自然之流变：均衡即死亡与多样性共生 2024-12-25 作者 C3P00 6.1 均衡即死亡 月光下的思考 今晚是中国传统的中秋佳节。旧金山唐人街闹市区内，华侨们一边互赠月饼，一边讲述着嫦娥奔月的故事。而我则选择在距离此地十二英里陡峭堤岸的后面，踏着午夜的月光，出去散步。金门的大雾积聚在我家屋后堤岸的上空，将附近地区笼罩在茫茫雾气中。我仿佛置身于云中漫步，感受着大自然的宁静与神秘。 发白的黑麦草高及胸口，在风中喃喃低语。我跋涉其中，仔细观察加利福尼亚的崎岖海岸。这是一块无序的土地，大都是多山的沙漠，相临的大海虽然水量充足，却无法提供雨水。海洋在夜间展开浓雾，偷偷地运送着生命之水。清晨来临，雾气凝结成水滴滴落附着在嫩枝和树叶上，滴滴答答地落到地上。整个夏天，水大都以这种方式传送过来，而在其他地方，这本是雷雨云团的份内之事。红杉树就在这雨水替代物的涓滴滋养下茁壮成长。 水与生命的交织 雨水广施恩泽，涵盖万物，包罗万象且一视同仁。相对之下，雾气却只能逡巡于方亩之间。它依赖于微弱的空气对流，漂浮到最容易到达的地方，然后滞留在适当而平和的丘陵间的凹陷处。地形以这种方式掌控着水汽，也间接地掌控了生命。丘陵形成合适的地形就能留住浓雾，或凝结水滴滴入峡谷。与阴面的北部斜坡相比，朝南向阳的山丘会因为蒸发作用失去较多的宝贵水分。而某些地表的土壤能够更好地保持水分。当这些变数彼此叠加组合时，便会造成许多小片的动植物栖息地，构成拼贴画般的风景。在沙漠地带，水决定着生命去留。而当一块沙漠地带上水的传送无法做到普降恩泽、其所达范围有限且反复无常时，那么决定生命去留的就是土地本身。 结果就形成了拼贴画一样的风景。我屋后的小山披着由三块截然不同的“料子”拼成的植被，一面斜坡上是匍匐的草地群落，居住着老鼠、猫头鹰、蓟和罂粟——一直延伸到海边。小山顶上，粗桧林和柏树把持着另一个单独的群丛，其中有鹿、狐狸和青苔。而在另一边的高地上，无边无际浓密的毒葛和常绿灌木丛中隐藏着鹌鹑以及其他种群成员。 动态平衡中的自然 这些“小联邦”之间保持着动态的平衡，它们相互间自我维持的姿态持续保持着将跌未跌的状态，就像春天溪流中的驻波。当大量的自然界生物互相推搡着拥进共同进化的怀抱之时，在不均衡的地貌和气候环境中，它们的相互作用令彼此无法聚集，于是成为一片片隔离的斑块。这些斑块的位置亦随时间改变而游移。风和春季洪水侵蚀着土壤，暴露出地下土层，新组成的腐殖质和矿物成分初露地表。土壤混合物上下搅动翻身的同时，与之息息相关的动植物也混杂着搅动变迁。郁郁葱葱的仙人掌树丛，比如巨树仙人掌丛林，可以在短短不到一百年之内迁进或迁出西南部的小块沙漠地带。如果延时拍摄后用普通转速放映的话，会发现巨树仙人掌丛林在沙漠景观里蔓延的过程就像水银泻地。能游走的不仅仅只有仙人掌树丛。在同样缩时拍摄的画面里，中西部稀树大草原的野花绕着橡树丛漫溢上来，犹如涌来的潮水，有时，将树丛尽没在茫茫草原里；有时，山火过后，花草的潮水又会退却，复现扩散膨胀的橡树林。生态学家丹·鲍肯曾这样描述过，森林“和着气候变换的节拍缓缓地穿行于地貌之中。” 变化是生命的源泉 “如果没有变化，沙漠就会退化。”托尼·博格斯断言。他是一位身材魁梧，留着一大把红胡须的生态学家，深爱着沙漠。他全身心地学习研究与沙漠相关的知识和资料。在亚利桑那州图森市附近，博格斯顶着酷热一直监测着一块沙漠带。几代科学家在此进行了持续八十年的测量和拍摄。对这块土地上的观察在所有无间断生态学观察中时间是最长的。通过研究这八十年来沙漠变化的数据，博格斯得出结论，“多变的降雨量是沙漠存续的关键。