【原】03 像生態(tài)學家那樣思考-1 生態(tài)學四定律

生態(tài)學時空 2021-11-20

展開全文

《生態(tài)學：管理自然的經濟學》

Ecology: The Economy of Managing Nature

復旦大學生命科學學院趙斌教授在中國大學MOOC網站上傾心打造的《生態(tài)學：管理大自然的經濟學》。關注本公眾號，可在第一時間獲得課程的同步更新。

?掃碼可進入中國大學慕課課程?

最樸素的風格，最真摯的DIY課程

同學們好，今天我們要講的主題是：生態(tài)學四定律。

說到科學中的定律，我們首先想到的就是剛開始學習物理的時候，接觸到的那些非常簡約而普遍性的概括，比如牛頓力學三大定律、熱力學四定律、愛因斯坦的相對論等等。這些定律經過多年重復實驗和觀察，是在科學領域內得到了普遍接受的認識。當然，定律是從自然現象中演繹出的規(guī)則，能夠用來描述與預測自然現象。但是，大多定律只能用以描述特定情況、特定尺度下的現實世界，在其它尺度下可能會失效或者不是那么準確。生態(tài)學作為一門研究生物體與周圍環(huán)境相互關系的自然科學，是否也有類似的定律呢？在我們的教課書中，的確沒有提到。如果你找一位學生，甚至學過生態(tài)學多年的學生問，生態(tài)學第一定律是什么呀，我?guī)缀醺铱隙ㄋ腔卮鸩簧蟻淼?。所以我專門來講一講這個內容是非常有必要的。

要談生態(tài)學定律，我們不得不提巴里·康納（Barry Commoner）這位老前輩了，康納一輩子寫過很多書，在這本1971年出版的theclosingcircle中，他解釋了生態(tài)學的四大定律是什么，同時列舉了一些清晰而易懂的例子，說明生態(tài)學的真正含義是什么。對他的成就做一番總結，那就是“第一次對即將到來的環(huán)境危機發(fā)出了警報”。有人可能會問：“第一次對即將到來的環(huán)境危機發(fā)出警報”不是雷切爾·卡倫寫的《寂靜的春天》嗎？很好的問題，但《寂靜的春天》的貢獻是第一次將生態(tài)學理念植入大眾意識。

康納一生致力于幫助人們看到生態(tài)學思維的好處，他認為：生態(tài)學還沒有發(fā)展出一種類似于物理學定律那樣自洽和簡約的概括，然而根據我們對生態(tài)系統的了解，其實已經有許多很明顯的總結和概括了，如果能將這些概括組織起來，就能成為一種非正式的生態(tài)學定律?？导{在描述這些定律的時候，并不關心在這場人與自然的游戲中明確的責任是什么，而是通過闡述經驗法則，以及不可避免的原則，告訴人們，如果這些問題被忽視將會發(fā)生什么。這是康納1970年2月登上美國時代雜志封面的圖片，也說明了他的卓越貢獻在當時所獲得的認可程度。

我們先將這四條定律列出:

(1)萬物皆相連

(2)萬物皆有歸屬

(3)自然最通曉

(4)沒有免費的午餐

看上去這樣說得比較籠統，后面我們就來一一說明。

首先，是生態(tài)學第一定律：萬物皆相連。它反映了生態(tài)系統中不同生物之間、不同種群、物種和個體生物之間及其物理、化學環(huán)境之間復雜的網絡聯系。一個生態(tài)系統由多個相互連接的部分組成，它們相互作用。人類與其他物種相互聯系，也依賴于其他物種。

我們生活在一個生物圈里，每個人的行為都影響著其他人。我們都在一個系統中，這個系統就是生態(tài)系統。舉個例子來說，美國麥當勞業(yè)務的拓展與巴西亞馬遜森林的大規(guī)?？撤ビ泻温撓担堪臀鱽嗰R遜森林被砍伐，主要是為放牧牲畜提供更多的牧場。其中，養(yǎng)牛是為了獲得牛肉。美國的麥當勞要占領更多的世界市場，就要出售更多的漢堡，意味著要購買更多的牛肉，這又鼓勵了巴西人砍伐更多的森林，所以美國的麥當勞業(yè)務發(fā)展與巴西亞馬遜森林的大規(guī)?？撤ビ蟹浅Ｖ匾穆撓?。

