大自然的剧本：人类能从复杂适应系统中学到什么

不仅生命有着内稳态，整个生态环境也有着各个层次的动态平衡，能够在各种突发灾难事件中复原。大自然具备强大的复原能力，其根本原因是相互作用的海洋、大气以及各种生命组成了复杂适应系统。人类社会同为复杂适应性系统，需要向自然学习。本文作者Ruth DeFries是哥伦比亚大学可持续发展教授、美国国家科学院院士。

撰文 | Ruth DeFries

译者 | 张澳

审校 | 胡一冰

1. 由简单到复杂：大自然的演化

大自然是出了名的复杂，但在过去并非总是如此。在地球形成初期，物理过程占主导地位。蒸汽从巨大的火山中喷涌而出，渗透到龟裂的地面，将星球变成由海洋覆盖的团块，在黑暗中盘旋。蒸汽至海水的相变机理在今天和45亿年前一致。在任何星球上，只要有足够的温度和气压，气体随时都可以变成液体。物理定律古今一致，简单明了且可预测。

生命的历史虽从决定论主导的相变出发，却并没有沿着这条简单的轨迹继续发展。它数十亿年的演化否决了简单的规则与可预测的结果。自然已成为复杂系统，一张由无形的连接构成的纠缠网络。随着复杂度的增加，扩张的机会随之而来，但同时也引入了湮灭的可能。所幸的是，对于每个出现的问题，自然都会演化出相应的对策。

城市的发展在连通性与复杂性上，可以与雨林或珊瑚礁相匹敌。食物可以通过复杂的供应链送到远方消费者的手中；水流由管道传输，垃圾被人移除；互联网信息在全世界高速流动；一场暴风甚至可以抬高股价从而引发暴乱；一种病毒也可以在短短几天内传遍世界。

图1. 万物互联的时代中社会的演化更为复杂

事实上，大自然的生命和现代文明有一些共同的基本问题。它们都需要抵御灾难，并随后从崩溃中恢复过来；它们都依赖于动态网络以运输材料和能源；它们都依赖于个体相互协作所形成的集体行动。意外事件在整个系统内所造成的破坏是永存的风险。

大自然具有非凡之力，能在利用复杂性之益的同时，规避随之而来的风险。而我们面临的问题是，人类缺乏大自然抵御灾害的经验。对于高度连通世界中产生的不确定性，我们无计可施。然而，演化本身的适应性和大自然给出的非常策略，为我们提供了意想不到的生存途径，这是我们现在必须考虑的重要问题。

在地球45亿年历史间前10亿年的某个时候，一个细胞涌现于由液态水孕育的原汤中。在那一刻，早期地球可预测的化学和物理过程让位于沸腾、翻滚的复杂性。原始生命开始在深海中蓬勃发展，那里的海底火山释放出热量，并将混合物洒入海水。一旦生命出现，地球的进程和它所孕育的生命就形成了一个单一的、相互交织的系统。用相关术语来说，地球上相互作用的海洋、大气和生命发展成了所谓的复杂适应性系统。一旦其各部分形成连接，并能够对周围环境做出反应，因果反馈闭环就能使系统不断调整以适应环境。

图2. 化学进化说主张，生命起源于原始地球条件下从无机到有机、由简单到复杂的一系列化学进化过程。

在大约10亿年的时间里，简单细菌主导了生命，它们从硫化氢中提取氢，并将其与来自太阳的能量及深海火山口的碳相结合生成糖。由此，细菌生存策略的转变引发了一连串的反馈，改变了随后所有生命的进程。细菌不仅可以从沼泽或海洋中的硫化氢中提取氢，部分细菌还可直接从水中提取氢。它们可以生活在任何地方，只要那里有水和来自太阳的能量。这种作用在蓝藻身上不断加强，改变了大气的构成。

