第六章 自然之流变

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6.1 均衡即死亡

今晚是中国传统的中秋佳节。旧金山唐人街闹市区内,华侨们一边互赠月饼,一边讲述着嫦娥奔月的故事。我家在距此12英里陡峭堤岸的后面。金门的大雾积聚在我家屋后堤岸的上空,将附近地区笼罩在茫茫雾气中。我踏着午夜的月光,出去散步,犹如云中漫步。

发白的黑麦草高及胸口,在风中喃喃低语。我跋涉其中,仔细观察加利福尼亚的崎岖海岸。这是一块无序的土地,大都是多山的沙漠,相临的大海虽然水量充足,却无法提供雨水。海洋在夜间展开浓雾,偷偷地运送着生命之水。清晨来临,雾气凝结成水滴附着在嫩枝和树叶上,滴滴答答地落到地上。整个夏天,水大都以这种方式传送过来,而在其他地方,这本是雷雨云团的份内之事。生命中的庞然大物红杉树,就在这雨水替代物的涓滴滋养下茁壮成长。

雨水广施恩泽,涵盖万物,包罗万象且一视同仁。相对之下,雾气却只能逡巡于方亩之间。它依赖于微弱的空气对流,漂浮到最容易到达的地方,然后滞留在适当而平和的丘陵间的凹陷处。地形以这种方式掌控着水汽,也间接地掌控了生命。丘陵形成合适的地形就能留住浓雾,或凝结水滴滴入峡谷。与阴面的北部斜坡相比,朝南向阳的山丘会因为蒸发作用失去较多的的宝贵水分。而某些地表的土壤能够更好地保持水分。当这些变数彼此叠加组合时,便会造成许多小片的动植物栖息地,构成拼贴画般的风景。在沙漠地带上,水决定着生命去留。而当一块沙漠地带上水的传送无法做到普降恩泽、其所达范围有限且反复无常时,那么决定生命去留的就是土地本身。

结果就形成了拼贴画一样的风景。我屋后的小山就披着由三块截然不同的“料子”拼成的植被,一面斜坡上是匍匐的草地群落,居住着老鼠、猫头鹰、蓟和罂粟——一直延伸到海边。小山顶上,粗桧林和柏树把持着另一个单独的群丛,其中有鹿、狐狸和青苔。而在另一边的高地上,无边无际浓密的毒葛和常绿灌木丛中隐藏着鹌鹑以及其他种群成员。

这些“小联邦”之间保持着动态的平衡,它们相互间自我维持的姿态持续保持着将跌未跌的状态,就像春天溪流中的驻波[1]。当大量的自然界生物互相推搡着拥进共同进化的怀抱之时,在不均衡的地貌和气候环境中,它们的相互作用令彼此无法聚集,于是成为一片片隔离的斑块[2],块内的动植物互相依存。这些斑块的位置亦随时间改变而游移。

风和春季洪水侵蚀着土壤,暴露出地下土层,新组成的腐殖质和矿物成分初露地表。土壤混合物上下搅动翻身的同时,与之息息相关的动植物也混杂着搅动变迁。郁郁葱葱的仙人掌树丛,比如巨树仙人掌丛林,可以在短短不到100年之内迁进或迁出西南部的小块沙漠地带。如果延时拍摄后用普通转速放映的话,会发现巨树仙人掌丛林在沙漠景观里蔓延的过程就像水银泻地。能游走的不仅仅只有仙人掌树丛。在同样缩时拍摄的画面里,中西部稀树大草原的野花绕着橡树丛漫溢上来,犹如涌来的潮水,有时,将树丛尽没在茫茫草原里;有时,山火过后,花草的潮水又会退却,复现扩散膨胀的橡树林。生态学家丹·鲍肯[3]曾这样描述过,森林“和着气候变换的节拍缓缓地穿行于地貌之中”。

