【原】03 像生態(tài)學(xué)家那樣思考-1 生態(tài)學(xué)四定律

生態(tài)學(xué)時空 2021-11-20

展開全文

《生態(tài)學(xué)：管理自然的經(jīng)濟(jì)學(xué)》

Ecology: The Economy of Managing Nature

復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院趙斌教授在中國大學(xué)MOOC網(wǎng)站上傾心打造的《生態(tài)學(xué)：管理大自然的經(jīng)濟(jì)學(xué)》。關(guān)注本公眾號，可在第一時間獲得課程的同步更新。

?掃碼可進(jìn)入中國大學(xué)慕課課程?

最樸素的風(fēng)格，最真摯的DIY課程

同學(xué)們好，今天我們要講的主題是：生態(tài)學(xué)四定律。

說到科學(xué)中的定律，我們首先想到的就是剛開始學(xué)習(xí)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(xué)三大定律、熱力學(xué)四定律、愛因斯坦的相對論等等。這些定律經(jīng)過多年重復(fù)實驗和觀察，是在科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)得到了普遍接受的認(rèn)識。當(dāng)然，定律是從自然現(xiàn)象中演繹出的規(guī)則，能夠用來描述與預(yù)測自然現(xiàn)象。但是，大多定律只能用以描述特定情況、特定尺度下的現(xiàn)實世界，在其它尺度下可能會失效或者不是那么準(zhǔn)確。生態(tài)學(xué)作為一門研究生物體與周圍環(huán)境相互關(guān)系的自然科學(xué)，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(xué)生，甚至學(xué)過生態(tài)學(xué)多年的學(xué)生問，生態(tài)學(xué)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(nèi)容是非常有必要的。

要談生態(tài)學(xué)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(xué)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(xué)的真正含義是什么。對他的成就做一番總結(jié)，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(xiàn)是第一次將生態(tài)學(xué)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(xué)思維的好處，他認(rèn)為：生態(tài)學(xué)還沒有發(fā)展出一種類似于物理學(xué)定律那樣自洽和簡約的概括，然而根據(jù)我們對生態(tài)系統(tǒng)的了解，其實已經(jīng)有許多很明顯的總結(jié)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(xué)定律?？导{在描述這些定律的時候，并不關(guān)心在這場人與自然的游戲中明確的責(zé)任是什么，而是通過闡述經(jīng)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(xiàn)在當(dāng)時所獲得的認(rèn)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(tǒng)，后面我們就來一一說明。

首先，是生態(tài)學(xué)第一定律：萬物皆相連。它反映了生態(tài)系統(tǒng)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(xué)環(huán)境之間復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。一個生態(tài)系統(tǒng)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(lián)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(tǒng)中，這個系統(tǒng)就是生態(tài)系統(tǒng)。舉個例子來說，美國麥當(dāng)勞業(yè)務(wù)的拓展與巴西亞馬遜森林的大規(guī)模砍伐有何聯(lián)系？巴西亞馬遜森林被砍伐，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(dāng)勞要占領(lǐng)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(dāng)勞業(yè)務(wù)發(fā)展與巴西亞馬遜森林的大規(guī)?？撤ビ蟹浅Ｖ匾穆?lián)系。

無獨有偶，肯德基當(dāng)然也具有類似的聯(lián)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(dāng)然，要解釋清楚這種聯(lián)系，在康納那個時代，還動用了控制論來進(jìn)行理論解釋，控制論就是英文cybernetics，當(dāng)時這個學(xué)科非常熱門，對于人們描繪系統(tǒng)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(dǎo)或控制系統(tǒng)行為的事件周期。舵手是系統(tǒng)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(xiàn)變化，舵手就會轉(zhuǎn)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(zhuǎn)得太快太遠(yuǎn)，船就會過度擺動，舵手只好向相反方向運動來進(jìn)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(tǒng)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(cè)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(yīng)速度。生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)速度相對要慢，因此它們對變化或接近崩潰點的反應(yīng)速度也不是那么快。

同樣，穩(wěn)定的控制論關(guān)系可以構(gòu)建成一個生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)過程。例如，我們來看水體生態(tài)系統(tǒng)中一個簡單的營養(yǎng)循環(huán)：魚類產(chǎn)生的有機排泄物和廢物，在細(xì)菌作用下，變成無機產(chǎn)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(shè)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(guān)系失衡，也就是說，藻類越多，營養(yǎng)越少。但生態(tài)系統(tǒng)的運作，就像輪船控制系統(tǒng)一樣，很快恢復(fù)平衡。因為藻類的增殖，促進(jìn)了浮游動物和魚類的增加，一方面會減少藻類的數(shù)量，另一方面又增加了魚類數(shù)量，廢物的產(chǎn)生也增多，最終導(dǎo)致水中營養(yǎng)物質(zhì)的增加。因此，藻類和營養(yǎng)水平就恢復(fù)到原來的平衡位置。

剛才只是一個簡單的食物鏈聯(lián)系，但大多生態(tài)系統(tǒng)非常復(fù)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(wǎng)絡(luò)或互連的結(jié)構(gòu)，也就是我們俗稱的食物網(wǎng)。生態(tài)系統(tǒng)越復(fù)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(wǎng)絡(luò)，每一個結(jié)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(tuán)抵抗能力要強得多，對于線團(tuán)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(lián)系被切斷，生態(tài)系統(tǒng)被人為簡化，導(dǎo)致系統(tǒng)最終更容易崩潰。

