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大自然的劇本：人類能從復雜適應系統中學到什么
發布日期:2024-03-18 作者:昭遠制藥
導語
不僅生命有著內穩態，整個生態環境也有著各個層次的動態平衡，能夠在各種突發災難事件中復原。大自然具備強大的復原能力，其根本原因是相互作用的海洋、大氣以及各種生命組成了復雜適應系統。人類社會同為復雜適應性系統，需要向自然學習。本文作者Ruth DeFries是哥倫比亞大學可持續發展教授、美國國家科學院院士。
Ruth DeFries | 作者
張澳 | 譯者
胡一冰 | 審校
鄧一雪 | 編輯
1. 由簡單到復雜：大自然的演化
大自然是出了名的復雜，但在過去并非總是如此。在地球形成初期，物理過程占主導地位。蒸汽從巨大的火山中噴涌而出，滲透到龜裂的地面，將星球變成由海洋覆蓋的團塊，在黑暗中盤旋。蒸汽至海水的相變機理在今天和45億年前一致。在任何星球上，只要有足夠的溫度和氣壓，氣體隨時都可以變成液體。物理定律古今一致，簡單明了且可預測。生命的歷史雖從決定論主導的相變出發，卻并沒有沿著這條簡單的軌跡繼續發展。它數十億年的演化否決了簡單的規則與可預測的結果。自然已成為復雜系統，一張由無形的連接構成的糾纏網絡。隨著復雜度的增加，擴張的機會隨之而來，但同時也引入了湮滅的可能。所幸的是，對于每個出現的問題，自然都會演化出相應的對策。
城市的發展在連通性與復雜性上，可以與雨林或珊瑚礁相匹敵。食物可以通過復雜的供應鏈送到遠方消費者的手中；水流由管道傳輸，垃圾被人移除；互聯網信息在全世界高速流動；一場暴風甚至可以抬高股價從而引發暴亂；一種病毒也可以在短短幾天內傳遍世界。
圖1. 萬物互聯的時代中社會的演化更為復雜
事實上，大自然的生命和現代文明有一些共同的基本問題。它們都需要抵御災難，并隨后從崩潰中恢復過來；它們都依賴于動態網絡以運輸材料和能源；它們都依賴于個體相互協作所形成的集體行動。意外事件在整個系統內所造成的破壞是永存的風險。
大自然具有非凡之力，能在利用復雜性之益的同時，規避隨之而來的風險。而我們面臨的問題是，人類缺乏大自然抵御災害的經驗。對于高度連通世界中產生的不確定性，我們無計可施。然而，演化本身的適應性和大自然給出的非常策略，為我們提供了意想不到的生存途徑，這是我們現在必須考慮的重要問題。
在地球45億年歷史間前10億年的某個時候，一個細胞涌現于由液態水孕育的原湯中。在那一刻，早期地球可預測的化學和物理過程讓位于沸騰、翻滾的復雜性。原始生命開始在深海中蓬勃發展，那里的海底火山釋放出熱量，并將混合物灑入海水。一旦生命出現，地球的進程和它所孕育的生命就形成了一個單一的、相互交織的系統。用相關術語來說，地球上相互作用的海洋、大氣和生命發展成了所謂的復雜適應性系統。一旦其各部分形成連接，并能夠對周圍環境做出反應，因果反饋閉環就能使系統不斷調整以適應環境。
圖2. 化學進化說主張，生命起源于原始地球條件下從無機到有機、由簡單到復雜的一系列化學進化過程。
在大約10億年的時間里，簡單細菌主導了生命，它們從硫化氫中提取氫，并將其與來自太陽的能量及深海火山口的碳相結合生成糖。由此，細菌生存策略的轉變引發了一連串的反饋，改變了隨后所有生命的進程。細菌不僅可以從沼澤或海洋中的硫化氫中提取氫，部分細菌還可直接從水中提取氫。它們可以生活在任何地方，只要那里有水和來自太陽的能量。這種作用在藍藻身上不斷加強，改變了大氣的構成。
氧氣是藍藻從水中提取氫的副產品，故大氣中的氧氣含量自25億年前就開始增加。那些習慣了低氧環境的細菌退到了沒有空氣的死水中，但生物整體上克服了大氣環境改變的問題，并繁榮起來。大氣中的氧氣保護植物免受太陽輻射傷害，使可進行光合作用的植物茁壯成長。在數十億年的時間里，海綿、珊瑚和水母在海洋中繁盛，其次是昆蟲、爬行動物、恐龍、哺乳動物和其他陸地動物。