“如果没有变化,沙漠就会退化,”托尼·博格斯[4]断言。他是一位身材魁梧,留着一大把红胡须的生态学家,深爱着沙漠。他全身心地学习研究与沙漠相关的知识和资料。在亚利桑那州图森市附近,博格斯顶着酷热一直监测着一块沙漠带。几代科学家在此进行了持续80年的测量和拍摄。对这块土地上的观察在所有无间断生态学观察中时间是最长的。通过研究这80年来沙漠变化的数据,博格斯得出结论:“多变的降雨量是沙漠存续的关键。每年降雨的情况稍有不同,才能使每个物种略微脱离平衡态。如果降雨量变幻多端,那么物种的混合群落就会增加两到三个数量级。反之,如果相对于每年的气温循环周期,降雨量保持不变的话,美丽的沙漠生态将几乎总是向着单一乏味溃缩。”

“均衡即死亡,”博格斯如是陈述。这个观点在生态科学圈内流行时间还不很长。“直到20世纪70年代中期,我们所有人都在前人学说的指导下工作,即生物群落正趋向不变的均衡,形成顶极群落。而今,我们看到,正是紊乱和多变真正给自然赋予了丰富的色彩。”

生态学家偏爱自然界中的各种均衡状态,其主要原因和经济学家偏爱经济中的各种均衡状态相同:均衡态可以用数学模型来表达,你可以为一个过程写出你能够求解的方程。但如果你说这个系统永远处于非均衡状态,你就是在说它的模型是无法求解的,也就无从探究。那就相当于你几乎什么都没说。而在当今这个时代,生态学(还有经济学)上的理解发生巨大改变并不是偶然的,因为用廉价计算机就能轻松地为非平衡和非线性方程编程求解。在个人电脑上为一个混沌的共同进化的生态系统建立模型突然不再是难题了。你看,这和行进的巨树仙人掌丛林或稀树大草原的奇异行为多像啊。

近年来,学者们提出了上千种非均衡态模型;事实上,现在有一个小圈子,专门研究混沌非线性数学,微分方程和复杂性理论等,所有这些研究都有助于改变这样的旧有观念:大自然和经济活动都会收敛到平衡稳态。流动即常态这个新观点重新阐述了历史数据。博格斯能够向人们展示沙漠的老照片,表明巨树仙人掌丛林的生态地块在一段相对较短的时间(几十年)正在图森盆地内漂移。“从我们监测的沙漠带发现,”博格斯说,“这些地带的发展并不同步。而正因如此,整个沙漠带内物种较为丰富,如果自然灾害彻底毁灭了一个地块上的物种,处在另一发展阶段的地块可以输出生物体和种子到这片地带。甚至在没有降雨量变化的生态系统,比如热带雨林,由于周期性的暴风雨和倒折的树木,也存在这种斑块生态动力系统(patch dynamics)。”

“均衡态不仅意味着死亡,它本身就是死亡状态,”博格斯强调,“系统要变得丰富,就需要时间和空间上的变化。但变化太多也不行。你会一下从生态渐变群[5]转到生态交错群[6]。”

博格斯认为,自然界对扰动和变化的依赖是个现实问题。“在自然界,如果作物(包括蔬菜,种子,或肉)的收成年复一年差异很大,那没什么问题。自然实际上在此差异中增加了其丰富性。但是当人们要靠一个生态系统中的作物维持生计,比如受变化驱动演化的沙漠系统,他们能做的仅仅是将这个系统简化成我们所谓的农业——根据变化的环境提供固定的产品。”博格斯希望沙漠的变迁能教会我们如何不用简化系统就能和变化的环境共处。这并不是一个完全愚蠢的梦想。信息驱动的经济模式为我们提供的是一种能够适应调整的基础结构,它能围绕无规律的产出灵活地做出修正;这就为灵活的“即时”制造业提供了基础。理论上,对于提供食物和有机资源的丰富多变的生态系统,我们可以利用信息网络调节投入,以适应其极不规律的产出。但是,正如博格斯承认的:“眼下,除了赌博,我们还没有由变化驱动的工业经济模式。”

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20世纪60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?

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。两人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[7]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。但是他们错了,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做的早期研究的主题。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[8]以及约·科恩[9]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[10]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[11]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[12]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30年内,北美的原种栗树就完全消失了[13]——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。”

6.3 生态系统:超有机体,抑或是身份作坊[14]?

