導語
不僅生命有著內(nèi)穩(wěn)態(tài)，整個生態(tài)環(huán)境也有著各個層次的動態(tài)平衡，能夠在各種突發(fā)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(tǒng)。人類社會同為復雜適應性系統(tǒng)，需要向自然學習。本文作者Ruth DeFries是哥倫比亞大學可持續(xù)發(fā)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(fā)，卻并沒有沿著這條簡單的軌跡繼續(xù)發(fā)展。它數(shù)十億年的演化否決了簡單的規(guī)則與可預測的結果。自然已成為復雜系統(tǒng)，一張由無形的連接構成的糾纏網(wǎng)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(xiàn)的問題，自然都會演化出相應的對策。
城市的發(fā)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(lián)網(wǎng)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(fā)暴亂；一種病毒也可以在短短幾天內(nèi)傳遍世界。
圖1. 萬物互聯(lián)的時代中社會的演化更為復雜
事實上，大自然的生命和現(xiàn)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(tài)網(wǎng)絡以運輸材料和能源；它們都依賴于個體相互協(xié)作所形成的集體行動。意外事件在整個系統(tǒng)內(nèi)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(guī)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(jīng)驗。對于高度連通世界中產(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)于由液態(tài)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(fā)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(xiàn)，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(tǒng)。用相關術語來說，地球上相互作用的海洋、大氣和生命發(fā)展成了所謂的復雜適應性系統(tǒng)。一旦其各部分形成連接，并能夠對周圍環(huán)境做出反應，因果反饋閉環(huán)就能使系統(tǒng)不斷調(diào)整以適應環(huán)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?；鹕娇诘奶枷嘟Y合生成糖。由此，細菌生存策略的轉變引發(fā)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(chǎn)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(huán)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(huán)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(shù)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(fā)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(shù)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(fā)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(tǒng)中，物種多樣性意味著總有某些物種能夠適應環(huán)境，得以延續(xù)其生命。如果沒有生命形式的多樣性，沒有生命形式內(nèi)物種的多樣性，沒有物種內(nèi)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(zhì)史的任何其他時期得到恢復。
圖3. 大約在6500萬年前，統(tǒng)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(shù)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(xiàn)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(fā)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(yǎng)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(tǒng)治了動物王國幾億年。它們的策略是調(diào)整體溫以適應周圍環(huán)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(fā)機構的研究者們分析了從南太平洋環(huán)流區(qū)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(fā)現(xiàn)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(tài)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(fā)機構）
大約在2.5億年前[1]，在一段相對短暫的時間內(nèi)，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(nèi)穩(wěn)態(tài)（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(wèi)，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(wěn)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(wěn)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(nèi)穩(wěn)態(tài)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(yōu)點甚至戰(zhàn)勝了其耗能大及需要維持內(nèi)穩(wěn)態(tài)的缺點。更確切地說，自我校正的負反饋循環(huán)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(fā)送信號，大腦又會向汗腺發(fā)送信號，使其分泌汗液。從皮膚上蒸發(fā)的汗液會降低我們的體溫，直到傳感器發(fā)出關閉汗腺的信號。如果溫度過低，大腦就會向肌肉發(fā)出打顫的信號，顫動就會產(chǎn)生熱量。大腦提供了一個自我調(diào)節(jié)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(tǒng)將血糖控制在一定范圍內(nèi)。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(huán)系統(tǒng)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(huán)在自我調(diào)節(jié)系統(tǒng)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(tǒng)的關鍵策略——無論是動物體內(nèi)調(diào)控營養(yǎng)物質(zhì)、血液和酶流動的器官，還是生物圈、大氣圈和地質(zhì)圈之間能量和營養(yǎng)物質(zhì)的全球交換。