氧气是蓝藻从水中提取氢的副产品，故大气中的氧气含量自25亿年前就开始增加。那些习惯了低氧环境的细菌退到了没有空气的死水中，但生物整体上克服了大气环境改变的问题，并繁荣起来。大气中的氧气保护植物免受太阳辐射伤害，使可进行光合作用的植物茁壮成长。在数十亿年的时间里，海绵、珊瑚和水母在海洋中繁盛，其次是昆虫、爬行动物、恐龙、哺乳动物和其他陆地动物。

2. 以多样性对抗不确定性

生物多样性既带来了问题，也带来了机遇。例如许多物种无法抵御彗星轰击及火山喷发造成的气候变化。大约2.5亿年前，巨型火山的火山灰和气体挡住了阳光，从而导致大多数物种的灭绝，包括三叶虫、珊瑚和其它海洋生物。另一场可能的灾难发生在大约6600万年前，当时一颗彗星与地球相撞，巨大的碰撞将尘埃溅射到空中，再次阻挡了太阳的能量。许多生物，包括绝大部分恐龙，都没能存活下来。但是在地球复杂的适应系统中，物种多样性意味着总有某些物种能够适应环境，得以延续其生命。如果没有生命形式的多样性，没有生命形式内物种的多样性，没有物种内个体的多样性，当灾害危及地球时，地球上的生命可能不会在2.5亿年前、6600万年前，或是整个地质史的任何其他时期得到恢复。

图3. 大约在6500万年前，统治地球1亿多年的恐龙灭绝。关于恐龙灭绝目前科学界最普遍的说法是一颗直径长约10公里的小行星撞在了墨西哥东南部的尤卡坦半岛，造成地球史上第五次生物大灭绝。

多样性对于生命的益处不仅适用于古老的物种。如今，多样性仍是人类应对气候不确定性的保障。虽然我们的食物供应越来越依赖于少数几种作物，但大自然的智慧表明，保持多样性是明智的。这一原则不仅适用于作物，也适用于语言、世界观、文化和种种被时代视为过时的知识形式。在金融领域，“投资组合多样性”的好处是众所周知的。而在工程领域，“设计多样性”以略有不同的组件实现同一功能，从而建立失效保护机制。对种子银行的投资以及对非西方思维方式价值的认识表明，我们正在慢慢理解自然界克服灾难的原则。

恐龙灭绝后，大自然的适应能力为人类文明提供了另一个机会。哺乳动物是这场彗星悲剧中的赢家。在恐龙时代，早期的哺乳动物体型相对较大，它们会游泳、攀爬和挖洞。哺乳动物的时代大约起源于8亿年前，当时大气中丰富的氧气引发了一种新的生存策略——从植物中获取能量，而不是从太阳中吸收能量。动物从空气中吸入氧气，以消化食物，释放可用能量。新的生存策略给动物带来了机动性，使其不像植物一般需要根系以吸收土壤中的养分。这使得这类动物能够满足维持大脑所需的大量能量。

冷血海绵动物、水母、扁虫和蛔虫、鱼类和爬行动物统治了动物王国几亿年。它们的策略是调整体温以适应周围环境，从而有效利用能量。它们要么晒太阳，要么躺在滚烫的岩石上取暖。到了晚上，当热量的来源消失时，它们就会放慢行动速度来保存能量，所以蛇和其他冷血动物仅需每隔几个月或一年进食一次。

图4. 日本国立海洋研究开发机构的研究者们分析了从南太平洋环流区的深海平原74.5米以下收集的沉积物样本（大约在海平面以下3700~5700米），惊人地发现海底下面沉积物中的微生物群落可以至少保持代谢活跃状态长达1.015亿年，相关论文于2020年7月28日刊登于《自然通讯》。（图源自日本国立海洋研究开发机构）

大约在2.5亿年前[1]，在一段相对短暂的时间内，另一个策略演化而出。恒温动物，即鸟类和哺乳动物，逐渐演化形成恒定的体温——这被称为内稳态（homeostasis）。它们以原始效率的损失换取了细胞在恒温条件下的顶峰性能。恒温动物可以觅食、自卫，并在夜间活动，而冷血动物则会为低温或高温所困。