1916年,生态学奠基人之一弗雷德里克·克莱门茨[15]把类似山毛榉阔叶林这样的生物群落称为自然产生的超有机体。用他的话说,顶极群落构成的就是一个超有机体,因为“它产生,发展,成熟,死亡……的主要特点,堪比单株植物的生命历程”。由于森林自身就能在荒废的密歇根田地里再次播种,克莱门茨将其描绘为繁殖,生物体的另一个特性。对于任何一位敏锐的观察者而言,山毛榉——枫树林[16]差不多和乌鸦一样展示出了完整性和身份特征。能够可靠地繁殖自身,并在空地和不毛的沙地上传播,除了(超)有机体,我们还能把它叫作什么?

20世纪20年代,超有机体在生物学家眼里可是个时髦词。用来描述在那时尚属新奇的想法:群集的干员(agent)协力行动,产生由整个群体控制表达的种种现象。就像点点霉斑将自身聚合为粘液菌,一个生态系统也能结合而成一个稳定的超组织(superorganization)——蜂群或森林。一片乔治亚州松树林的行为与单棵松树不同。得克萨斯州山艾树荒原也不同于单棵的山艾树,就像鸟群不是一只大鸟,它们是另一种有机体。动植物联合成松散的联邦,展现出一个有自己独特行为方式的超有机体。

克莱门茨的竞争对手,另一位现代生态学之父,生物学家格利森[17]认为,超有机体联邦的观点过于牵强,很大程度上是人类内心的产物,试图能在各处发现模式。格利森反对克莱门茨的假设,他提出顶极群落仅仅是生物体偶然形成的联合,其兴衰取决于当地气候和地质条件。生态系统更似一个联合会而非社区——不确定,多元,包容,不断流变。

自然界的万千变化为这两种观点都提供了证据。在某些地方,群落间的边界是明确的,更符合生态系统是超级有机体的期待。太平洋西北部多岩石的海岸沿线,高潮期的海藻群落和临水侧的云杉林之间是杳无人烟的贫瘠海滩。站在数尺宽的狭窄沙盐地带,仿佛可以感受到两侧的两个超有机体,正忙碌着各自的烦恼尘缘。另一个例子在中西部地区,落叶林和开满野花的草原之间有着无法渗透的边界,引人注目。

为解开生态超有机体之谜,生物学家威廉姆·汉密尔顿[18]从20世纪70年代开始在电脑上为生态系统建模。他发现,在他的模型中(和现实生活中一样)很少有系统能自组织形成任何一种可持久的连贯一致性。我上述的例子是野外生物界的例外。他还找到了另外几个例子:几千年来,水藓泥炭沼泽抵制了松树的入侵。苔原冻土带也是如此。但是大多数生态群落跌跌撞撞地发展出的杂交混合物种,并未作为一个整体给整个群落提供特别的自卫能力。从长远来看,大多数生态群落,不管模拟的还是真实的,都很容易受到外部的侵入。

格利森是正确的。一个生态系统内各成员间的连接远比有机体内各成员间的连接更为易变和短暂。从控制论的角度看,象蝌蚪这样的有机体和淡水沼泽这样的生态系统之间控制方式的不同在于,单个有机体受到严格紧密的束缚,而生态系统则宽松自由,不受束缚。

长远来看,生态群是临时性的网络。尽管有些群落相互联系紧密,近乎共生,大多数物种在进化期内还是漫无目的地随着伙伴的自身进化而与不同的伙伴同行。

从进化的时间尺度上看,生态学可以看作一场漫长的带妆彩排。对生物类型来说,那就是个身份作坊。物种变换角色尝试与每个物种合作,探索合作关系。随着时间的推移,角色和扮演融入到生物体的基因中。用诗意的话讲,基因不愿意将取决于其邻伴行为方式的任何交互作用和功能吸收进自己的编码,因为邻里关系时时刻刻都在发生变化替换。基因宁愿为保持灵活、独立和自由付出些代价。

同时,克莱门茨也是对的。存在某种效率盆地:假定其他条件不变,可以使特定的混合群体达到稳定的和谐状态。譬如,设想一下山谷两边岩石滚落谷底的方式。不是所有的岩石都能在谷底着陆;某些石头可能会卡在某个小山丘。同样,在山水间的某处,也可以发现未达到顶极群落状态的稳定的中间级物种混合群落。在极短的地质时期内(几十万年),生态系统形成一个亲密的团体,既与外界无涉也无需额外物种加入。这些联合体的生命甚至远比个体物种的生命还要短暂,个体物种通常可以存续一两百万年。

