6.2 谁先出现,稳定性还是多样性?

如果说自然是建立在恒久流变的基础之上,那么不稳定性可能就是引起自然界生物类型丰富多彩的原因。不稳定的自然力量是多样性产生的根源,这种想法与一条古老的环境主义格言背道而驰:即稳定性产生多样性,多样性又带来稳定性。但如果自然的系统的确并不趋向精致的平衡,我们就应该习惯于和不稳定打交道。

在二十世纪六十年代后期,生物学家最终获得计算机的帮助,开始在硅晶网络上建立动态生态系统和食物链网络模型。他们试图回答的首批问题之一是,稳定性来自于何方?如果在虚拟网络上创建掠食者和被掠食者的相互关系,是什么条件致使二者稳定下来演绎一段长期共同进化的二重奏,又是什么条件会使这些虚拟生物难以为继?

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最早的模拟稳定性的论文中有一篇是加德纳和艾希比在1970年合作发表的。艾希比是一位工程师,他对正反馈回路的种种优点和非线性控制电路很感兴趣。他俩在电脑上为简单的网络回路编制出数百种变化,并系统地改变节点的数量和节点间的关联度。他们发现了惊奇的一幕:如果增加关联度至超过某一临界值,系统从外界扰动中回复的能力就会突然降低。换句话说,与简单的系统相比,复杂的系统更有可能不稳定。

次年,理论生物学家罗伯特·梅[1]也公布了类似的结论。梅在电脑上运行生态模型,一些模拟的生态群落包含大批互相作用的物种,另一些则只包含极少的物种。他的结论与稳定/多样性的共识相抵触。他提醒大家,不要简单地认为增加物种混合的复杂性就能带来稳定性。相反,梅的模拟生态学认为,简单性和复杂性对稳定性的影响,并不如物种间相互作用的模式来得大。

「一开始,生态学家建立起简单的数学模型和简单的实验室微观系统,他们搞砸了。物种迅速消失。」斯图亚特·皮姆告诉我,「后来,生态学家在电脑上和水族箱里建立了更复杂的系统,他们以为这样会好些。他们错了,甚至搞得更糟。复杂性只会让事情变得异常困难——因为参数必须正好合适。所以,除非它确实简单(单猎物-单资源的种群模型),否则随机建立一个模型是行不通的。增加多样性、加强互相作用或者增加食物链长度,它们很快也会达到崩溃的地步。这是加德纳、艾希比、梅和我对食物网络所作的早期研究的主题。但继续在系统里加入物种,不断地让它们崩溃,它们竟然最终混合在一起,不再崩溃,突然获得了自然的秩序。它们经过大量反复的杂乱失败才走上正轨。我们所知道的获得稳定持续的复杂系统的唯一方式,就是再三重复地把它们搭配在一起。就我所知,还没人能真正理解其有效的原因。」

1991年,斯图亚特·皮姆和他的同事约翰·劳顿[2]以及约·科恩[3]一起回顾了所有对野外食物链网进行的实地测量,通过数学方法分析,得出的结论是,「生物种群从灾难中恢复的比率……取决于食物链长度」和一个物种所对应的被掠食者和掠食者数量。昆虫吃树叶就是一条食物链的一环。龟吃掉吃叶子的昆虫就形成了一条食物链上的两环。狼也许处在离叶子很远的环节上。总体来说,当食物链越长,环境破坏带来的影响就会使得互相作用的食物链网越不稳定。

西班牙生态学家罗蒙·马格列夫[4]在此前几年观察到的一个现象,最恰当地阐述了由梅的模拟实验中得出的另一要点。马格列夫像梅一样注意到,由许多成员组成的系统成员彼此之间的联系会很弱,而成员很少的系统其成员彼此间的联系会很紧密。马格列夫这样说:「实际经验表明,那些与别的物种互动自由度大的物种,它们的交际圈子往往很大。相反地,彼此交往密切,互动程度强的物种常常隶属于一个成员很有限的系统。」生态系统内的这种明显的折衷,要么是多数联系松散的成员,要么是少数联系紧密的成员,与众所周知的生物体繁殖策略折衷非常相似:要么生出少数后代并加以妥善保护,要么产出无数后代任其自寻生路。