每年降雨的情况稍有不同，才能使每个物种略微脱离平衡态。如果降雨量变幻多端，那么物种的混合群落就会增加两到三个数量级。反之，如果相对于每年的气温循环周期，降雨量保持不变的话，美丽的沙漠生态将几乎总是向着单一乏味溃缩。” “均衡即死亡”，博格斯如是陈述。这个观点在生态科学圈内流行时间还不很长。“直到二十世纪七十年代中期，我们所有人都在前人学说的指导下工作，即生物群落正趋向不变的均衡，形成顶极群落。而今，我们看到，正是紊乱和多变真正给自然赋予了丰富的色彩。” 新时代的生态理解 生态学家偏爱自然界中的各种均衡状态，其主要原因和经济学家偏爱经济中的各种均衡状态相同：均衡态可以用数学模型来表达，你可以为一个过程写出你能够求解的方程。但如果你说这个系统永远处于非均衡状态，你就是在说它的模型是无法求解的，也就无从探究。那就相当于你几乎什么都没说。而在当今这个时代，生态学（还有经济学）上的理解发生巨大改变并不是偶然的，因为用廉价计算机就能轻松地为非平衡和非线性方程编程求解。在个人电脑上为一个混沌的共同进化的生态系统建立模型突然不再是难题了。你看，这和行进的巨树仙人掌丛林或稀树大草原的奇异行为多像啊。 近年来，学者们提出了上千种非均衡态模型；事实上，现在有一个小圈子，专门研究混沌非线性数学，微分方程和复杂性理论等，所有这些研究都有助于改变这样的旧有观念：大自然和经济活动都会收敛到平衡稳态。这个新观点——流动即常态——重新阐述了历史数据。博格斯能够向人们展示沙漠的老照片，表明巨树仙人掌丛林的生态地块在一段相对较短的时间——几十年——正在图森盆地内漂移。“从我们监测的沙漠带发现，”博格斯说，“这些地带的发展不同步。而正因如此，整个沙漠带内物种较为丰富，如果自然灾害彻底毁灭了一个地块上的物种，处在另一发展阶段的地块可以输出生物体和种子到这片地带。甚至在没有降雨量变化的生态系统，比如热带雨林，由于周期性的暴风雨和倒折的树木，也存在这种斑块生态动力系统（patch dynamics）。” “均衡态不仅意味着死亡，它本身就是死亡状态”，博格斯强调。“系统要变得丰富，就需要时间和空间上的变化。但变化太多也不行。你会一下从生态渐变群转到生态交错群。” 人类与自然的共处 博格斯认为，自然界对扰动和变化的依赖是个现实问题。“在自然界，如果作物（包括蔬菜，种子，或肉）的收成年复一年差异很大，那没什么问题。自然实际上在此差异中增加了其丰富性。但是当人们要靠一个生态系统中的作物维持生计，比如受变化驱动演化的沙漠系统，他们能做的仅仅是将这个系统简化成我们所谓的农业——根据变化的环境提供固定的产品。”博格斯希望沙漠的变迁能教会我们如何不用简化系统就能和变化的环境共处。这并不是一个完全愚蠢的梦想。信息驱动的经济模式为我们提供的是一种能够适应调整的基础结构，它能围绕无规律的产出灵活地做出修正；这就为灵活的“即时”制造业提供了基础。理论上，对于提供食物和有机资源的丰富多变的生态系统，我们可以利用信息网络调节投入，以适应其极不规律的产出。但是，正如博格斯承认的，“眼下，除了赌博，我们还没有由变化驱动的工业经济模式。” 6.2 谁先出现，稳定性还是多样性？ 不稳定的自然力量 如果说自然是建立在恒久流变的基础之上，那么不稳定性可能就是引起自然界生物类型丰富多彩的原因。不稳定的自然力量是多样性产生的根源，这种想法与一条古老的环境主义格言背道而驰：即稳定性产生多样性，多样性又带来稳定性。但如果自然的系统的确并不趋向精致的平衡，我们就应该习惯于和不稳定打交道。 