为使进化发挥效力,参与者之间必须具有一定的连接性;所以在那些紧密连接的系统里,进化的动力得以尽其所能。而在连接松散的系统里,比如生态系统、经济系统、文化系统,发生的则是不那么结构化的适应性调整。我们对松散系统的一般动力学所知甚少,是因为这种分散的改变是杂乱而无限间接的。早期的控制论专家霍华德·派蒂[19]将层次结构定义为一个连接性频谱。他说:“在理想主义者的眼中,世上万物间都互有联系——也许的确如此。每个事物都有联系,有的事物会比其他事物有更多的联系。”派蒂定义的层级是系统内的连接性差异化的产物。那些联系松散以至于“扁平化”的成员,容易形成一个独立的组织层次,与那些成员间联系紧密的区域分离开来。不同的连接性区域产生了层级构造。

用最普适的话来说,进化是紧密的网络,生态是松散的网络。进化性的改变像是强力束缚的进程,非常类似于数学计算,甚或思维活动。在这种意义上,它是“理智的”。另一方面,生态变化则像是低等智力的、迂回的过程,以那些对抗风、水、重力、阳光和岩石的生物躯体为中心。生态学家罗伯特·洛克利夫[20]这样写道,“群落[生态学的]属性是环境的产物而非进化史的产物。”进化是直接由基因或计算机芯片产生的符号信息流控制的,而生态则受控于不那么抽象、但更加杂乱无章的复杂性,这种复杂性来自于肉体。

因为进化是这样一个充满符号信息的过程,所以我们现在能人为创造并加以控制,但因为生态变化受到有机体本体的约束,只有当我们能更容易地模拟出生物躯体和更丰富的人工环境时,才能加以合成。

6.4 变化的起源

多样性从何而来?1983年,微生物学家朱利安·亚当斯[21]在培养一族大肠杆菌菌群的时候发现了一个线索。他将培养基提纯,得到具有完全一致的不变性的同一菌类。他将这族菌群放入一个特制的恒温器,给菌株提供一个均匀一致的生长环境——每个大肠杆菌都享有相同的温度和营养液。然后他令这些一模一样的菌虫复制并发酵。经过400代的裂变之后,大肠杆菌孕育出与其本身基因稍有变异的新菌株。在恒常不变没有特色的环境中,生命自发地走向了多样化。

亚当斯很惊讶,他仔细研究那些变体(它们不是新物种)的基因,想查明发生了什么。某个初始的细菌经历了一次变异,使其分泌有机化学物质乙酸酯。另一个细菌经历的变异使它能够利用第一个细菌分泌出来的乙酸酯。乙酸酯制造菌和乙酸酯采食菌的共栖协同依赖性突然从均质性中显露头角,这一群体分化成了一个生态体系。

虽然均质性也能产生多样性,但是不一致产生的效果会更好。假使地球像闪亮的轴承滚珠一样平滑——像完美的球状恒化器般均衡地分布着同样的气候和土壤——那么地球所拥有的多姿多彩的生态群落就要大大减少。在一个持久不变的环境里,所有的变异和多样性必须由内力驱动产生。其他共同进化的生命将是作用于生命的唯一限制。

假如进化可以自行其道,不受地理或地质变化力的干扰——换言之,脱离躯体的拖累——那么这似乎有意识的进化就会将进化产物作为进一步进化的输入,产生深度递归的关系。一个没有山脉,没有风暴,也没有出乎意料的干旱的星球上,进化会将生命卷进越缠越紧的共同进化之网,形成充满沉湎于不断加速的协同依赖性的寄生物、寄生物之寄生物(即重寄生物)、仿制品以及共生体的平淡世界。但由于每一物种与其他物种的耦合如此之紧密,想要分辨从何处起算是一个物种的身份发端和另一个物种的身份消亡就很困难。最后,滚珠般均匀的星球上的进化会将所有的事物一股脑地塑造成一个在全球范围内超级分布式的、单一、巨大的超个体(超有机体)。