2. 以多樣性對抗不確定性
生物多樣性既帶來了問題，也帶來了機遇。例如許多物種無法抵御彗星轟擊及火山噴發造成的氣候變化。大約2.5億年前，巨型火山的火山灰和氣體擋住了陽光，從而導致大多數物種的滅絕，包括三葉蟲、珊瑚和其它海洋生物。另一場可能的災難發生在大約6600萬年前，當時一顆彗星與地球相撞，巨大的碰撞將塵埃濺射到空中，再次阻擋了太陽的能量。許多生物，包括絕大部分恐龍，都沒能存活下來。但是在地球復雜的適應系統中，物種多樣性意味著總有某些物種能夠適應環境，得以延續其生命。如果沒有生命形式的多樣性，沒有生命形式內物種的多樣性，沒有物種內個體的多樣性，當災害危及地球時，地球上的生命可能不會在2.5億年前、6600萬年前，或是整個地質史的任何其他時期得到恢復。
圖3. 大約在6500萬年前，統治地球1億多年的恐龍滅絕。關于恐龍滅絕目前科學界最普遍的說法是一顆直徑長約10公里的小行星撞在了墨西哥東南部的尤卡坦半島，造成地球史上第五次生物大滅絕。
多樣性對于生命的益處不僅適用于古老的物種。如今，多樣性仍是人類應對氣候不確定性的保障。雖然我們的食物供應越來越依賴于少數幾種作物，但大自然的智慧表明，保持多樣性是明智的。這一原則不僅適用于作物，也適用于語言、世界觀、文化和種種被時代視為過時的知識形式。在金融領域，“投資組合多樣性”的好處是眾所周知的。而在工程領域，“設計多樣性”以略有不同的組件實現同一功能，從而建立失效保護機制。對種子銀行的投資以及對非西方思維方式價值的認識表明，我們正在慢慢理解自然界克服災難的原則。
恐龍滅絕后，大自然的適應能力為人類文明提供了另一個機會。哺乳動物是這場彗星悲劇中的贏家。在恐龍時代，早期的哺乳動物體型相對較大，它們會游泳、攀爬和挖洞。哺乳動物的時代大約起源于8億年前，當時大氣中豐富的氧氣引發了一種新的生存策略——從植物中獲取能量，而不是從太陽中吸收能量。動物從空氣中吸入氧氣，以消化食物，釋放可用能量。新的生存策略給動物帶來了機動性，使其不像植物一般需要根系以吸收土壤中的養分。這使得這類動物能夠滿足維持大腦所需的大量能量。
冷血海綿動物、水母、扁蟲和蛔蟲、魚類和爬行動物統治了動物王國幾億年。它們的策略是調整體溫以適應周圍環境，從而有效利用能量。它們要么曬太陽，要么躺在滾燙的巖石上取暖。到了晚上，當熱量的來源消失時，它們就會放慢行動速度來保存能量，所以蛇和其他冷血動物僅需每隔幾個月或一年進食一次。
圖4. 日本國立海洋研究開發機構的研究者們分析了從南太平洋環流區的深海平原74.5米以下收集的沉積物樣本（大約在海平面以下3700~5700米），驚人地發現海底下面沉積物中的微生物群落可以至少保持代謝活躍狀態長達1.015億年，相關論文于2020年7月28日刊登于《自然通訊》。（圖源自日本國立海洋研究開發機構）
大約在2.5億年前[1]，在一段相對短暫的時間內，另一個策略演化而出。恒溫動物，即鳥類和哺乳動物，逐漸演化形成恒定的體溫——這被稱為內穩態（homeostasis）。它們以原始效率的損失換取了細胞在恒溫條件下的頂峰性能。恒溫動物可以覓食、自衛，并在夜間活動，而冷血動物則會為低溫或高溫所困。
無論是白天黑夜還是春夏秋冬，恒溫動物所付出的代價是用于緩和溫度波動的能量。為了保持體溫穩定，恒溫動物需要比冷血動物吃得更多，也更頻繁。他們需要將體溫保持在對于細胞正常工作足夠穩定的水平，并防止進食后血糖過高，或未進食期間血糖過低。
3. 地球及其居民的內穩態機制