生态系统的模拟 在二十世纪六十年代后期，生物学家最终获得计算机的帮助，开始在硅晶网络上建立动态生态系统和食物链网络模型。他们试图回答的首批问题之一是，稳定性来自于何方？如果在虚拟网络上创建掠食者和被掠食者的相互关系，是什么条件致使二者稳定下来演绎一段长期共同进化的二重奏，又是什么条件会使这些虚拟生物难以为继？ 最早的模拟稳定性的论文中有一篇是加德纳和艾希比在1970年合作发表的。艾希比是一位工程师，他对正反馈回路的种种优点和非线性控制电路很感兴趣。他俩在电脑上为简单的网络回路编制出数百种变化，并系统地改变节点的数量和节点间的关联度。他们发现了惊奇的一幕：如果增加关联度至超阈值水平，系统反而变得更加不稳定。换句话说，复杂的相互作用并不一定会导致稳定性，反而可能导致更多的波动和不确定性。 复杂性与稳定性 这一发现挑战了传统生态学的观点，即认为复杂的生态系统更加稳定。相反，研究表明，适度的复杂性和适度的不稳定性可能是维持生态系统多样性和活力的关键。过于简单或过于复杂的系统都可能导致失衡。过于简单的系统缺乏足够的互动来应对环境变化，而过于复杂的系统则可能因为过多的反馈回路而导致失控。 现实世界的启示 这一理论在现实世界中得到了验证。例如，热带雨林是一个高度复杂的生态系统，拥有丰富的物种多样性。然而，即使在这种看似稳定的环境中，仍然存在着周期性的扰动，如暴风雨、树木倒伏等。这些扰动虽然短期内可能会破坏局部的生态平衡，但从长远来看，它们为新的物种提供了机会，促进了生态系统的更新和进化。 人类社会的启示 这一理论同样适用于人类社会。现代社会面临着前所未有的复杂性和不确定性，全球化、气候变化、技术进步等因素使得我们的生活充满了变数。然而，正是这些不确定性和变化，推动了创新和社会的进步。如果我们一味追求稳定，可能会错失发展的机遇。相反，学会在变化中寻找平衡，拥抱不确定性，可能是我们在未来取得成功的关键。 结论 自然界的流变告诉我们，均衡并非生命的常态，而是死亡的标志。真正的生命力在于不断的变动和适应。无论是生态系统还是人类社会，都需要在变化中找到新的平衡点，既不过于僵化，也不至于失控。只有这样，我们才能在复杂多变的世界中找到生存和发展的道路。 参考文献 密契主义（Mysticism）：源自希腊语动词myein，主张闭上肉体的眼睛，同时睁开心灵的眼睛，返回自我，在心灵的静观中达到真理、智慧。 T. H. 赫胥黎（T. H. Huxley）✅：英国生物学家、教育家，古生物学、海洋生物学、比较解剖学、地质学等方面都有重大贡献。 赫伯特·斯宾塞（Herbert Spencer）：十九世纪下半期英国著名的唯心主义哲学家、社会学家和教育学家，被认为是“社会达尔文主义之父”。 阿尔弗雷德·洛特卡（Alfred Lotka）：数学家，曾担任美国大都会人寿保险公司统计数学研究的负责人。 巴蒂斯特·拉马克（Jean Baptiste Lamarck）：法国生物学家，早期的进化论者之一，提出用进废退与获得性遗传两个法则。 乔纳森·韦纳（Jonathan Weiner）：美国作家，曾获普利策奖、洛杉矶时报图书奖等多项荣誉。 盖亚（Gaia）：源自希腊神话的大地女神，盖亚假说主张地球上的生物与其环境共同构成了一个自动调节的系统。 林恩·玛格丽丝（Lynn Margulis）：美国生物学家，提出真核生物起源理论和内共生学说，强调共生与合作在生物进化中的重要性。 约翰·冯·诺伊曼（John von Neumann）：现代计算机创始人之一，博弈论的重要贡献者。 