無獨有偶，肯德基當然也具有類似的聯系。有人將KFC的廣告改成：肯德基對熱帶雨林來說是不好的！

當然，要解釋清楚這種聯系，在康納那個時代，還動用了控制論來進行理論解釋，控制論就是英文cybernetics，當時這個學科非常熱門，對于人們描繪系統行為有很大幫助。而這個基本概念就是來自諾伯特·維納（Norbert Wiener）的創(chuàng)造性思維。

“cybernetics”一詞來源于希臘語中的“舵手”（helmsman）一詞，它涉及引導或控制系統行為的事件周期。舵手是系統的一部分，還包括羅盤、方向舵和船舶，如果船舶偏離選定的羅盤航向，羅盤指針的運動就會出現變化，舵手就會轉動方向舵，使船回到原來的航向，羅盤指針也就回到原來的航向。但如果舵轉得太快太遠，船就會過度擺動，舵手只好向相反方向運動來進行糾正。這種循環(huán)運行穩(wěn)定了船的航向。顯然，我們看到，在這種控制系統中，整個過程并不是剛性控制的，而是由柔性控制來維持的。因此，這艘船并非總是沿著路徑移動，而是一種搖擺運動，在航線兩側均勻擺動。擺動的頻率取決于整個周期中各個步驟的相對速度，例如，船對舵的響應速度。生態(tài)系統的響應速度相對要慢，因此它們對變化或接近崩潰點的反應速度也不是那么快。

同樣，穩(wěn)定的控制論關系可以構建成一個生態(tài)系統的物質循環(huán)過程。例如，我們來看水體生態(tài)系統中一個簡單的營養(yǎng)循環(huán)：魚類產生的有機排泄物和廢物，在細菌作用下，變成無機產物，被藻類等浮游植物所利用，然后再被浮游動物所利用，最后二者都被魚類所利用。假設由于異常溫暖的夏季天氣，藻類迅速生長，這會耗盡水體中的無機營養(yǎng)，藻類與營養(yǎng)關系失衡，也就是說，藻類越多，營養(yǎng)越少。但生態(tài)系統的運作，就像輪船控制系統一樣，很快恢復平衡。因為藻類的增殖，促進了浮游動物和魚類的增加，一方面會減少藻類的數量，另一方面又增加了魚類數量，廢物的產生也增多，最終導致水中營養(yǎng)物質的增加。因此，藻類和營養(yǎng)水平就恢復到原來的平衡位置。

剛才只是一個簡單的食物鏈聯系，但大多生態(tài)系統非常復雜，以至于循環(huán)不是簡單的圓形路徑，而是與分支交叉形成網絡或互連的結構，也就是我們俗稱的食物網。生態(tài)系統越復雜，就越能成功地抵御壓力。其實這一點還是很容易理解的。

比如在紡織物中，紡織物就是一個網絡，每一個結都是由好幾股線連接起來的，這樣的紡織物比一個簡單的、不分叉的線團抵抗能力要強得多，對于線團來說，在任何地方剪下來，整體就會斷裂。而環(huán)境污染問題，往往就是生態(tài)聯系被切斷，生態(tài)系統被人為簡化，導致系統最終更容易崩潰。

同樣，一個生態(tài)系統的能量傳輸，也遵循萬物皆相連的過程，從生態(tài)系統捕獲光能開始，一步一步傳遞給更高營養(yǎng)級的生物，其中一些能量以熱能的形式排放出去。

接著，我們再看看生態(tài)學第二定律：萬物皆有歸屬。例如，當燃燒木頭時，它并沒有消失，而是變成了水蒸氣、二氧化碳和氣體，還有煙塵上升到空氣中，煙塵會慢慢沉淀到地表，其他的構成了大氣的一部分。其實，類似的描述，在物理學基本定律就有“物質不滅”一說，這里只是對這個基本定律的一種非正式重申而已。

而這個定律應用到生態(tài)學中，那就是強調自然界是沒有“廢物”這種東西的，一切都在環(huán)境中占有一席之地。自然界沒有專門準備一個放“垃圾”的地方，一切都必須去某個地方，該來的躲不掉。在自然系統中，動物呼吸釋放二氧化碳，而這是綠色植物的基本營養(yǎng)素，植物吸收二氧化碳排出氧氣，供動物使用。也就是說，一個有機體產生的廢物，可以被另一個有機體作為營養(yǎng)吸收。甚至，如果設計適當，有些動物的排泄物甚至可以成為另一個動物的食物。比如，牛糞可以養(yǎng)豬，而豬糞還可以養(yǎng)雞，當然只能作為有限的添加劑使用。