出生环境恶劣的极地生物,必须随时应对大自然强加给它们的难以捉摸的变化。夜晚的严寒,白昼的酷热,春天融冰过后的暴风雪,都造就了恶劣的栖息环境。而位于热带或深海的栖息地相对“平稳”,因为它们的温度、雨量、光照、养分都持久不变。因此,热带或洋底的平和环境允许那里的物种摒弃以改变生理机能的方式适应环境的需要,并给它们留下以单纯的生态方式适应环境的空间。在这些稳定的栖息地里,我们大有希望观察到许多怪异的共栖和寄生关系的实例——寄生吞噬寄生,雄性在雌性体内生活,生物模仿、伪装成其他生物,事实也正是如此。

没有恶劣环境,生命就只能自己把玩自己,但仍然能够产生变异和新特性,无论在自然界还是人工仿真界,通过将生物投入恶劣而变化多端的环境都能产生更多的多样性。

这一课对于那些设法在电脑世界里创造仿真行为的众神仿效者们并非毫无教益。自我复制、自我变异的电脑病毒一旦被释放进处理资源均匀分布的电脑存储器,便快速进化成一大群递归复制的变种,有寄生,有重寄生,还有重重寄生。有个名叫戴维·艾克利[22]的电脑生命研究员告诉我:“我最终发现,想要得到和生命真正类似的行为,不是设法创造出真正复杂的生物,而是给简单的生物提供一个极其丰饶的变异环境。”

6.5 生生不息的生命

这大风天的下午两点,离上次午夜远足6个月之后,我又爬上了屋后的山丘。冬雨洗得草儿绿,大风吹得草儿弯。爬到山脊不远处,我在野鹿卧在软草上压成的一个圆圆的草垫前停下。踩过的草茎饱经风霜,浅黄中微微带紫,这颜色好像是从鹿的肚子上蹭下来的。我在这草窝中歇息。头顶上是呼号的风。

我看见吹弯的草叶下蜷缩着的野花。不知什么原因,所有的物种都是紫蓝色的:羽扇豆,蓝眼草,蒲公英,龙胆草。在我、偃伏的草叶、还有远处的大海之间,是披挂着银绿色叶子粗矮的灌木丛——典型的荒漠版本。

这里有一株野胡萝卜花。它叶子上的纹路纵横交错,精细而复杂,令人眼花缭乱。每片叶子上排列着24片小叶,其中每片小叶之上又排列着12片更小的细叶。这种递归式的形状无疑是某种过度处理的结果。其顶生的复伞形花序,由30朵奶白色的小碎花簇拥着中心一朵小紫花,同样令人感到意外。在我歇息的这个草坡,多种多样的生命形式各自势不可当地呈现着自己的细节和不可思议。

我本应感动。但是坐拥这两百万棵草本植物以及数千棵杜松灌木林,对我冲击最大的却是想到地球上的生命是何其相像。在被赋予生命的物质所能采用的所有形状和行为中,只有少数几种及其广泛的变异形式通过了选拔。生命骗不了我,一切都是一样的,尤如杂货店里的罐头食品,尽管商标不同,却是由同一个食品集团制造。显然,地球上的所有生命都来自同一个超越国界的联合大企业。

我坐着的草棵支愣着,乱蓬蓬的蒲公英杆刮着我的衬衫,棕胸燕朝山下俯冲:它们是向四面八方滋蔓的同一事物。我之所以懂得,是因为我也被拉扯进去了。

生命是一种连结成网的东西——是分布式的存在。它是在时空中延展的单一有机体。没有单独的生命。哪里也看不到单个有机体的独奏。生命总是复数形式。(直到变成复数以后——复制繁殖着自己——生命才成其为生命)生命承接着彼此的联系,链接,还有多方共享。“你和我,血脉相同,”诗人莫格利柔声吟咏。蚂蚁,你和我,血脉相同。暴龙,你和我,血脉相同。艾滋病毒,你和我,血脉相同。

生命将自己分散成为显在的众多个体,但这些不过是幻象。“生命[首先]是一种生态属性,而且是稍纵即逝的个体属性。”微生物学家克莱尔·福尔索姆这样写道。克莱尔专爱在瓶子里搞超有机体。我们分布式地生活在同一个生命里。生命是一股变换的洪流,一路注满空容器,满溢出之后再注入更多的容器。无论那些容器的形状和数量如何,都不会对此造成丝毫影响。