无论是白天黑夜还是春夏秋冬，恒温动物所付出的代价是用于缓和温度波动的能量。为了保持体温稳定，恒温动物需要比冷血动物吃得更多，也更频繁。他们需要将体温保持在对于细胞正常工作足够稳定的水平，并防止进食后血糖过高，或未进食期间血糖过低。

3. 地球及其居民的内稳态机制

尽管存在问题，但自然的演化并没有放弃恒温动物的考验，它们的优点甚至战胜了其耗能大及需要维持内稳态的缺点。更确切地说，自我校正的负反馈循环使细胞免受温度波动和血糖飙升的影响。对于人类来说，如果温度过高，皮肤上的传感器会向大脑发送信号，大脑又会向汗腺发送信号，使其分泌汗液。从皮肤上蒸发的汗液会降低我们的体温，直到传感器发出关闭汗腺的信号。如果温度过低，大脑就会向肌肉发出打颤的信号，颤动就会产生热量。大脑提供了一个自我调节的恒温器，可以不自觉地打开或关闭汗腺、颤抖肌肉，防止我们过热或过冷。同样，我们身体复杂的系统将血糖控制在一定范围内。饭后，当血糖过高时，胰腺分泌胰岛素将糖运送到细胞，并帮助肝脏将它们排除在循环系统之外。当血糖过低时，另一种酶会将储存的血糖释放回血液中。该循环在自我调节系统中振荡。

图5. 人体温度的平衡机制

自然界克服恒温缺点的手段阐释了复杂适应系统的关键策略——无论是动物体内调控营养物质、血液和酶流动的器官，还是生物圈、大气圈和地质圈之间能量和营养物质的全球交换。内在的自我校正机制维持着内稳态，使得地球保持其适宜生命生存的条件，这对地球及其居民来说是至关重要的。

在行星尺度上，同样的稳态跷跷板已经使大气中的温室气体水平在安全范围内维持了数百万年。植物从空气中吸收碳，当植物凋零和腐烂时，碳就会回到大气中。在更长的地质时间尺度上，火山将二氧化碳排放回大气中。当碳以雨滴的形式溶解回到地球时，微小的海洋生物就会利用碳形成碳酸钙的外壳，这些外壳最终会在动物死亡后沉入海底。通过这个过程，二氧化碳最终回到了几百万年前的大气中。这种维持内稳态的循环是地球气候稳定的秘密。如果没有它们，地球将和火星、金星一般不适合生命生存。

维持于安全范围内的体内稳态是复杂系统得以持续存在的基础，这一原则也适用于人类社会。“熔断机制（circuit-breaker）”即为内稳态的一种表现形式，它可以在股市崩盘拖垮经济之前阻止股市暴跌。1987年10月19日“黑色星期一”崩盘后，金融监管机构引入了“熔断机制”。在COVID-19 爆发时的市场崩溃期间，熔断机制就受到了考验。然而，很少有人会意识到这与全球碳循环、肌肉颤抖以及汗水分泌间的相似之处。

这种适应性使动物能够间接地从植物中获取能量，而不是仅从阳光中直接获取能量，这给动物和植物双方都带来了机遇和挑战。对植物来说，其传播种子的方式可以不局限于风或水；开花植物可以利用花蜜的诱惑吸引蜜蜂、鸟类和蝴蝶，从而进行繁殖；昆虫和鸟类的翅膀足可将花内的雄性花粉传递到雌性胚珠；扮演中介角色的动物会给植物的种子施肥……这都是固定的植物靠自己无法完成的任务。因此，植物发展出鲜艳的颜色和形状来吸引授粉者。

图6. 蜜蜂采蜜不仅利于自身繁殖，同时也促进了植物花粉传播。

类似的策略也出现在果实累累的灌木和树木上，它们引诱鸟类、啮齿动物、蝙蝠、蜥蜴和其他喜欢水果的动物。动物在吃下多汁果肉的同时也吃下种子，并把种子撒在它们排便的地方。在一种互利的关系下，灌木和动物开始相互依赖。