自然條件下產生的物質，在分子層面是可生物降解的，也就是說，通過自然過程和生物體，能夠將復雜的分子降解到更簡單的分子或元素，從而能夠被循環(huán)利用。但是，在人類世界中，人類已經創(chuàng)造出了許多不可生物降解的分子，自然過程不能將它們降解成更簡單、可重復利用的部分。其中許多對生物有害，比如滴滴涕、二惡英等等。

在我們前面提到的卡森1962年出版《寂靜的春天》一書中，她就談到了DDT。當時的美國，用DDT作為一種重要的殺蟲劑進行全面噴灑。卡森在書中談到了DDT是如何對當地的湖泊、河流、海洋，還有野生動物和人類產生影響的。這些化學物質通過食物鏈，從水到鳥類、魚類和其他野生動物，甚至最終到人類。DDT進入動物體，并不會通過尿液或糞便排除，因為生物體并不知道如何代謝這樣的物質，于是就保存在體內。對細胞就是這樣的策略，對于不認識的東西，先晾在一邊，等待日后有什么辦法，通常儲存是脂肪細胞中，而且隨著動物繼續(xù)攝入含有DDT的食物，數量不斷增加。由于生態(tài)系統營養(yǎng)循環(huán)中相鄰營養(yǎng)級之間存在的十分之一法則，每增加一個營養(yǎng)級，DDT的含量就增加10倍，也就是生物放大作用。對鳥產生的危害就是，鳥蛋的殼很脆，很容易破，影響鳥類后代的成活率。

對于這樣的問題，如果我們不斷地詢問“它去哪里了”，也許能獲得更多信息。例如，一個人買了一個含汞的干電池，用完后“扔掉”，那么汞去哪里了？電池進入垃圾容器，被收集后送到焚化爐。焚化后就消失了么？沒有。在焚化爐中，汞被加熱，產生汞蒸氣，汞蒸氣由焚燒爐煙囪排放出去。煙消云散之后，又去了哪里？汞蒸氣被風攜帶，最終在雨雪中帶回地面，進入水體后，汞會凝結而沉到底部，然后又去了哪里？然后就被細菌利用，轉化成甲基汞，甲基汞是可溶的，可以被魚吸收；在魚體內，它不被會被代謝掉，只是在魚的器官和肌肉中不斷積累，然后這些魚被人捕獲。人吃了這些魚，汞就積累在人的器官里了，汞顯然對人來說是有害的。也就是說，最終危害的還是人類自己。可見，如果我們不斷地詢問“它去哪里了”，就可以產生大量對理解生態(tài)系統健康有價值的信息。

這也許是尋找生態(tài)學研究的有效途徑，同時有助于我們消除一些誤解。以前我們總認為，無用的東西丟棄后會“消失”。實際上，它們從來沒有“消失”，它們只是從一個地方轉移到了另一個地方，從一種分子形式轉換到另一種分子形式，作用于各種有機體的生命過程，在其中停留一段時間。造成目前環(huán)境危機的一個重要原因，就是大量的物質從地球被提取出來，轉化成新的形式，并排放到環(huán)境中，而沒有考慮到“萬物皆有歸屬”。結果往往是有害物質在某個地方累積，而它們本來并不屬于那里。

理解生態(tài)學第三定律，可能會相對比較困難一些，因為我們有一個根深蒂固的觀點：人類具有獨特的能力。現代技術最普遍的特點之一，就是它旨在“改善自然”，提供食物、衣服、住所以及各種交流和表達方式，這顯然比自然界提供給人類的要更加優(yōu)越。而生態(tài)學第三定律所說的自然最通曉，其含義實際上是：放任自然不管是最好的。因為自然界是一個完美的系統，人為干預和活動破壞了這個系統。而且自然系統中的任何重大人為改變都可能對該系統有損害。這雖是一個比較極端的認識，但我們應該相信，如果放在一定的背景中去理解，其實是有很多好處的：也就是說我們盡量向大自然學習，學習大自然的靈感。

向大自然學習，可以從生物靈感出發(fā)，大家很快就會想到仿生學。的確，仿生學就是專門研究和學習自然的最佳想法，以產生突破性產品和技術的。這方面的例子不勝枚舉。在當今社會，如何讓最新型的技術與仿生學進行完美結合，的確是一個非常值得研究的問題。我們這里想用一個更奇妙的例子來進行說明。