盡管存在問題，但自然的演化并沒有放棄恒溫動物的考驗，它們的優點甚至戰勝了其耗能大及需要維持內穩態的缺點。更確切地說，自我校正的負反饋循環使細胞免受溫度波動和血糖飆升的影響。對于人類來說，如果溫度過高，皮膚上的傳感器會向大腦發送信號，大腦又會向汗腺發送信號，使其分泌汗液。從皮膚上蒸發的汗液會降低我們的體溫，直到傳感器發出關閉汗腺的信號。如果溫度過低，大腦就會向肌肉發出打顫的信號，顫動就會產生熱量。大腦提供了一個自我調節的恒溫器，可以不自覺地打開或關閉汗腺、顫抖肌肉，防止我們過熱或過冷。同樣，我們身體復雜的系統將血糖控制在一定范圍內。飯后，當血糖過高時，胰腺分泌胰島素將糖運送到細胞，并幫助肝臟將它們排除在循環系統之外。當血糖過低時，另一種酶會將儲存的血糖釋放回血液中。該循環在自我調節系統中振蕩。
圖5. 人體溫度的平衡機制
自然界克服恒溫缺點的手段闡釋了復雜適應系統的關鍵策略——無論是動物體內調控營養物質、血液和酶流動的器官，還是生物圈、大氣圈和地質圈之間能量和營養物質的全球交換。內在的自我校正機制維持著內穩態，使得地球保持其適宜生命生存的條件，這對地球及其居民來說是至關重要的。在行星尺度上，同樣的穩態蹺蹺板已經使大氣中的溫室氣體水平在安全范圍內維持了數百萬年。植物從空氣中吸收碳，當植物凋零和腐爛時，碳就會回到大氣中。在更長的地質時間尺度上，火山將二氧化碳排放回大氣中。當碳以雨滴的形式溶解回到地球時，微小的海洋生物就會利用碳形成碳酸鈣的外殼，這些外殼最終會在動物死亡后沉入海底。通過這個過程，二氧化碳最終回到了幾百萬年前的大氣中。這種維持內穩態的循環是地球氣候穩定的秘密。如果沒有它們，地球將和火星、金星一般不適合生命生存。
維持于安全范圍內的體內穩態是復雜系統得以持續存在的基礎，這一原則也適用于人類社會。“熔斷機制（circuit-breaker）”即為內穩態的一種表現形式，它可以在股市崩盤拖垮經濟之前阻止股市暴跌。1987年10月19日“黑色星期一”崩盤后，金融監管機構引入了“熔斷機制”。在COVID-19 爆發時的市場崩潰期間，熔斷機制就受到了考驗。然而，很少有人會意識到這與全球碳循環、肌肉顫抖以及汗水分泌間的相似之處。
這種適應性使動物能夠間接地從植物中獲取能量，而不是僅從陽光中直接獲取能量，這給動物和植物雙方都帶來了機遇和挑戰。對植物來說，其傳播種子的方式可以不局限于風或水；開花植物可以利用花蜜的誘惑吸引蜜蜂、鳥類和蝴蝶，從而進行繁殖；昆蟲和鳥類的翅膀足可將花內的雄性花粉傳遞到雌性胚珠；扮演中介角色的動物會給植物的種子施肥……這都是固定的植物靠自己無法完成的任務。因此，植物發展出鮮艷的顏色和形狀來吸引授粉者。
圖6. 蜜蜂采蜜不僅利于自身繁殖，同時也促進了植物花粉傳播。
類似的策略也出現在果實累累的灌木和樹木上，它們引誘鳥類、嚙齒動物、蝙蝠、蜥蜴和其他喜歡水果的動物。動物在吃下多汁果肉的同時也吃下種子，并把種子撒在它們排便的地方。在一種互利的關系下，灌木和動物開始相互依賴。
這些新的協同策略為生活帶來了另一個層次的復雜性，即共生網絡意味著總體大于部分之和。授粉者和散播種子的生物獲得了花蜜和美味果實。開花植物和結果的灌木獲得了幫助繁殖的伙伴，兩者都因此受益。另一方面，如果它們在網絡中的伙伴死于疾病或捕食者，那它們或它們的后代都可能死亡。
網絡為生物提供了新的選擇，無論是將花粉運送到胚珠，通過腸道傳播種子，還是通過大腦攜帶血液。但它們也帶來了風險。當網絡的一個部分中斷時，故障會接踵而至，形成災難。如果開花植物和授粉者之間的聯系中斷，雙方都將失去生存機會。花的種子不能傳播，授粉者也得不到花蜜。這種影響會波及到其他依賴這種植物果實的動物，以及以這種植物為食的捕食者。
