数据的使用情况,目前为止统计出150篇使用过iNaturalist数据的文献,但是他认为实际数据会更高,因为很多文献没有引用数据来源机构。 

还有的研究人员为了丰富研究活动,征募公众加入参与度更高的项目,包括检验从其他渠道获得的数据。2011年有个团队发表了一篇文章[1],推测只要边际土地充足,就能够生产满足世界液态燃料一半需求的生物燃料。Fritz为了研究这种推测,雇了一些业余分析师参与IIASA的地理论坛项目(Geo-Wiki)。在分析了谷歌地球数以千计的图片之后,他们预测出的可利用土地面积比原始文献少了上亿公顷[2]。“我们大幅度减少了初步预测,”Fritz说。 

Fritz认为,有些人能被他的项目吸引是因为想为科学做贡献,而有些人为了能在文章中挂名而表现得更加投入。他说,还有的人只是为了获得亚马逊抵用券或者几块欧元。 

还有的项目能从政治和社会的角度吸引公众。在2011年日本福岛核事故爆发期间,一个小团体向任何想要自行测量辐射水平的人发放了盖革计数器(后来转变为自制装备)。Azby Brown是一名建筑师,兼任现在的安全监测计划组织领导人,Brown说,有时候地方和中央政府对他们的努力充满敌意。不过结果还是很有用的,暴露出政府报告中存在不精确的地方:向公众宣传的所谓安全的地方反而辐射水平高,危险的地方辐射数值较少。Brown还说,尽管在过去的几年里,国际原子能机构数次邀请他在会议中演讲,但是现在仍然存在对公众获取的数据的质疑。 

但是要想开展研究项目,不能仅仅依靠业余爱好者和揣着金点子的科学家,政府及其资助机构也要参与其中。比如,在欧洲委员会的支持下,一个名叫真相2.0Ground Truth 2.0)的项目在非洲和欧洲一共建立了六个试点“公众观测台”。每一个观测台都鼓励在公众、科学家(或者其他处理数据的人)和决策者或当局(等从数据中获利的人)之间开展三边对话。真相2.0的领导人Uta Wehn是位于荷兰的国际水利与环境工程院代尔夫特水教育学院(IHE Delft Institute for Water Education)的一名研究员,她说欧盟资助的公众科学最早并没有考虑让公众真正参与进来。但是在真相2.0,科学家不会对项目下达命令;他们负责选址并让利益集团自行决定他们想探索什么以及如何实施。她说:“我们会为人们预估风险。” 

在检查瑞典梅拉伦地区水质恶化状况的一个观测台上发现,经过前期的商讨,现有的水质数据都公开了,当地负责监测水质的人与决策者没有关联。项目实施为期两年,Wehn认为现在对这类项目是否会改变政策盖棺定论还为时过早。但她说,在多个利益相关方之间构建的联系获得了参与者的好评。 

身处在这个情感共鸣似乎常常战胜以事实为基础的论述的“后真相”时代,一些项目领导者期待借助公众科学能够加强民众的求知欲。作为巴黎研究与跨学科中心的共同创建者,François Taddei认为公众科学可以唤醒人们的批判性思维。在信息时代,参与这些研究项目的儿童“更不容易受虚假新闻等人们正面临的类似问题的误导”。 

暂时的困难 

然而,即便公众科学志在更大的规模,它也面临着相当多的挑战,比如数据质量和人才聘用——考虑到既要说服更多科学家牵头做项目,又要征募到足够多的市民参与其中。 

近几年出版的文章认为源自公众的数据存在着缺陷,比如与标准协定有偏差,记录或者选采样点时存在偏见[3,4]。野生生态学家Graham Smith分析了民众为英国一家动物保护慈善团体——伦敦哺乳动物协会提供的观察数据,说道:“周日散步的人可能会忽略在他们脚边蹦跳的兔子,但是肯定会注意到更精彩的事,比如一只水獭的出现,水獭因其群体数量已经成为英国观察记录最多的哺乳动物。” 