我們的現代生活，已經越來越離不開各種屏幕了，然而屏幕顯示器背光是最耗電的部件。對于手機這類便攜設備來說，我們希望能省電，這樣就可以用一個非常輕的電池來減少重量。很明顯，如果能減少屏幕背光的點亮時間，而利用反射光來顯示顏色，就可節(jié)省大量的電能。這就是高通公司的Mirasol顯示屏所采用的技術，Mirasol，好像中文名是“向日葵”。其技術原型，居然是來自蝴蝶翅膀，用干涉來創(chuàng)造顏色。

另外，手機屏幕在陽光下幾乎是看不清的，為了克服這個問題，一般采用提高屏幕亮度來應對。蝴蝶呀，的確是一種令人驚訝的科技靈感來源。有些蝴蝶的翅膀同樣是透明的，卻不會反射光線，這樣可以很好躲避掠食鳥類的攻擊。這些蝴蝶之所以能夠實現低反射，主要是因為它們的翅膀表面有一層不規(guī)則的納米結構。將這種能力利用到手機屏幕上，顯然非常具有前途。

作為相反的例子，在不久前的人類歷史上，出現了許多人類自以為是的事件，比如，早期人們發(fā)現蔬菜中含有的維生素似乎人類所必須的物質，那么就提取出來做成添加劑放到我們的食物中，現在越來越多的調查發(fā)現，這其實并沒有產生所期望的效果；另外，先不論化學殺蟲劑對生態(tài)系統所帶來的危害，就從其殺蟲效果來看，發(fā)現越來越不如天敵控制的效果更好；還有，人為控制森林火災，可能保存了更多的燃料物質，這樣有可能隱藏了一次更大火災。有關這些事件的詳細解釋，我們有其他的素材提供給各位觀看，這里就不贅述了。

至于生態(tài)學第四定律，是大家都非常熟悉的一句話：沒有免費的午餐。這條定律告訴我們，你必須做一些事情才能得到回報，或者說一切事兒都有后果，都有代價。無火不生煙，開發(fā)自然必然涉及到資源從有用形式到無用形式的轉換。自然資源一旦被開發(fā)，就會變成無用的形式。沒有免費的午餐，這句話很簡單，但據說是所有經濟學智慧總結成一句話的最完美表達。

所以，嚴格來說，這句話不能算生態(tài)學定律。但在生態(tài)學中，正如在經濟學中一樣，該定律旨在警告人們，每一個收益都是以某種代價獲得的。從某種意義上說，這條定律包含了前三條定律。由于全球生態(tài)系統是一個相互聯系的整體，在這個整體中，任何東西都不能免費得到或隨意丟失，也不需要經過全面的改進，因此任何通過人類努力從中提取的東西都必須被替換。為這個成本買單是不可避免的，我們只能推遲，當前的環(huán)境危機就是被我們拖延了很久的警告。我們舉一個例子來說明。

許多燃煤電廠都修建了非常高的煙囪。高煙囪設計的初衷是為了將制造過程中產生的局部污染物排放到大氣中，使其盡可能擴散。換一句話說，就是排放到其他地方去。這個過程，在工藝上稱為“用稀釋來解決污染”。但是生態(tài)學第二定律告訴我們，“萬物皆有歸屬”，如果煤中含有少量汞，這些汞就通過煙塵帶入大氣，最終沉積在遠離發(fā)電廠的地方。這樣，遙遠的地區(qū)也被汞污染，如果帶到北極，就對北極熊、鯨和海豹，對整個北極生物群落構成威脅，這正好印證了生態(tài)學第一定律，“萬物皆相連”。而生態(tài)學第三定律告訴我們，這種污染肯定對北極生態(tài)系統有害。然后再來看生態(tài)學第四定律，就完整說明了潛在的資源損失，任何事兒都是有代價的，北極的那些生物，就不再是無人類污染的海鮮食物來源了。

在人類對地球上做出重大改變之前，他們需要理解這些定律，并在行動之前努力理解這些行動的可能后果。人類超過了70億人口，而且技術越來越強大，越來越可能做出產生巨大后果的事情。我們已經沒有太多機會再從錯誤中學習了，今天的錯誤會帶來災難性的后果。好，今天的內容就到這里。

視頻課程

———— / END / ————