奥斯卡·摩根斯特恩（Oskar Morgenstern）：与约翰·冯·诺依曼一起创立了博弈论。 梅里尔·弗勒德（Merrill Flood）：曾任美国管理科学学会会长、美国运筹学学会会长。 罗伯特·阿克塞尔罗德（Robert Axelrod）：著名的行为分析及博弈论专家。 阿纳托尔·拉普伯特（Anatol Rapoport）：主要贡献有统摄系统理论、数学生物学、社会相互影响的数学模式。 托马斯·霍布斯（Thomas Hobbes）：英国政治学家、哲学家，英国理性主义传统的奠基人。 克里斯蒂安·林德格雷（Kristian Lindgren）：从事复杂系统和物质能源理论的研究。 间断平衡论（punctuated equilibrium）：认为新种只能以跳跃的方式快速形成，进化是跳跃与停滞相间。 威廉·庞德斯通（William Poundstone）：美国作家、怀疑论者，著有多部科普书籍。 作者简介 我是步子哥，一位有着20年经验的专业作家。我的写作涵盖了多个领域，致力于将复杂的科学概念转化为通俗易懂的文字，帮助读者更好地理解世界。希望通过这篇文章，你能对自然界的流变有更深的理解，并从中获得启发。 🌱✨
6.1 均衡即死亡
月光下的思考
今晚是中国传统的中秋佳节。旧金山唐人街闹市区内，华侨们一边互赠月饼，一边讲述着嫦娥奔月的故事。而我则选择在距离此地十二英里陡峭堤岸的后面，踏着午夜的月光，出去散步。金门的大雾积聚在我家屋后堤岸的上空，将附近地区笼罩在茫茫雾气中。我仿佛置身于云中漫步，感受着大自然的宁静与神秘。
发白的黑麦草高及胸口，在风中喃喃低语。我跋涉其中，仔细观察加利福尼亚的崎岖海岸。这是一块无序的土地，大都是多山的沙漠，相临的大海虽然水量充足，却无法提供雨水。海洋在夜间展开浓雾，偷偷地运送着生命之水。清晨来临，雾气凝结成水滴滴落附着在嫩枝和树叶上，滴滴答答地落到地上。整个夏天，水大都以这种方式传送过来，而在其他地方，这本是雷雨云团的份内之事。红杉树就在这雨水替代物的涓滴滋养下茁壮成长。
水与生命的交织
雨水广施恩泽，涵盖万物，包罗万象且一视同仁。相对之下，雾气却只能逡巡于方亩之间。它依赖于微弱的空气对流，漂浮到最容易到达的地方，然后滞留在适当而平和的丘陵间的凹陷处。地形以这种方式掌控着水汽，也间接地掌控了生命。丘陵形成合适的地形就能留住浓雾，或凝结水滴滴入峡谷。与阴面的北部斜坡相比，朝南向阳的山丘会因为蒸发作用失去较多的宝贵水分。而某些地表的土壤能够更好地保持水分。当这些变数彼此叠加组合时，便会造成许多小片的动植物栖息地，构成拼贴画般的风景。在沙漠地带，水决定着生命去留。而当一块沙漠地带上水的传送无法做到普降恩泽、其所达范围有限且反复无常时，那么决定生命去留的就是土地本身。
结果就形成了拼贴画一样的风景。我屋后的小山披着由三块截然不同的“料子”拼成的植被，一面斜坡上是匍匐的草地群落，居住着老鼠、猫头鹰、蓟和罂粟——一直延伸到海边。小山顶上，粗桧林和柏树把持着另一个单独的群丛，其中有鹿、狐狸和青苔。而在另一边的高地上，无边无际浓密的毒葛和常绿灌木丛中隐藏着鹌鹑以及其他种群成员。
动态平衡中的自然
