应对突发灾难,演化了数十亿年的大自然用了啥招?

世界科学

地球上的生命长期以来都面临着各种不可预测的挑战,小行星撞击、剧烈的气候变化和新的病原体曾多次导致生物大规模灭绝……但在数十亿年的时间里,大自然已经进化出应对种种突发冲击的策略。

人类通过向大自然学习,发展了许多新技术,比如模仿植物尖刺的魔术贴搭扣、模仿白蚁穴的冷却塔等。

除此以外,应对不可预测的突发挑战,我们依然可以从遭受多次灾难冲击且适应下来的自然系统汲取灵感。

模仿植物尖刺的魔术贴搭扣

印度Hyperions生态社区不用空调,利用类似白蚁穴的结构,使建筑物冬暖夏凉

向大自然学习设计出更好的社会网络系统

网络是现代经济的命脉,从全球食品贸易到电网再到社会关系,复杂的网络带来了巨大的利益,但也带来了巨大的风险。航空业的中心辐射型网络这些特征尤其凸显——重要枢纽一旦发生故障便会产生连锁反应,整个系统会停止运行。

中心辐射型网络示意图

人类倾向于构建中心辐射型网络,网络科学家艾伯特-拉斯洛·巴拉巴西(Albert- László Barabási)称之为“优先连接”(preferentialattachment)。比如,我们倾向扩建客流量大的航空枢纽,从最大的供应商那里购买商品,点击流量最大的网站……通过网络便于调配人员、商品和信息,而这些做法其实很符合“大自然”的策略。

艾伯特-拉斯洛·巴拉巴西(Albert- László Barabási),网络科学家

在生命进化的早期,植物也采用了同样的方法。

在最原始的植物中——银杏树和早期蕨类植物——传输水分的叶脉数目非常少。如果某一叶脉被虫子咬坏,从那一点之后,整片叶子都获取不到水分。为了弥补这一缺陷,开花植物进化出了结成许多微小回路的叶脉,叶脉网络某一部分受到破坏,还有其他路径可以继续发挥作用,供应水分。

银杏树叶的叶脉,只有分叉;开花植物叶脉形成网络

物理学家埃莱尼·卡蒂菲里(Eleni Katifori)研究表明,昆虫的翅膀、珊瑚骨骼和人类视网膜上的血管也有类似的环形网络。

构建这样的网络是有代价的。叶子、昆虫或珊瑚需要投入能量和材料来建立额外的回路;但当网络的一部分受损时,投资就得到了回报。

冷战时期,美国防务界在设计通信网络时也经历了同样的演变过程。军方要求,即使军方的指挥和控制中心被核打击摧毁,也要有计算机能够相互通信。

1961年,兰德公司的一位年轻工程师保罗?巴兰(Paul Baran)建议使用一个有大量冗余的环形网络。如果攻击击中一些节点,消息仍然可以通过许多其他路径流动,缺点是建造额外的线路要花费成本。

保罗·巴兰(Paul Baran,1926年4月19日-2011年3月31日),互联网之父之一

据巴兰回忆,那是20世纪60年代初,他在美国电话电报公司总部与高级官员开会,向“一群老家伙”提出了这个想法。在他讲到一半时,这些灰白胡子的人打断了巴兰,驳回了这个想法。

这个计划被遗忘了,直到十年后,20世纪70年代,美国国防部的工程师们开始研究早期的互联网,他们开始使用巴兰的环形网络在电脑之间传送信息包,而不是通过一条容易阻塞的单一固定路径传送信息。

此外,正如我们在2020年所亲历的那样,如果网络里出现危险的疾病或有害的错误信息,它也可能成为灾难的通道。我们依然可以把目光投向大自然。白蚁、蜜蜂、蚂蚁和其他群居昆虫也会面临着类似的问题:如果一个个体携带了潜在的致命病毒或真菌进入巢穴,它的同伴需要尽快阻止病毒的传播,做法便是停止移动,进行隔离——尽管这些行为对西方人来说很难实现。

向大自然学习自我修正

我们还可以从大自然长期以来自我修正地球气候的经验中吸取教训。

随着时间的推移,大气中的二氧化碳含量会升、降,这种升、降过程受到一种机制的控制,也正是这种机制防止地球出现金星上那种失控的温室效应。

在金星上,火山向大气中喷射了大量温室气体,温度之高以至于水只能以水蒸气形式存在。在地球上,当地球变暖,更多的水蒸发,产生更多的雨水,从空气中去除二氧化碳,使温度降下来;相反,当气温较低时,雨水减少,通过这个过程清除二氧化碳的量减少,地球变暖。

这个过程非常简洁和巧妙,地球因此也保持了相对平稳的状态。(不过,这种平衡现在受到了我们自身大量碳排放的威胁。)

地球水循环的同时调控二氧化碳的含量

防止突发的系统失控的机制也是人类社会长期生存的关键。

例如,在1987年10月19日的黑色星期一(股市单日跌幅创纪录)之后,监管机构设立了“熔断机制”。当市场跌至低于预先设定的百分比时,该自动算法会暂停交易几秒钟。在交易恢复之前,市场有一段时间可以稳定下来。每次发生事故,监管机构都会继续修订触发熔断的规则。

2020年3月,疫情大流行的消息导致股市在几个交易日内大幅下跌,证明了这一机制存在的价值。

大自然通过数十亿年演化,遴选了稳定、自我修正的策略和机制。人类发展史远没有那么长,社会各类机构,包括政府和企业都可以向大自然学习冗余信息处理策略,建立效率和弹性两方面实现平衡的制度和网络。

岁月静好时,这些策略似乎是低效或多余的。但当意外冲击来袭时,社会会得到回报,而实际上,意外总是不可避免的。

资料来源:Nature's Guideto Building Resilient Systems

http://www.worldscience.cn/c/2021-01-11/630048.shtml

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