【原】03 像生态学家那样思考-1 生态学四定律

《生态学：管理自然的经济学》 

Ecology: The Economy of Managing Nature

复旦大学生命科学学院赵斌教授在中国大学MOOC网站上倾心打造的《生态学：管理大自然的经济学》。关注本公众号，可在第一时间获得课程的同步更新。

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同学们好，今天我们要讲的主题是：生态学四定律。

说到科学中的定律，我们首先想到的就是刚开始学习物理的时候，接触到的那些非常简约而普遍性的概括，比如牛顿力学三大定律、热力学四定律、爱因斯坦的相对论等等。这些定律经过多年重复实验和观察，是在科学领域内得到了普遍接受的认识。当然，定律是从自然现象中演绎出的规则，能够用来描述与预测自然现象。但是，大多定律只能用以描述特定情况、特定尺度下的现实世界，在其它尺度下可能会失效或者不是那么准确。生态学作为一门研究生物体与周围环境相互关系的自然科学，是否也有类似的定律呢？在我们的教课书中，的确没有提到。如果你找一位学生，甚至学过生态学多年的学生问，生态学第一定律是什么呀，我几乎敢肯定他是回答不上来的。所以我专门来讲一讲这个内容是非常有必要的。

要谈生态学定律，我们不得不提巴里·康纳（Barry Commoner）这位老前辈了，康纳一辈子写过很多书，在这本1971年出版的theclosingcircle中，他解释了生态学的四大定律是什么，同时列举了一些清晰而易懂的例子，说明生态学的真正含义是什么。对他的成就做一番总结，那就是“第一次对即将到来的环境危机发出了警报”。有人可能会问：“第一次对即将到来的环境危机发出警报”不是雷切尔·卡伦写的《寂静的春天》吗？很好的问题，但《寂静的春天》的贡献是第一次将生态学理念植入大众意识。

康纳一生致力于帮助人们看到生态学思维的好处，他认为：生态学还没有发展出一种类似于物理学定律那样自洽和简约的概括，然而根据我们对生态系统的了解，其实已经有许多很明显的总结和概括了，如果能将这些概括组织起来，就能成为一种非正式的生态学定律。康纳在描述这些定律的时候，并不关心在这场人与自然的游戏中明确的责任是什么，而是通过阐述经验法则，以及不可避免的原则，告诉人们，如果这些问题被忽视将会发生什么。这是康纳1970年2月登上美国时代杂志封面的图片，也说明了他的卓越贡献在当时所获得的认可程度。

我们先将这四条定律列出:

(1)万物皆相连

(2)万物皆有归属

(3)自然最通晓

(4)没有免费的午餐

看上去这样说得比较笼统，后面我们就来一一说明。

首先，是生态学第一定律：万物皆相连。它反映了生态系统中不同生物之间、不同种群、物种和个体生物之间及其物理、化学环境之间复杂的网络联系。一个生态系统由多个相互连接的部分组成，它们相互作用。人类与其他物种相互联系，也依赖于其他物种。

我们生活在一个生物圈里，每个人的行为都影响着其他人。我们都在一个系统中，这个系统就是生态系统。举个例子来说，美国麦当劳业务的拓展与巴西亚马逊森林的大规模砍伐有何联系？巴西亚马逊森林被砍伐，主要是为放牧牲畜提供更多的牧场。其中，养牛是为了获得牛肉。美国的麦当劳要占领更多的世界市场，就要出售更多的汉堡，意味着要购买更多的牛肉，这又鼓励了巴西人砍伐更多的森林，所以美国的麦当劳业务发展与巴西亚马逊森林的大规模砍伐有非常重要的联系。

无独有偶，肯德基当然也具有类似的联系。有人将KFC的广告改成：肯德基对热带雨林来说是不好的！

当然，要解释清楚这种联系，在康纳那个时代，还动用了控制论来进行理论解释，控制论就是英文cybernetics，当时这个学科非常热门，对于人们描绘系统行为有很大帮助。而这个基本概念就是来自诺伯特·维纳（Norbert Wiener）的创造性思维。