生物学表明,除了调节网络中每个节点各自的接头数量,系统还趋于调节网络中每对节点之间的「连接性」(连接强度)。自然似乎是保持连接性的不变性的。因此,我们应该料想能在文化、经济和机械系统中找到相似的连接性守恒[5]定律,尽管我不清楚是否有过这样的研究。如果在所有的活系统中有这样的规律,我们也可料想,这种连接性在流变,永远处于不断调整的状态。

「一个生态系统就是一个活物的网络」,博格斯说。生物通过食物链网、气味和视野以各种不同程度的连接性连接到一起。每个生态系统都是一个动态的网络,总是在流变,总处在重塑自己的过程中。「不论何处,当我们寻找不变时,找到的都是变化」,伯特克写道。

当我们踏上黄石公园朝圣之旅,或去加利福尼亚红树林,又或去佛罗里达湿地,我们总被当地那种可敬的、恰到好处的浑然天成深深打动。熊似乎就应出没于落基山脉的幽深河谷里;红衫林似乎就应摇曳在海岸山丘上,而北美鳄似乎就该呆在平原。我们有一种冲动,要保护它们免遭干扰。但从长远眼光来看,它们全都原本就是过客,既不是此地的老住户,也不会永住于此。鲍肯写道,「自然本身无论是形式、结构还是构成都不会恒久不动,自然无时无地不在变化。」

学者研究从非洲一些湖底的钻孔里得到的花粉化石,发现非洲地貌在过去几百万年中一直处于流变的状态。在过去的某个时刻,非洲的景观看起来和现在迥然不同。现在广袤的撒哈拉沙漠在过去不久的地质时期里是热带森林。而自那时到现在曾出现过许多生态类型。我们认为野性是永恒的;现实中,自然就是受限的流变。

注入人工介质和硅晶片中的复杂性只会有更进一步的流变。虽然我们知道,人类制度——那些凝聚人类心血和梦想的社会生态系统——也一定处在不断的流变和反复破立中,但当变化开始时,我们却总是惊讶或抗拒。(问一个新潮的后现代美国人是否愿意改变订立已200年之久的美国宪法。他会突然变成中世纪的保守派。)

变化本身,而不是红衫林或国家议会,才是永恒的。问题就变成:什么控制着变化?我们怎样引导变化?在政府、经济体和生态系统等松散团体中的分布式生命可以用任一种刻意的方式加以控制吗?我们能预知未来的变化状态吗?

比如说你在密歇根购买了一块100英亩荒废的农田。你用篱笆把四周围起来,把牛和人都隔在外面。然后你走开,监测这块荒地几十年。第一个夏天,园内野草占据这块地。从那以后每年都有篱笆外的新物种被风吹入园内落地生根。有些新来者慢慢地被更新的后来者代替,生态组合在这片土地上自我组织,混合就这样流变经年。如果一位知识渊博的生态学家观察这片围起来的荒野,他能否预测百年之后哪些野生物种会占据这片土地?

「是的,毫无疑问他能预测,」斯图亚特·皮姆说,「但这预测不会像人们想的那样有趣。」

翻开所有标准的大学生态学课本,在有关生物演替概念的章节中都可找到这块密歇根热土最后的形态。第一年到访的杂草是每年开花的草本植物,接着被更坚韧的多年生植物如沙果草和豚草取代,木本的灌木丛会荫蔽并抑制开花植物的生长,随后松树又抑制了灌木的生长。不过,松树的树荫保护了山毛榉和枫树等阔叶木的幼苗,接下来轮到后者坚定地把松树挤出地盘。百年之后,典型的北方阔叶林就几乎完全覆盖了整块土地。

整个过程,就好像这片土地本身就是一粒种子。第一年长出一堆野草,过了一些年,它变成浓密的灌木丛,再后来它长成了繁茂的树林。这块土地演替的画卷按着可以预知的阶段逐步展开,正如我们可以预知蛙卵将以何种方式变成蝌蚪。