同樣，一個生態(tài)系統(tǒng)的能量傳輸，也遵循萬物皆相連的過程，從生態(tài)系統(tǒng)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(xué)第二定律：萬物皆有歸屬。例如，當(dāng)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(gòu)成了大氣的一部分。其實，類似的描述，在物理學(xué)基本定律就有“物質(zhì)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(yīng)用到生態(tài)學(xué)中，那就是強調(diào)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(zhǔn)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(tǒng)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(chǎn)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(shè)計適當(dāng)，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(dāng)然只能作為有限的添加劑使用。

自然條件下產(chǎn)生的物質(zhì)，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?qū)?fù)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(jīng)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(fù)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(dāng)時的美國，用DDT作為一種重要的殺蟲劑進(jìn)行全面噴灑?？ㄉ跁姓劦搅薉DT是如何對當(dāng)?shù)氐暮?、河流、海洋，還有野生動物和人類產(chǎn)生影響的。這些化學(xué)物質(zhì)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(jìn)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(zhì)，于是就保存在體內(nèi)。對細(xì)胞就是這樣的策略，對于不認(rèn)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(xì)胞中，而且隨著動物繼續(xù)攝入含有DDT的食物，數(shù)量不斷增加。由于生態(tài)系統(tǒng)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(chǎn)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(jìn)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(chǎn)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(fēng)攜帶，最終在雨雪中帶回地面，進(jìn)入水體后，汞會凝結(jié)而沉到底部，然后又去了哪里？然后就被細(xì)菌利用，轉(zhuǎn)化成甲基汞，甲基汞是可溶的，可以被魚吸收；在魚體內(nèi)，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?？梢?，如果我們不斷地詢問“它去哪里了”，就可以產(chǎn)生大量對理解生態(tài)系統(tǒng)健康有價值的信息。

這也許是尋找生態(tài)學(xué)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(rèn)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(zhuǎn)移到了另一個地方，從一種分子形式轉(zhuǎn)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(zhì)從地球被提取出來，轉(zhuǎn)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(jié)果往往是有害物質(zhì)在某個地方累積，而它們本來并不屬于那里。

理解生態(tài)學(xué)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?，F(xiàn)代技術(shù)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(dá)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(xué)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(tǒng)，人為干預(yù)和活動破壞了這個系統(tǒng)。而且自然系統(tǒng)中的任何重大人為改變都可能對該系統(tǒng)有損害。這雖是一個比較極端的認(rèn)識，但我們應(yīng)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(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)大自然的靈感。

向大自然學(xué)習(xí)，可以從生物靈感出發(fā)，大家很快就會想到仿生學(xué)。的確，仿生學(xué)就是專門研究和學(xué)習(xí)自然的最佳想法，以產(chǎn)生突破性產(chǎn)品和技術(shù)的。這方面的例子不勝枚舉。在當(dāng)今社會，如何讓最新型的技術(shù)與仿生學(xué)進(jìn)行完美結(jié)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(jìn)行說明。

我們的現(xiàn)代生活，已經(jīng)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(shè)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?xí)r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(shù)，Mirasol，好像中文名是“向日葵”。其技術(shù)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(yīng)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?qū)崿F(xiàn)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(jié)構(gòu)。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(xiàn)了許多人類自以為是的事件，比如，早期人們發(fā)現(xiàn)蔬菜中含有的維生素似乎人類所必須的物質(zhì)，那么就提取出來做成添加劑放到我們的食物中，現(xiàn)在越來越多的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這其實并沒有產(chǎn)生所期望的效果；另外，先不論化學(xué)殺蟲劑對生態(tài)系統(tǒng)所帶來的危害，就從其殺蟲效果來看，發(fā)現(xiàn)越來越不如天敵控制的效果更好；還有，人為控制森林火災(zāi)，可能保存了更多的燃料物質(zhì)，這樣有可能隱藏了一次更大火災(zāi)。有關(guān)這些事件的詳細(xì)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(xué)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(zhuǎn)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(jù)說是所有經(jīng)濟(jì)學(xué)智慧總結(jié)成一句話的最完美表達(dá)。

所以，嚴(yán)格來說，這句話不能算生態(tài)學(xué)定律。但在生態(tài)學(xué)中，正如在經(jīng)濟(jì)學(xué)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(tǒng)是一個相互聯(lián)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(jīng)過全面的改進(jìn)，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(dāng)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(shè)計的初衷是為了將制造過程中產(chǎn)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(xué)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(yuǎn)離發(fā)電廠的地方。這樣，遙遠(yuǎn)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(gòu)成威脅，這正好印證了生態(tài)學(xué)第一定律，“萬物皆相連”。而生態(tài)學(xué)第三定律告訴我們，這種污染肯定對北極生態(tài)系統(tǒng)有害。然后再來看生態(tài)學(xué)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(shù)越來越強大，越來越可能做出產(chǎn)生巨大后果的事情。我們已經(jīng)沒有太多機會再從錯誤中學(xué)習(xí)了，今天的錯誤會帶來災(zāi)難性的后果。好，今天的內(nèi)容就到這里。

視頻課程

———— / END / ————