3700万篇论文构建学科网络，揭示全球科学产出的隐藏结构

摘要

科学对创新和经济繁荣至关重要。尽管研究表明，一个国家的科学发展受到地理、历史和经济因素的影响，但尚不清楚是否存在可以为预测和决策提供信息的国家科学发展的普遍结构和轨迹。近日发表于 Nature Human Behaviour 的研究根据对国际数据库中科学研究的的“出口”产品，即在国际数据库中被索引的出版物，揭示了支撑国家科学发展和全球科学组织的学科关联网络中的三类结构。该研究构建了支撑国家科学发展和全球科学组织的学科相关网络。对国家层面包含哪些研究项目的演变过程的分析表明，虽然各国正在单独进行更多样化的研究，但在过去几十年里，全球科学研究正在变得越来越专业化。通过揭示科学发展的潜在结构并将其与经济发展联系起来，该研究成果可以为全球科学发展的演化的构建提供一个新的视角。

研究领域：科学学，学科网络，科研产出，复杂网络

郭瑞东 | 作者

邓一雪 | 编辑

论文题目：

The latent structure of global scientific development

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41562-022-01367-x

1. 海量论文数据构建全球学科网络

社会学家孔德说过：科学需要从简单科目，诸如自然科学进步到社会科学这样更复杂的学科。这就如同产业升级，先生产简单的纺织品，逐渐升级为产出芯片。对于该现象，复杂经济学的研究可以根据各国的出口产品构建产品网络，来衡量国家的经济实力，并为经济政策的制定提供指导。 

类比到科学学领域，在科学研究中，各国的产出可以用发表的论文来衡量。通过 Web of Science 数据库包含的 1973-2017 年间总计 37,479,532 篇来自 20,252 个期刊的论文发表数据，构建了如下图所示的学科网络。

图1. 学科关联网络的框架结构揭示科学研究分为三个聚簇，我们称之为自然、物理和社会。每个节点对应于一个学科，边的权重代表使两学科共专业化最小时的条件概率。一个节点的面积与该学科的总发布数量成正比。节点颜色映射到五个主要学科类别。

2. 科学产出的不平等：高收入国家多样化

之后将国家按人均收入分为四组，发现各国的科研产出虽然受到地理历史等因素的影响，例如智利由于其多山的地形，适合天文观察，成为了天文学研究的核心地区，但科研产出更多受到经济水平的影响，中低收入国家的科研，更多关注自然，例如动植物或生态研究，而高收入国家的科研产出更加多样化，有更多社会科学的研究。

图2. （b）根据收入水平，国家被分为四类：低收入、中低收入、中高收入和高收入（从左到右）。点对应于国家，核密度估计为红色，国家在三角形中的位置计算为每个聚类中优势学科的分数，通过优势学科的总数归一化。N：自然；P：物理；S：社会。（c） 埃塞俄比亚、越南、中国和美国，在2013-2017年占优势的科研产出。

从时间上来看，各国优势科研领域的出现和消失，遵循着经济学中的专业分工原则。即某国在下一时间段中，新生的科研优势领域更容易出现在优势学科已聚集的位置，反之亦然。例如阿根廷由于畜牧业传统，在农业研究中有优势，接下来该国在学科网络越靠近农业的科学中，越容易诞生新的具有比较优势的研究方向。如果低收入国家不在现有优势附近，则更难发展新的相对优势；而富裕国家更有可能发展新的优势，这要归功于已经存在的多样化和复杂的研究组合以及更广泛和更高学科的产出，这使得它们在建设科学能力时能够做出更少依赖组合的选择。

图3. （a）给定围绕该学科的现有优势的密度，在下一个时间段中新的相对优势的概率。（b）在给定现有优势密度的情况下，优势学科在下一阶段失去优势的概率。（c, d）与a和b相同，但国家是根据其收入等级分组的。l，低收入组包含72个国家；LM，中低组包含104个国家；UM，中上组包括74个国家；H，高收入包含56个国家。

3. 全球科学正变得更加模块化

通过分析学科关联网络中的嵌套结构，可以看到各国试图使其研究领域多样化，从而使各国的优势学科网络的嵌套程度降低。然而学科之间的模块化程度却随时间增加，这反映了科学研究中学科专业化程度的提升。

图4. （a, b）1973-1977年间与2013-2017年间比较优势学科与国家网络的嵌套程度下降；（c, d）1973-1977年间与2013-2017年间学科模块化程度显著上升，2002年后趋近平台期。

此外，该研究还发现，科学产出多样性、国内生产总值（GDP）以及经济复杂性指数（ECI）与科研产出呈正相关。值得注意的是，与复杂经济学指出经济产生多样性和复杂性与经济增长密切相关不同，该研究指出科学产出组合的多样性无法预测GDP的增长，也不能预测论文发表数的增长。这意味着科研多样化是科学发展的结果而非原因。

图5. 科研产出（论文发表数量，横轴）和科研多样性、GDP及ECI的散点图。

该研究通过科研论文的发表数据，可以将科研分为自然、物理和社会三个聚簇，这打破了传统的学科分类。研究指出尽管少数国家正朝着更加平衡的方向发展，但全球科学正变得更加模块化；一个国家在知识空间中的生态位与其经济发展密切相关，通过扩展知识空间中的生态位，可以扩大比较优势。尽管存在许多未被察觉的混淆因素和复杂的反馈，但通过研究提供的实证框架，可以全新的方式考察国家科学组合及其与经济发展的关系。

论文 Abstract

Science is essential to innovation and economic prosperity. Although studies have shown that national scientific development is affected by geographic, historic and economic factors, it remains unclear whether there are universal structures and trajectories of national scientific development that can inform forecasting and policy-making. Here, by examining the scientific  ‘exports’—publications that are indexed in international databases—of countries, we reveal a three-cluster structure in the relatedness network of disciplines that underpin national scientific development and the organization of global science. Tracing the evolution of national research portfolios reveals that while nations are proceeding to more diverse research profiles individually, scientific production is increasingly specialized in global science over the past decades. By uncovering the underlying structure of scientific development and connecting it with economic development, our results may offer a new perspective on the evolution of global science.

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