这些新的协同策略为生活带来了另一个层次的复杂性，即共生网络意味着总体大于部分之和。授粉者和散播种子的生物获得了花蜜和美味果实。开花植物和结果的灌木获得了帮助繁殖的伙伴，两者都因此受益。另一方面，如果它们在网络中的伙伴死于疾病或捕食者，那它们或它们的后代都可能死亡。

网络为生物提供了新的选择，无论是将花粉运送到胚珠，通过肠道传播种子，还是通过大脑携带血液。但它们也带来了风险。当网络的一个部分中断时，故障会接踵而至，形成灾难。如果开花植物和授粉者之间的联系中断，双方都将失去生存机会。花的种子不能传播，授粉者也得不到花蜜。这种影响会波及到其他依赖这种植物果实的动物，以及以这种植物为食的捕食者。

自我调节机制克服了恒温的问题，与此类似，网络的优势战胜了它们在自然界中的风险。在没有刻意设计的情况下，大自然演化出了使系统崩溃可能性最小化的方法。一种植物很少依靠单一授粉者来传播种子。授粉昆虫也不依靠单一植物提供花蜜。以兰花为例，它依靠21种不同种类的飞蛾和24种蝴蝶来传播花粉，而不是单独依靠其中任何一种。

4. 自然网络的阴阳结构对人造世界的启发

植物授粉者、种子传播者和食物网的结构为防止联锁故障提供了另一道精妙的保险。那些只依赖少量共生伙伴的专一物种（specialist species）——比如向日葵蜜蜂，它们只以向日葵为食——与那些广交友的物种（generalist species）们有不同的策略——比如蜜蜂，它们对植物伙伴没有那么挑剔。一个专一物种往往依赖于少量广交友的物种，而一个广交友的物种往往依赖于大量的专一物种。这种网络结构意味着[2]，在遇到灾年或其他问题时，专一物种通过与广交友的物种合作能获得了一些保障。对于广交友的物种来说，如果某个专一物种退出了这个网络，其它物种仍可以代替该位置。这种共赢的安排避免了极端情况，如专一物种相配对中危险的单一依赖源，或广交友的物种相配对中低效的多依赖源。

图7. 世界上没有两片一模一样的树叶——多样且冗余的叶脉网络。（图源自《Quantifying Loopy Network Architectures》）

大自然不仅仅依靠网络来传播花粉、种子和食物。叶子中微小的叶脉网络将水分从土壤输送到叶枝叶。这些叶脉将光合作用产生的糖带回茎、根和植物的其他部分。叶脉网络的演化是为了避免昆虫撕裂叶脉时单点失效的危险。冗余的网络闭环[3]贯穿整个叶子，在发生灾难的情况下，叶脉有多种选择来输送水和糖。构建叶脉网络的策略在能源和材料上的成本很大，但演化论的经验表明，这份投资是值得的，在受益于网络的同时又弥补了网络的短板。

网络给群居物种带来了特殊的优势和危险，但群居生活进一步说明了复杂系统中整体大于部分之和。一个社会群体可以防范捕食者，分担寻找食物、处理垃圾和养育后代的责任。白蚁可能是最早采用群居及社交网络策略的动物：它们可能在1.7亿年前由蟑螂演化而来，具有可消化充裕的木材中纤维素的巨大优势。它们的种群数量可达数百万只，其中有搬运垃圾、照顾幼崽和觅食等专业分工。

尽管群居有其优势，但种群内的聚居带来了特有的问题，使得疾病更易传播，但群居昆虫却很少死于流行病。不知出于何种原因，如果病原体进入蚁巢，蚁群就会采取对群体有利的行为——运送病人并为蚁巢消毒。被感染的成员自愿离开巢穴，同伴们也会策略性地调整它们的社交网络。通过切断社会群体之间的联系，白蚁们阻止了病原体的传播。