“cybernetics”一词来源于希腊语中的“舵手”（helmsman）一词，它涉及引导或控制系统行为的事件周期。舵手是系统的一部分，还包括罗盘、方向舵和船舶，如果船舶偏离选定的罗盘航向，罗盘指针的运动就会出现变化，舵手就会转动方向舵，使船回到原来的航向，罗盘指针也就回到原来的航向。但如果舵转得太快太远，船就会过度摆动，舵手只好向相反方向运动来进行纠正。这种循环运行稳定了船的航向。显然，我们看到，在这种控制系统中，整个过程并不是刚性控制的，而是由柔性控制来维持的。因此，这艘船并非总是沿着路径移动，而是一种摇摆运动，在航线两侧均匀摆动。摆动的频率取决于整个周期中各个步骤的相对速度，例如，船对舵的响应速度。生态系统的响应速度相对要慢，因此它们对变化或接近崩溃点的反应速度也不是那么快。

同样，稳定的控制论关系可以构建成一个生态系统的物质循环过程。例如，我们来看水体生态系统中一个简单的营养循环：鱼类产生的有机排泄物和废物，在细菌作用下，变成无机产物，被藻类等浮游植物所利用，然后再被浮游动物所利用，最后二者都被鱼类所利用。假设由于异常温暖的夏季天气，藻类迅速生长，这会耗尽水体中的无机营养，藻类与营养关系失衡，也就是说，藻类越多，营养越少。但生态系统的运作，就像轮船控制系统一样，很快恢复平衡。因为藻类的增殖，促进了浮游动物和鱼类的增加，一方面会减少藻类的数量，另一方面又增加了鱼类数量，废物的产生也增多，最终导致水中营养物质的增加。因此，藻类和营养水平就恢复到原来的平衡位置。

刚才只是一个简单的食物链联系，但大多生态系统非常复杂，以至于循环不是简单的圆形路径，而是与分支交叉形成网络或互连的结构，也就是我们俗称的食物网。生态系统越复杂，就越能成功地抵御压力。其实这一点还是很容易理解的。

比如在纺织物中，纺织物就是一个网络，每一个结都是由好几股线连接起来的，这样的纺织物比一个简单的、不分叉的线团抵抗能力要强得多，对于线团来说，在任何地方剪下来，整体就会断裂。而环境污染问题，往往就是生态联系被切断，生态系统被人为简化，导致系统最终更容易崩溃。

同样，一个生态系统的能量传输，也遵循万物皆相连的过程，从生态系统捕获光能开始，一步一步传递给更高营养级的生物，其中一些能量以热能的形式排放出去。

接着，我们再看看生态学第二定律：万物皆有归属。例如，当燃烧木头时，它并没有消失，而是变成了水蒸气、二氧化碳和气体，还有烟尘上升到空气中，烟尘会慢慢沉淀到地表，其他的构成了大气的一部分。其实，类似的描述，在物理学基本定律就有“物质不灭”一说，这里只是对这个基本定律的一种非正式重申而已。

而这个定律应用到生态学中，那就是强调自然界是没有“废物”这种东西的，一切都在环境中占有一席之地。自然界没有专门准备一个放“垃圾”的地方，一切都必须去某个地方，该来的躲不掉。在自然系统中，动物呼吸释放二氧化碳，而这是绿色植物的基本营养素，植物吸收二氧化碳排出氧气，供动物使用。也就是说，一个有机体产生的废物，可以被另一个有机体作为营养吸收。甚至，如果设计适当，有些动物的排泄物甚至可以成为另一个动物的食物。比如，牛粪可以养猪，而猪粪还可以养鸡，当然只能作为有限的添加剂使用。