供职于英国环境、食品与农村事务部的Smith为反驳这种偏见探索出了新的数据分析法,他说应该利用新的手机应用程序追踪公众的活动路线及时间,追踪到的数据也要一并纳入考虑。而且,Fritz说,现有的简单技术可以检测在线分析的质量。他的团队对照已知的专业人员的结论,不定期抽查对业余爱好者成果,提交结论审核结果(Fritz估计他们实验的失败率约为5%,淘汰失败的人,只有表现好的才可继续并参与文章的撰写)。嗅觉(Scent)是一个利用游戏软件鼓励公众拍摄土地利用情况的项目,可以通过人工及算法检验数据误差,该项目的通信工程师Daniele Miorandi如是说。

图源:SciStarter 

有的学者担心公众会因选择过多而倦怠,比如,他们注意到参与英国长期开展“大花园鸟类调查活动”的人数有所减少(见“群众的力量”)。在一篇尚未发表的文章中,Haklay估计全球约有170万人会长期参与数据收集活动。“虽然你可以找到很多人短时间参与研究,或者极少数人深入密集参与研究,但几乎没有人愿意长期做下去。”他说。 

研究人员与参与科研的公众也会遇到伦理、数据使用和隐私问题的挑战。比如,Wehn在肯尼亚建的一个公众观测台试点项目,能让人们注意到偷猎、抓捕和圈养野生动物等可能会伤害动物的行为事件。但是,这些数据收集之后也可能会被不法分子利用。“游客观测台也可能成为偷猎者的绝佳犯罪地点。”Wehn说。她说她的团队正与当局慎重商讨可公开的数据。 

这些问题可能会日益增多,尤其是随着健康监测软件的兴起。Philip Mirowski是印第安纳州圣母大学的历史学家,他以PatientsLikeMe这种要求用户上传健康信息的项目为例,阐述了其对数据流向的担忧。他说:“至少在美国,生成数据的用户对商家的数据使用情况并不知情。” 

同时,公众科学的带头人还尝试将现有研究系统化、引入常用方法论促使其变得越来越职业化。开放地理空间联盟(Open Geospatial Consortium)作为一个商业、科研机构和政府机构间的国际联盟,成立了专责小组获取公众数据流,来与其他人进行交流。美国坦佩亚利桑那州立大学的附属机构SciStarter组织(总部设在美国),已经获得可用于规避公众科学项目开展过程中潜在障碍的工具和其他资源。 

也有人质疑集中管理公众科学的做法。比利时鲁汶天主教大学的一名社会科学家Michiel van Oudheusden考量了Fukushima Daiichi的例子,认为公众科学在不与商界结盟的情况下才极具价值。他说:“特立独行有时更高效。” 

然而Martin Brocklehurst作为一位环境顾问兼公众科学倡议者,认为多方联合共同建立公众科学的秩序会比任其独自发展更合适。“太多的公众科学就像一场焰火表演一样,即便伟大却昙花一现,”他说,“人们应该将它纳入正规,像利用科学支撑决策过程一样。” 

CurieuzeNeuzen的成功之处可能就在于此。这个组织认为自己达到了空气质量检测的世界纪录。弗兰德斯的居民现正在思考他们的研究结果。除此之外,研究结果还揭示出人们以为空气纯净的乡村中心实际上存在着交通引发的重度污染。 

这个项目为受科研机构压制无法公开的通告提供了政治支持。空气质量在弗兰德斯成为了选举的重要议题,当地将于十月中旬举行大选。Meysman称他已多次受邀公布他的数据。欧洲环境部门表示他们计划将这种方法广泛推行。 

然而,Meysman也说,公众科学并非万能。有些不知名的科学家迫于发表文章的压力,无法像他对CurieuzeNeuzen项目一样在科研上投入大量的时间。从个人的角度来说,他一直热衷看人们尽力做事的样子——比如宣传运动、公众利益狂潮、有价值的新数据——以及将研究结果投入实际生产和政治用途中。“要是我自己搜集数据的话,可能不足以产生目前的影响力。”

参考文献:

1.Cai, X., Zhang, X. & Wang, D. Environ. Sci. Technol. 45, 334–339 (2011).

2.Fritz, S. et al. Environ. Sci. Technol. 47, 1688–1694 (2013).

3.Tiago, P., Ceia-Hasse, A., Marques, T. A., Capinha, C. & Pereira, H. M. Sci. Rep. 7, 12832 (2017).

4.Kallimanis, A. S., Panitsa, M. & Dimopoulos, P. Sci. Rep. 7, 8873 (2017).

 

翻译:张孝先

审校:赵欢

原文链接:https://www.nature.com/articles/d41586-018-07106-5

 

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