生命像一个极端分子,运行起来时狂热而不加节制。它到处渗透,充塞大气,覆盖地表,还巧妙地进入了石床的缝隙,谁也无法拒绝它。如洛夫洛克所言,我们每挖出一块远古岩石,也就同时挖出了保存在那里的远古生命。约翰·冯·诺依曼,用数学术语思考生命,他说:“生命有机体……从任何合理的概率论或热力学理论来看,都属于高度不可能……[但是]倘若因由任何一次概率论无从解释的意外,竟然真的产生了一个生命,那么,就会出现许多生命有机体。”生命一旦形成,便迅速占领地球,征招所有类型的物质——气体、液体、固体,纳入它的体制。“生命是一个行星尺度的现象,”詹姆斯·洛夫洛克说,“一个星球上不可能只有稀疏点点的生命。否则它就会像只有半个身子的动物那样站立不稳。”

如今,整个地球表面覆盖着一层整体生命的薄膜。这个外罩怎么也脱不掉。撕开一个口子,外罩会自行将破处修补。蹂躏它,外罩会因此变得更繁茂。这不是件破衣烂衫,它苍翠华丽,是一件覆盖地球巨大躯体的艳丽长袍。

实际上,它是一件永恒的外套。生命对我们保有一个大秘密,这秘密就是,生命一旦出世,它就是不朽的。一旦发动,它就是不能根除的。

不管环保激进人士怎么说,完全消除地球上的生命洪流都超越了人类的能力。即使是核弹,也无法在整体上令生命停止,说不定,它实际上还能增加非人类的变体。

数十亿年前,生命肯定有过一次跨越不可逆性门槛的行动。我们称之为I点(I是不可逆转或不朽的缩写)。I点之前生命是纤弱的;它面临的是一面陡峭向上的高坡。40亿年前地球上频繁的陨石冲击,强烈的射线,大起大落的温差,给所有半成型、准备复制的复杂体造成了难以置信的恶劣环境。但随后,如洛夫洛克所描绘的,“在地球历史的太古期,气候条件形成了一个恰好适合生命诞生的机遇窗口。生命获得了自我创生的短暂时期。如果它当初失败,也就没有未来的整个生命系统了。”

可是一旦扎下了根,生命就再也不撒手了。并且,一旦越过了I点,生命就不再娇贵脆弱,而会出落得桀骜不驯。单细胞细菌出奇地不屈不挠,它们生存在每一种你想得到的恶劣环境中,包括强辐射地区。将病房里的细菌完全清除?也许只有医院才知道这根本就是天方夜谭。从地球上把生命抹去?哈!做梦吧!

我们必须留意生命永不停歇的本性,它与活系统的复杂性密切相关。我们打算制造类似蝗虫程度的复杂机器,将它们播散到世界中。一旦登场,它们就不会下台。迄今为止,病毒猎手们编写过的数千种电脑病毒,没有一种灭绝了。据杀毒软件公司说,每星期都有数十种病毒诞生。只要我们还在用电脑,它们就和我们相伴在一起。

之所以无法令生命止步,是因为生命动力的复杂性已经超过了所有已知破坏力的复杂性。生命远比非生命复杂。生命自己就能打理死亡的事宜——掠食者分食被掠食者——由一种生命形式消费掉另一种生命形式在总体上无损整个系统的复杂性,甚至可能增加它的复杂性。

全世界所有的疾病和事故,每天24小时、每星期7天,永不止歇地向人类机体进攻,平均要用621960小时才能杀死一个人类个体(注:即世界人口平均寿命),即以70年全天候的攻击来突破人类生命的防线——不计现代医学的干扰(现代医学既可加速也可延缓生命的死亡,视你所持观点而定)。这种生命的顽强坚持直接源于人体的复杂性。

相比之下,一辆做工精湛的轿车最多开上20万英里就会用坏一个气缸阀门,行驶时间大约是5 000个小时。一台喷气机的涡轮发动机可运转40 000小时。一个没有可动部件的普通灯泡可使用2 000小时。非生命复杂体的寿命比之生命的执著,简直不能相提并论。