內(nèi)在的自我校正機制維持著內(nèi)穩(wěn)態(tài)，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(wěn)態(tài)蹺蹺板已經(jīng)使大氣中的溫室氣體水平在安全范圍內(nèi)維持了數(shù)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(zhì)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(nèi)穩(wěn)態(tài)的循環(huán)是地球氣候穩(wěn)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(nèi)的體內(nèi)穩(wěn)態(tài)是復雜系統(tǒng)得以持續(xù)存在的基礎，這一原則也適用于人類社會?！叭蹟鄼C制（circuit-breaker）”即為內(nèi)穩(wěn)態(tài)的一種表現(xiàn)形式，它可以在股市崩盤拖垮經(jīng)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(jiān)管機構引入了“熔斷機制”。在COVID-19 爆發(fā)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(huán)、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(zhàn)。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(nèi)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(fā)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(xiàn)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(xié)同策略為生活帶來了另一個層次的復雜性，即共生網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(lián)系中斷，雙方都將失去生存機會?；ǖ姆N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(diào)節(jié)機制克服了恒溫的問題，與此類似，網(wǎng)絡的優(yōu)勢戰(zhàn)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(tǒng)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(wǎng)絡的陰陽結構對人造世界的啟發(fā)
植物授粉者、種子傳播者和食物網(wǎng)的結構為防止聯(lián)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡。（圖源自《Quantifying Loopy Network Architectures》）
大自然不僅僅依靠網(wǎng)絡來傳播花粉、種子和食物。葉子中微小的葉脈網(wǎng)絡將水分從土壤輸送到葉枝葉。這些葉脈將光合作用產(chǎn)生的糖帶回莖、根和植物的其他部分。葉脈網(wǎng)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(wǎng)絡閉環(huán)[3]貫穿整個葉子，在發(fā)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(wǎng)絡的策略在能源和材料上的成本很大，但演化論的經(jīng)驗表明，這份投資是值得的，在受益于網(wǎng)絡的同時又彌補了網(wǎng)絡的短板。網(wǎng)絡給群居物種帶來了特殊的優(yōu)勢和危險，但群居生活進一步說明了復雜系統(tǒng)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(yǎng)育后代的責任。白蟻可能是最早采用群居及社交網(wǎng)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(yōu)勢。它們的種群數(shù)量可達數(shù)百萬只，其中有搬運垃圾、照顧幼崽和覓食等專業(yè)分工。盡管群居有其優(yōu)勢，但種群內(nèi)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(diào)整它們的社交網(wǎng)絡。通過切斷社會群體之間的聯(lián)系，白蟻們阻止了病原體的傳播。網(wǎng)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(xiàn)代文明離不開貿(mào)易網(wǎng)絡和信息流，而網(wǎng)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(qū)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(wǎng)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(nèi)相似的問題需要解決。雖然工蟻是失明的，但它們?nèi)阅芙ㄔ靿延^的白蟻丘，其高度甚至可以高于高大的人類，其內(nèi)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(xié)調(diào)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(fā)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(jīng)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(chǎn)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(zhàn)略結局并不好。帝國由于過分依賴外界星球及遠距離統(tǒng)治的復雜性而崩潰。在較小的規(guī)模上，社區(qū)自發(fā)組織，管理其森林、漁業(yè)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(jīng)驗的力量。將人類社會和白蟻聚居區(qū)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(tǒng)中風險的策略給了我們一些啟示——在復雜系統(tǒng)中，疾病可以輕易傳播，不可靠的伙伴可能導致合作網(wǎng)絡崩潰，意外的碰撞或火山爆發(fā)隨時可能摧毀已經(jīng)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(wǎng)絡和信賴關系進行貿(mào)易，并且統(tǒng)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(zhì)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(tǒng)的定義。
圖9. 只有經(jīng)過嚴酷的考驗，人類才能不斷前進走向發(fā)展的高峰?！_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(chǎn)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(guī)則來演化、適應，但是細細想來，大自然的長期經(jīng)驗為我們提供了教訓，幫助我們知道更好地應對災難并戰(zhàn)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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