自我調節機制克服了恒溫的問題，與此類似，網絡的優勢戰勝了它們在自然界中的風險。在沒有刻意設計的情況下，大自然演化出了使系統崩潰可能性最小化的方法。一種植物很少依靠單一授粉者來傳播種子。授粉昆蟲也不依靠單一植物提供花蜜。以蘭花為例，它依靠21種不同種類的飛蛾和24種蝴蝶來傳播花粉，而不是單獨依靠其中任何一種。
4. 自然網絡的陰陽結構對人造世界的啟發
植物授粉者、種子傳播者和食物網的結構為防止聯鎖故障提供了另一道精妙的保險。那些只依賴少量共生伙伴的專一物種（specialist species）——比如向日葵蜜蜂，它們只以向日葵為食——與那些廣交友的物種（generalist species）們有不同的策略——比如蜜蜂，它們對植物伙伴沒有那么挑剔。一個專一物種往往依賴于少量廣交友的物種，而一個廣交友的物種往往依賴于大量的專一物種。這種網絡結構意味著[2]，在遇到災年或其他問題時，專一物種通過與廣交友的物種合作能獲得了一些保障。對于廣交友的物種來說，如果某個專一物種退出了這個網絡，其它物種仍可以代替該位置。這種共贏的安排避免了極端情況，如專一物種相配對中危險的單一依賴源，或廣交友的物種相配對中低效的多依賴源。
圖7. 世界上沒有兩片一模一樣的樹葉——多樣且冗余的葉脈網絡。（圖源自《Quantifying Loopy Network Architectures》）
大自然不僅僅依靠網絡來傳播花粉、種子和食物。葉子中微小的葉脈網絡將水分從土壤輸送到葉枝葉。這些葉脈將光合作用產生的糖帶回莖、根和植物的其他部分。葉脈網絡的演化是為了避免昆蟲撕裂葉脈時單點失效的危險。冗余的網絡閉環[3]貫穿整個葉子，在發生災難的情況下，葉脈有多種選擇來輸送水和糖。構建葉脈網絡的策略在能源和材料上的成本很大，但演化論的經驗表明，這份投資是值得的，在受益于網絡的同時又彌補了網絡的短板。
網絡給群居物種帶來了特殊的優勢和危險，但群居生活進一步說明了復雜系統中整體大于部分之和。一個社會群體可以防范捕食者，分擔尋找食物、處理垃圾和養育后代的責任。白蟻可能是最早采用群居及社交網絡策略的動物：它們可能在1.7億年前由蟑螂演化而來，具有可消化充裕的木材中纖維素的巨大優勢。它們的種群數量可達數百萬只，其中有搬運垃圾、照顧幼崽和覓食等專業分工。
盡管群居有其優勢，但種群內的聚居帶來了特有的問題，使得疾病更易傳播，但群居昆蟲卻很少死于流行病。不知出于何種原因，如果病原體進入蟻巢，蟻群就會采取對群體有利的行為——運送病人并為蟻巢消毒。被感染的成員自愿離開巢穴，同伴們也會策略性地調整它們的社交網絡。通過切斷社會群體之間的聯系，白蟻們阻止了病原體的傳播。
網絡的陰陽（yin and yang）結構或許為人造世界上了大自然最重要的一課。現代文明離不開貿易網絡和信息流，而網絡中對冗余路線的建設投資是有回報的，就像其對葉脈和植物授粉伙伴的作用一樣。由于城市的大部分地區依賴于遠方種植的糧食，糧食價格上漲會波及供給源單一網絡的政治情況。例如，COVID-19對提供食品和設備的供應鏈造成積壓，使這一教訓成為人們關注的焦點。
除了疾病傳播的問題，白蟻們還有另一個與人類文明內相似的問題需要解決。雖然工蟻是失明的，但它們仍能建造壯觀的白蟻丘，其高度甚至可以高于高大的人類，其內有為年輕白蟻準備的精巧房間、真菌花園、冷卻孔、地下隧道以及為蟻王、蟻后準備的皇家房間。然而，蟻后沒有能力為建筑結構制定計劃，也沒有能力指導每個工蟻將土壤運到正確的地方。這就是演化的另一個奇跡——社會性物種的自組織能力，無需中央集權式的協調或預先設計。
圖8. 一座壯觀高大的白蟻丘
蟻后在施工位置釋放出信息素以引導工蟻，工蟻則將土壤顆粒與唾液混合，用它的下顎揉捏后將顆粒置于施工點。工蟻的唾液中有一種信息素，它會向其他工蟻發出在同一地點放置土壤顆粒的信號。一旦工蟻將顆粒放入土堆中，它就會在同伴遺留信息素的引導下返回，搬運更多的土壤。工蟻們將越來越多的土壤搬運到不同的工地上，直到材料用盡。最終建成了一堵具有塔尖的厚墻。沒有建筑師來繪制藍圖，也沒有承包商來指導施工，當每只白蟻都遵循自己跟隨或釋放信息素的本能時，就建成了蟻丘。而目前，控制這些行為的基因密碼仍是一個未解之謎。