这种发育过程还有其他奇特的侧面,如果这块新开发地开始于100英亩潮湿的沼泽区,而不是一块田地,或者换成同样大小的密歇根干燥多沙的沙丘,那么最初来接管的物种是不同的(沼泽上会是莎草,沙丘上会是覆盆子),但是物种的混合逐渐向同一个终点会聚,那就是阔叶林。三粒不同的种子孵化成同样的成体。这种会聚现象使得生态学家萌生了生物演替存在终点或是顶极群落[6]的设想。在某一区域,所有生态混合体趋于转替直到它们达到一种成熟、终极、稳定的和谐。

在气候温和的北方,土地「想要」的是阔叶林。只要时间充足,干涸的湖泊或风沙沼泽地都会成为阔叶林。如果再暖和一点,高山山顶也会有此愿望。就好像在复杂的吃与被吃的食物链网中,无休止的生存竞争搅动着该地区混杂在一起的物种,直到混合态变成阔叶林这种顶极形态(或是其他气候条件下的特定顶极群落),那时,一切就会平静地归于一种大家都可接受的和平,土地就在顶点混合状态下平息下来。

演替达到顶极期时,多样物种间的相互需求漂亮地合拍,使整体很难遭到破坏。在短短三十年内,北美的原种栗树就完全消失了[7]——这些强势的栗树本是北美森林主体的重要组成部分。然而,森林的其他部分并未遭受巨大影响,森林依然挺立着。物种间的特殊混合产生的持久稳定性——生态系统——显示了类似属于有机体的和谐性的某种盆地效应。互相支撑中驻留着某种具有整体性而且富有生命力的东西。也许一片枫树林仅仅是由较小有机体组成的巨大的有机体。

另一方面,奥尔多·利奥波德写道,「若依普通的物理度量,无论是质量还是能量,松鸡在一英亩的土地生态系统中仅是沧海一粟。但是若从系统里拿走松鸡,整个系统也就停转了。」

罗伯特·梅(Robert May):理论生物学家,皇家学会会员,联合王国政府首席科学顾问,皇家学会会长,在悉尼大学、普林斯顿大学、牛津大学、伦敦大学帝国学院等多所大学任教授。

约翰·劳顿(John Lawton):达勒姆大学教授,动物学家。1969年到1999年间任教于达勒姆大学、牛津大学、约克大学、帝国理工学院等多所院校,并在英国全国环境研究委员会任主席等职。

约·科恩(Joel Cohen, 1944.02.10~):数学生物学家,目前任教于纽约洛克菲勒大学,同时也是哥伦比亚大学地球研究所人口学教授。

罗蒙·马格列夫(Ramon Margalef, 1919~2004):巴塞罗纳大学生物系名誉生态学教授,是西班牙当之无愧的科学巨匠。指导、建立了巴塞罗那大学生态学系,1967年成为西班牙首位生态学教授。其重要贡献包括将信息理论运用于生态研究,创造了研究人口的数学模式。

连接性守恒:意指由连接数量和连接强度组成的某种形式的合量保持不变,即连接数量增加时,强度降低;反之亦然。

顶级群落:群落演替的最终阶段是顶极群落。顶极群落是最稳定的群落阶段,其中各主要种群(如某种阔叶林、松、牧草等)的出生率和死亡率达到平衡,能量的输入和输出以及生产量和消耗量也都达到了平衡。只要气候、地形等条件稳定,不发生意外,顶极群落可以几十年几百年保持稳定而不发生演替。现在地球上的群落大多是在没有人为干扰下经过亿万年的演替而达到的顶极群落。——摘自《普通生物学-生命科学通论》,陈阅增。

北美原种栗树的消失:一百年前,美国东海岸还都生长着巨大的美洲栗树。在阿巴拉契山脉,许多山头都是整片的栗树林。人们说,松鼠们只需在栗树的枝头跳跃,就可以轻松地从南方的佐治亚跳到纽约,爪子都不用沾地。一百年前,物种交流引起一场大灾难。亚洲移植的栗树携带有一种霉菌,亚洲栗树对这种霉菌有很强的抗病力,美洲栗树对此却毫无抵抗能力。从第一棵树的发病开始,只经历了短短几十年,到上世纪五十年代,美国东部地区九百万英亩森林中的主要品种——美洲栗树,已经事实上全部灭绝了。直到现在,得到很多民众支持的美洲栗树基金会仍在做着徒劳而不懈的努力。