自然条件下产生的物质，在分子层面是可生物降解的，也就是说，通过自然过程和生物体，能够将复杂的分子降解到更简单的分子或元素，从而能够被循环利用。但是，在人类世界中，人类已经创造出了许多不可生物降解的分子，自然过程不能将它们降解成更简单、可重复利用的部分。其中许多对生物有害，比如滴滴涕、二恶英等等。

在我们前面提到的卡森1962年出版《寂静的春天》一书中，她就谈到了DDT。当时的美国，用DDT作为一种重要的杀虫剂进行全面喷洒。卡森在书中谈到了DDT是如何对当地的湖泊、河流、海洋，还有野生动物和人类产生影响的。这些化学物质通过食物链，从水到鸟类、鱼类和其他野生动物，甚至最终到人类。DDT进入动物体，并不会通过尿液或粪便排除，因为生物体并不知道如何代谢这样的物质，于是就保存在体内。对细胞就是这样的策略，对于不认识的东西，先晾在一边，等待日后有什么办法，通常储存是脂肪细胞中，而且随着动物继续摄入含有DDT的食物，数量不断增加。由于生态系统营养循环中相邻营养级之间存在的十分之一法则，每增加一个营养级，DDT的含量就增加10倍，也就是生物放大作用。对鸟产生的危害就是，鸟蛋的壳很脆，很容易破，影响鸟类后代的成活率。

对于这样的问题，如果我们不断地询问“它去哪里了”，也许能获得更多信息。例如，一个人买了一个含汞的干电池，用完后“扔掉”，那么汞去哪里了？电池进入垃圾容器，被收集后送到焚化炉。焚化后就消失了么？没有。在焚化炉中，汞被加热，产生汞蒸气，汞蒸气由焚烧炉烟囱排放出去。烟消云散之后，又去了哪里？汞蒸气被风携带，最终在雨雪中带回地面，进入水体后，汞会凝结而沉到底部，然后又去了哪里？然后就被细菌利用，转化成甲基汞，甲基汞是可溶的，可以被鱼吸收；在鱼体内，它不被会被代谢掉，只是在鱼的器官和肌肉中不断积累，然后这些鱼被人捕获。人吃了这些鱼，汞就积累在人的器官里了，汞显然对人来说是有害的。也就是说，最终危害的还是人类自己。可见，如果我们不断地询问“它去哪里了”，就可以产生大量对理解生态系统健康有价值的信息。

这也许是寻找生态学研究的有效途径，同时有助于我们消除一些误解。以前我们总认为，无用的东西丢弃后会“消失”。实际上，它们从来没有“消失”，它们只是从一个地方转移到了另一个地方，从一种分子形式转换到另一种分子形式，作用于各种有机体的生命过程，在其中停留一段时间。造成目前环境危机的一个重要原因，就是大量的物质从地球被提取出来，转化成新的形式，并排放到环境中，而没有考虑到“万物皆有归属”。结果往往是有害物质在某个地方累积，而它们本来并不属于那里。

理解生态学第三定律，可能会相对比较困难一些，因为我们有一个根深蒂固的观点：人类具有独特的能力。现代技术最普遍的特点之一，就是它旨在“改善自然”，提供食物、衣服、住所以及各种交流和表达方式，这显然比自然界提供给人类的要更加优越。而生态学第三定律所说的自然最通晓，其含义实际上是：放任自然不管是最好的。因为自然界是一个完美的系统，人为干预和活动破坏了这个系统。而且自然系统中的任何重大人为改变都可能对该系统有损害。这虽是一个比较极端的认识，但我们应该相信，如果放在一定的背景中去理解，其实是有很多好处的：也就是说我们尽量向大自然学习，学习大自然的灵感。

向大自然学习，可以从生物灵感出发，大家很快就会想到仿生学。的确，仿生学就是专门研究和学习自然的最佳想法，以产生突破性产品和技术的。这方面的例子不胜枚举。在当今社会，如何让最新型的技术与仿生学进行完美结合，的确是一个非常值得研究的问题。我们这里想用一个更奇妙的例子来进行说明。