5. 學習大自然抵御災難的長期經驗
白蟻在自組織方面的能力使人類日益意識到，有時人們可以自下而上地解決問題。多產的科幻作家艾薩克·阿西莫夫（Isaac Asimov）在描寫以古羅馬帝國為原型的《銀河帝國》[4]未來的衰落時指出：銀河帝國的中央控制戰略結局并不好。帝國由于過分依賴外界星球及遠距離統治的復雜性而崩潰。在較小的規模上，社區自發組織，管理其森林、漁業和其他事務，比聽命于遠方政府要好，這些例子說明了自然經驗的力量。將人類社會和白蟻聚居區之間的類比有其局限性，塑造人類文明的是思想、道德和學習，而不是本能和信息素。但是，自然界對應復雜適應系統中風險的策略給了我們一些啟示——在復雜系統中，疾病可以輕易傳播，不可靠的伙伴可能導致合作網絡崩潰，意外的碰撞或火山爆發隨時可能摧毀已經建立的文明。縱觀歷史，從印度河流域到古羅馬，再到美國西南部的阿納薩齊（Anasazi），各種文明都面臨著類似的難題。他們依賴于巨型網絡和信賴關系進行貿易，并且統治者如蟻后一般，不能簡單地指揮和控制遙遠的領地。相互作用的生物圈、大氣圈、海洋和地質圈使我們的星球適宜居住，人類社會也符合復雜適應性系統的定義。
圖9. 只有經過嚴酷的考驗，人類才能不斷前進走向發展的高峰。——艾薩克·阿西莫夫 《永恒的終結》
粗略看來，人為機構從自然中學到的教訓似乎很荒謬。大自然對人類的價值不同情也不關心。人類社會會照顧生病、殘疾和無生產力的成員。也同時追求個人和集體的目標。相比之下，自然界中的個體除了與生俱來的生存及繁衍愿望之外，并沒有其他目標。人類社會通過思想及規則來演化、適應，但是細細想來，大自然的長期經驗為我們提供了教訓，幫助我們知道更好地應對災難并戰勝災難。
參考資料：
[1]https://theconversation.com/more-than-252-million-years-ago-mammal-ancestors-became-warm-blooded-to-survive-mass-extinction-79961
[2]Bascompte, J., Jordano, P., Melián, C. J., & Olesen, J. M. (2003). The nested assembly of plant-animal mutualistic networks. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 100(16), 9383–9387. https://doi.org/10.1073/pnas.1633576100
[3]Katifori E, Magnasco MO（2012）Quantifying Loopy Network Architectures. PLOS ONE 7(6): e37994. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0037994
[4]https://www.penguinrandomhouse.com/series/GE3/galactic-empire
原文地址：
https://aeon.co/essays/what-can-we-learn-from-natures-experience-of-catastrophes
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