哈佛大学医学院的博物馆里,专门用一个陈列柜摆放着“撬棍头骨”。这个头骨被高速飞来的撬棍粗暴地打了一个洞。头骨属于菲尼亚斯·盖吉,他是19世纪一个采石场的工头,在用铁棍将注入孔洞的黑色炸药捣实的时候,炸药爆炸了。铁棍打穿了他的头。他的手下将露在他脑袋外面的铁棍锯断,然后把他送到一个设备极差的医生那里。据认识他的人传说,盖奇此后又活了十三年,功能或多或少还算齐全,只不过变得脾气暴躁。这是可以理解的。但他的身体还能运转。

人少了一个胰脏,缺了一个肾脏,或切了一节小肠,可能不能跑马拉松了,但他们还都能存活。当身体的许多小部件——尤其腺体,功能降低的时候会引起整体死亡,但这些部件都有厚重的缓冲使其轻易不会破损。的确,避免破损解体是复杂系统主要的属性。

野生状态下的动植物常常在遭受猛烈的暴力或损害后仍能存活。据我所知唯一一次有关野外损害率量度的研究是以巴西蜥蜴为对象,而其结论是有12%的蜥蜴至少缺失了一只爪趾。麋鹿中枪之后仍能存活,海豹被鲨鱼咬过也能痊愈,橡树被砍伐之后还会抽芽。一次实验中一组腹足动物[23]被研究人员故意压碎了壳,然后放归野外生活,之后它们活得和未受损的对照组一样长。自然界中,小鱼“鲨口脱险”不算什么,老朽过世若能导致系统崩溃才是英雄壮举。

形成网络的复杂性会逆转事物间通常的可靠性关系。举例来说,现代照相机中的单个开关件可能有90%的可靠性。把数百个开关凑合着连成一个序列,如果不按分布式排列,这数百个开关作为一个整体,其可靠性就会大大降低——就算它们有75%的可靠性吧。而如果连接得当——每一个开关都把信息传给其他开关——比如在先进的小型数码相机中,与直觉相反,照相机整体的可靠性可上升至99%,超出了每个个体部件的可靠性。

但此时照相机有了许多新的由部件组成的子集,每个子集就像是一个部件。这样的虚拟部件越多,部件层面发生不可预知行为的总体可能性就会越大。出错的路径千奇百怪。因此,虽然作为一个整体的照相机的可靠性更高了,但当它出现意外时,就常常是想象不到的意外。老相机容易失灵,也容易修。新相机则会创造性地失灵。

创造性地失灵是活系统的标记。寻死很难,但导致死亡的路却有无数条。1990年,两百多个高薪的工程师紧张工作了两个星期来找出当时全美电话交换网频繁出现各种状况的原因,而正是这些工程师设计和建造了这个系统。问题在于,某种状况可能过去从未出现过,并且可能将来也不再会出现。

每个人的出生情况都大致相同,每一例死亡却不相同。如果验尸官愿意给出精确的死因证明,那么每一例死亡就都是独一无二的。医学觉得一般化的结案和归类更为有益,因此没有记录每一例死亡独有的真正特性。

复杂系统不会轻易死亡。系统的成员与其整体达成了一种交易。部件们说:“我们愿为整体牺牲,因为作为一个整体的我们大于作为个体的我们的总和。”生命与复杂交织。部件会死,但整体永存。当系统自组织成更复杂的整体,它就加强了自己的生命——不是它的生命长度,而是它的生命力度。它拥有了更多生命力。

我们往往将生与死想象成二元性的;一个生物非死即生。但生物体内自组织的子系统使人联想到,有些东西比别的东西更有活力。生物学家林恩·马基莉斯还有其他人指出,甚至单一的细胞也是以复数形式存活的,因为每一个细胞都至少留有细菌的三个退化形式,这是历史性联姻的结果。[24]

“我是所有生命中最有活力的,”俄国诗人塔科夫斯基((电影摄制者之父)聒噪道。这从政治角度来说不对,但有可能是事实。麻雀和马的活力可能没有实质的不同,但马和柳树,病毒和蟋蟀之间的活力就不同了。活系统的复杂性越高,里面栖息的生命力就可能越多。只要宇宙继续变冷,生命就会逐步建立更多奇怪的变体,构筑更加互联的网络。[25]