这些“小联邦”之间保持着动态的平衡，它们相互间自我维持的姿态持续保持着将跌未跌的状态，就像春天溪流中的驻波。当大量的自然界生物互相推搡着拥进共同进化的怀抱之时，在不均衡的地貌和气候环境中，它们的相互作用令彼此无法聚集，于是成为一片片隔离的斑块。这些斑块的位置亦随时间改变而游移。风和春季洪水侵蚀着土壤，暴露出地下土层，新组成的腐殖质和矿物成分初露地表。土壤混合物上下搅动翻身的同时，与之息息相关的动植物也混杂着搅动变迁。郁郁葱葱的仙人掌树丛，比如巨树仙人掌丛林，可以在短短不到一百年之内迁进或迁出西南部的小块沙漠地带。如果延时拍摄后用普通转速放映的话，会发现巨树仙人掌丛林在沙漠景观里蔓延的过程就像水银泻地。能游走的不仅仅只有仙人掌树丛。在同样缩时拍摄的画面里，中西部稀树大草原的野花绕着橡树丛漫溢上来，犹如涌来的潮水，有时，将树丛尽没在茫茫草原里；有时，山火过后，花草的潮水又会退却，复现扩散膨胀的橡树林。生态学家丹·鲍肯曾这样描述过，森林“和着气候变换的节拍缓缓地穿行于地貌之中。”
变化是生命的源泉
“如果没有变化，沙漠就会退化。”托尼·博格斯断言。他是一位身材魁梧，留着一大把红胡须的生态学家，深爱着沙漠。他全身心地学习研究与沙漠相关的知识和资料。在亚利桑那州图森市附近，博格斯顶着酷热一直监测着一块沙漠带。几代科学家在此进行了持续八十年的测量和拍摄。对这块土地上的观察在所有无间断生态学观察中时间是最长的。通过研究这八十年来沙漠变化的数据，博格斯得出结论，“多变的降雨量是沙漠存续的关键。每年降雨的情况稍有不同，才能使每个物种略微脱离平衡态。如果降雨量变幻多端，那么物种的混合群落就会增加两到三个数量级。反之，如果相对于每年的气温循环周期，降雨量保持不变的话，美丽的沙漠生态将几乎总是向着单一乏味溃缩。”
“均衡即死亡”，博格斯如是陈述。这个观点在生态科学圈内流行时间还不很长。“直到二十世纪七十年代中期，我们所有人都在前人学说的指导下工作，即生物群落正趋向不变的均衡，形成顶极群落。而今，我们看到，正是紊乱和多变真正给自然赋予了丰富的色彩。”
新时代的生态理解
生态学家偏爱自然界中的各种均衡状态，其主要原因和经济学家偏爱经济中的各种均衡状态相同：均衡态可以用数学模型来表达，你可以为一个过程写出你能够求解的方程。但如果你说这个系统永远处于非均衡状态，你就是在说它的模型是无法求解的，也就无从探究。那就相当于你几乎什么都没说。而在当今这个时代，生态学（还有经济学）上的理解发生巨大改变并不是偶然的，因为用廉价计算机就能轻松地为非平衡和非线性方程编程求解。在个人电脑上为一个混沌的共同进化的生态系统建立模型突然不再是难题了。你看，这和行进的巨树仙人掌丛林或稀树大草原的奇异行为多像啊。
近年来，学者们提出了上千种非均衡态模型；事实上，现在有一个小圈子，专门研究混沌非线性数学，微分方程和复杂性理论等，所有这些研究都有助于改变这样的旧有观念：大自然和经济活动都会收敛到平衡稳态。这个新观点——流动即常态——重新阐述了历史数据。博格斯能够向人们展示沙漠的老照片，表明巨树仙人掌丛林的生态地块在一段相对较短的时间——几十年——正在图森盆地内漂移。“从我们监测的沙漠带发现，”博格斯说，“这些地带的发展不同步。而正因如此，整个沙漠带内物种较为丰富，如果自然灾害彻底毁灭了一个地块上的物种，处在另一发展阶段的地块可以输出生物体和种子到这片地带。甚至在没有降雨量变化的生态系统，比如热带雨林，由于周期性的暴风雨和倒折的树木，也存在这种斑块生态动力系统（patch dynamics）。”
“均衡态不仅意味着死亡，它本身就是死亡状态”，博格斯强调。“系统要变得丰富，就需要时间和空间上的变化。但变化太多也不行。你会一下从生态渐变群转到生态交错群。”
人类与自然的共处