我们的现代生活，已经越来越离不开各种屏幕了，然而屏幕显示器背光是最耗电的部件。对于手机这类便携设备来说，我们希望能省电，这样就可以用一个非常轻的电池来减少重量。很明显，如果能减少屏幕背光的点亮时间，而利用反射光来显示颜色，就可节省大量的电能。这就是高通公司的Mirasol显示屏所采用的技术，Mirasol，好像中文名是“向日葵”。其技术原型，居然是来自蝴蝶翅膀，用干涉来创造颜色。

另外，手机屏幕在阳光下几乎是看不清的，为了克服这个问题，一般采用提高屏幕亮度来应对。蝴蝶呀，的确是一种令人惊讶的科技灵感来源。有些蝴蝶的翅膀同样是透明的，却不会反射光线，这样可以很好躲避掠食鸟类的攻击。这些蝴蝶之所以能够实现低反射，主要是因为它们的翅膀表面有一层不规则的纳米结构。将这种能力利用到手机屏幕上，显然非常具有前途。

作为相反的例子，在不久前的人类历史上，出现了许多人类自以为是的事件，比如，早期人们发现蔬菜中含有的维生素似乎人类所必须的物质，那么就提取出来做成添加剂放到我们的食物中，现在越来越多的调查发现，这其实并没有产生所期望的效果；另外，先不论化学杀虫剂对生态系统所带来的危害，就从其杀虫效果来看，发现越来越不如天敌控制的效果更好；还有，人为控制森林火灾，可能保存了更多的燃料物质，这样有可能隐藏了一次更大火灾。有关这些事件的详细解释，我们有其他的素材提供给各位观看，这里就不赘述了。

至于生态学第四定律，是大家都非常熟悉的一句话：没有免费的午餐。这条定律告诉我们，你必须做一些事情才能得到回报，或者说一切事儿都有后果，都有代价。无火不生烟，开发自然必然涉及到资源从有用形式到无用形式的转换。自然资源一旦被开发，就会变成无用的形式。没有免费的午餐，这句话很简单，但据说是所有经济学智慧总结成一句话的最完美表达。

所以，严格来说，这句话不能算生态学定律。但在生态学中，正如在经济学中一样，该定律旨在警告人们，每一个收益都是以某种代价获得的。从某种意义上说，这条定律包含了前三条定律。由于全球生态系统是一个相互联系的整体，在这个整体中，任何东西都不能免费得到或随意丢失，也不需要经过全面的改进，因此任何通过人类努力从中提取的东西都必须被替换。为这个成本买单是不可避免的，我们只能推迟，当前的环境危机就是被我们拖延了很久的警告。我们举一个例子来说明。

许多燃煤电厂都修建了非常高的烟囱。高烟囱设计的初衷是为了将制造过程中产生的局部污染物排放到大气中，使其尽可能扩散。换一句话说，就是排放到其他地方去。这个过程，在工艺上称为“用稀释来解决污染”。但是生态学第二定律告诉我们，“万物皆有归属”，如果煤中含有少量汞，这些汞就通过烟尘带入大气，最终沉积在远离发电厂的地方。这样，遥远的地区也被汞污染，如果带到北极，就对北极熊、鲸和海豹，对整个北极生物群落构成威胁，这正好印证了生态学第一定律，“万物皆相连”。而生态学第三定律告诉我们，这种污染肯定对北极生态系统有害。然后再来看生态学第四定律，就完整说明了潜在的资源损失，任何事儿都是有代价的，北极的那些生物，就不再是无人类污染的海鲜食物来源了。

在人类对地球上做出重大改变之前，他们需要理解这些定律，并在行动之前努力理解这些行动的可能后果。人类超过了70亿人口，而且技术越来越强大，越来越可能做出产生巨大后果的事情。我们已经没有太多机会再从错误中学习了，今天的错误会带来灾难性的后果。好，今天的内容就到这里。

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