网络的阴阳（yin and yang）结构或许为人造世界上了大自然最重要的一课。现代文明离不开贸易网络和信息流，而网络中对冗余路线的建设投资是有回报的，就像其对叶脉和植物授粉伙伴的作用一样。由于城市的大部分地区依赖于远方种植的粮食，粮食价格上涨会波及供给源单一网络的政治情况。例如，COVID-19对提供食品和设备的供应链造成积压，使这一教训成为人们关注的焦点。

除了疾病传播的问题，白蚁们还有另一个与人类文明内相似的问题需要解决。虽然工蚁是失明的，但它们仍能建造壮观的白蚁丘，其高度甚至可以高于高大的人类，其内有为年轻白蚁准备的精巧房间、真菌花园、冷却孔、地下隧道以及为蚁王、蚁后准备的皇家房间。然而，蚁后没有能力为建筑结构制定计划，也没有能力指导每个工蚁将土壤运到正确的地方。这就是演化的另一个奇迹——社会性物种的自组织能力，无需中央集权式的协调或预先设计。

图8. 一座壮观高大的白蚁丘

蚁后在施工位置释放出信息素以引导工蚁，工蚁则将土壤颗粒与唾液混合，用它的下颚揉捏后将颗粒置于施工点。工蚁的唾液中有一种信息素，它会向其他工蚁发出在同一地点放置土壤颗粒的信号。一旦工蚁将颗粒放入土堆中，它就会在同伴遗留信息素的引导下返回，搬运更多的土壤。工蚁们将越来越多的土壤搬运到不同的工地上，直到材料用尽。最终建成了一堵具有塔尖的厚墙。没有建筑师来绘制蓝图，也没有承包商来指导施工，当每只白蚁都遵循自己跟随或释放信息素的本能时，就建成了蚁丘。而目前，控制这些行为的基因密码仍是一个未解之谜。

5. 学习大自然抵御灾难的长期经验

白蚁在自组织方面的能力使人类日益意识到，有时人们可以自下而上地解决问题。多产的科幻作家艾萨克·阿西莫夫（Isaac Asimov）在描写以古罗马帝国为原型的《银河帝国》[4]未来的衰落时指出：银河帝国的中央控制战略结局并不好。帝国由于过分依赖外界星球及远距离统治的复杂性而崩溃。在较小的规模上，社区自发组织，管理其森林、渔业和其他事务，比听命于远方政府要好，这些例子说明了自然经验的力量。

将人类社会和白蚁聚居区之间的类比有其局限性，塑造人类文明的是思想、道德和学习，而不是本能和信息素。但是，自然界对应复杂适应系统中风险的策略给了我们一些启示——在复杂系统中，疾病可以轻易传播，不可靠的伙伴可能导致合作网络崩溃，意外的碰撞或火山爆发随时可能摧毁已经建立的文明。纵观历史，从印度河流域到古罗马，再到美国西南部的阿纳萨齐（Anasazi），各种文明都面临着类似的难题。他们依赖于巨型网络和信赖关系进行贸易，并且统治者如蚁后一般，不能简单地指挥和控制遥远的领地。相互作用的生物圈、大气圈、海洋和地质圈使我们的星球适宜居住，人类社会也符合复杂适应性系统的定义。

图9. 只有经过严酷的考验，人类才能不断前进走向发展的高峰。——艾萨克·阿西莫夫 《永恒的终结》

粗略看来，人为机构从自然中学到的教训似乎很荒谬。大自然对人类的价值不同情也不关心。人类社会会照顾生病、残疾和无生产力的成员。也同时追求个人和集体的目标。相比之下，自然界中的个体除了与生俱来的生存及繁衍愿望之外，并没有其他目标。人类社会通过思想及规则来演化、适应，但是细细想来，大自然的长期经验为我们提供了教训，帮助我们知道更好地应对灾难并战胜灾难。

参考资料

[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