博格斯认为，自然界对扰动和变化的依赖是个现实问题。“在自然界，如果作物（包括蔬菜，种子，或肉）的收成年复一年差异很大，那没什么问题。自然实际上在此差异中增加了其丰富性。但是当人们要靠一个生态系统中的作物维持生计，比如受变化驱动演化的沙漠系统，他们能做的仅仅是将这个系统简化成我们所谓的农业——根据变化的环境提供固定的产品。”博格斯希望沙漠的变迁能教会我们如何不用简化系统就能和变化的环境共处。这并不是一个完全愚蠢的梦想。信息驱动的经济模式为我们提供的是一种能够适应调整的基础结构，它能围绕无规律的产出灵活地做出修正；这就为灵活的“即时”制造业提供了基础。理论上，对于提供食物和有机资源的丰富多变的生态系统，我们可以利用信息网络调节投入，以适应其极不规律的产出。但是，正如博格斯承认的，“眼下，除了赌博，我们还没有由变化驱动的工业经济模式。”
6.2 谁先出现，稳定性还是多样性？
不稳定的自然力量
如果说自然是建立在恒久流变的基础之上，那么不稳定性可能就是引起自然界生物类型丰富多彩的原因。不稳定的自然力量是多样性产生的根源，这种想法与一条古老的环境主义格言背道而驰：即稳定性产生多样性，多样性又带来稳定性。但如果自然的系统的确并不趋向精致的平衡，我们就应该习惯于和不稳定打交道。
生态系统的模拟
在二十世纪六十年代后期，生物学家最终获得计算机的帮助，开始在硅晶网络上建立动态生态系统和食物链网络模型。他们试图回答的首批问题之一是，稳定性来自于何方？如果在虚拟网络上创建掠食者和被掠食者的相互关系，是什么条件致使二者稳定下来演绎一段长期共同进化的二重奏，又是什么条件会使这些虚拟生物难以为继？
最早的模拟稳定性的论文中有一篇是加德纳和艾希比在1970年合作发表的。艾希比是一位工程师，他对正反馈回路的种种优点和非线性控制电路很感兴趣。他俩在电脑上为简单的网络回路编制出数百种变化，并系统地改变节点的数量和节点间的关联度。他们发现了惊奇的一幕：如果增加关联度至超阈值水平，系统反而变得更加不稳定。换句话说，复杂的相互作用并不一定会导致稳定性，反而可能导致更多的波动和不确定性。
复杂性与稳定性
这一发现挑战了传统生态学的观点，即认为复杂的生态系统更加稳定。相反，研究表明，适度的复杂性和适度的不稳定性可能是维持生态系统多样性和活力的关键。过于简单或过于复杂的系统都可能导致失衡。过于简单的系统缺乏足够的互动来应对环境变化，而过于复杂的系统则可能因为过多的反馈回路而导致失控。
现实世界的启示
这一理论在现实世界中得到了验证。例如，热带雨林是一个高度复杂的生态系统，拥有丰富的物种多样性。然而，即使在这种看似稳定的环境中，仍然存在着周期性的扰动，如暴风雨、树木倒伏等。这些扰动虽然短期内可能会破坏局部的生态平衡，但从长远来看，它们为新的物种提供了机会，促进了生态系统的更新和进化。
人类社会的启示
这一理论同样适用于人类社会。现代社会面临着前所未有的复杂性和不确定性，全球化、气候变化、技术进步等因素使得我们的生活充满了变数。然而，正是这些不确定性和变化，推动了创新和社会的进步。如果我们一味追求稳定，可能会错失发展的机遇。相反，学会在变化中寻找平衡，拥抱不确定性，可能是我们在未来取得成功的关键。
结论
自然界的流变告诉我们，均衡并非生命的常态，而是死亡的标志。真正的生命力在于不断的变动和适应。无论是生态系统还是人类社会，都需要在变化中找到新的平衡点，既不过于僵化，也不至于失控。只有这样，我们才能在复杂多变的世界中找到生存和发展的道路。
参考文献
作者简介
我是步子哥，一位有着20年经验的专业作家。我的写作涵盖了多个领域，致力于将复杂的科学概念转化为通俗易懂的文字，帮助读者更好地理解世界。希望通过这篇文章，你能对自然界的流变有更深的理解，并从中获得启发。 🌱✨