6.6 负熵

我再次登上屋后的山丘,漫步至一小片桉树林,本地的4-H俱乐部[26]曾在这里放养蜜蜂。每日的此时,小树林都在特有的水汽笼罩下打盹儿;树林所处的面向西方的山丘,挡住了早晨温暖的阳光。

我想象历史开篇时这山谷瘦石嶙峋的贫瘠模样——满山裸露的石英岩和长石,荒凉而闪亮。10亿年倏忽而过。而今,岩石披上了如织的草毯。生命用成片高过我头顶的树木填补了一片小树林的空间。生命正努力填满整个山谷。下个10亿年,它会不断尝试新造型,并在所有能找到的缝隙或空地勃发成长。

在生命出现之前,宇宙中没有复杂的物质。整个宇宙绝对简单,盐、水、元素,乏味之极。有了生命之后,就有了许多复杂物质。根据天体化学家的观点,在生命之外的宇宙中,我们无法找到复杂分子团(或大分子)。生命往往劫持所有它能接触到的物质并把它复杂化。经由某种离奇的术数,生命向这山谷注入的活力越多,它给未来生命创造的空间就越大。最终,这片加利福尼亚北部海岸蜿蜒的小山谷将会变成一整块坚实的生命。如果任它随意飘摇,生命最终会渗透所有物质。

为何从太空看到的地球不是莽莽苍苍?为何生命尚未遍及海洋并充满天空?我相信假使由它自生自灭,地球总有一天会绿成一体。生物体对天空的侵入是相对较近的事件,而且事情还没完结。海洋的完全饱和有待巨藻铺天接地,进化到能抵御风浪的撕扯。但最终,生命将凌驾一切,海洋会变为绿色。

将来某一天,银河系也可能变为绿色。现在不利于生命的那些行星不会永远如此。生命会进化出别的形式,在目前看来并不适宜的环境里繁盛起来。更重要的是,一旦生命的某个变体在某处有了一席之地,生命固有的改造本性就会着手改变环境,直到适合其他物种的生存。

20世纪50年代,物理学家欧文·薛定谔[27]将生命活力称为“负熵”,意即与热力学的熵增是反向的[28]。20世纪90年代,一个活跃在美国的科技主义亚文化群体把生命力称作“外熵”[29]。

外熵概念的鼓吹者自称为“外熵族”。基于生命外熵的活力论本质[30],他们发表了关于生活方式的7点声明。声明第三点是纲领性条文,申明他们“无疆界扩展”的个人信仰——即生命会一直扩张,直至充满整个宇宙。那些不这么认为的人,被他们贴上“死亡主义者”的标签。从他们的宣传来看,这一信条不过是盲目乐观者的自我激励:“我们无所不能!”

但我仍有些固执地把他们的鼓吹当作一个科学主张:生命将会充满宇宙。没有人知道生命所引起的物质扩散的理论极限在哪里,也没有人知道我们的太阳最多能支持多少带有生命印记的物质。

20世纪30年代,俄罗斯地球化学/生物学家沃尔纳德斯基写道:“最大化扩张的属性是活物与生俱来的,就如同热从温度较高的物体传到温度较低的物体,可溶性物质溶入溶剂,以及气体扩散到空间。”沃尔纳德斯基称之为“生命的(物理)压力”,并且以速率来度量这种扩张。他认为大马勃菌的扩张速度是生命中最快的。他说,大马勃菌产生孢子的速率极快,如果能够快速地为其发育提供原料,那么只须繁殖三代,大马勃菌的体积就能超过地球。按照他晦涩难懂的算法,细菌生命力的“传输速度”大约为每小时1000公里。以这样的速度,生命填满宇宙就要不了太久。

当还原至其本质时,生命很像是计算用的函数。与众不同的思想家爱德华·弗雷德金[31]曾在麻省理工大学工作过,他构思出一个异类的理论,说宇宙是一台计算机。不是比喻意义上的电脑,而是说物质和能量也是信息处理的形态,其对信息处理的方式与一台麦金塔电脑里的内部处理方式相同。弗雷德金不认同原子的不可分性,他坦率地说:“世界上最具体的东西就是信息。”在多种计算机算法领域做出过开拓性工作的数学天才斯蒂芬·沃尔夫拉姆[32]对此表示赞同。他是首批将物质系统视为计算性处理过程的人之一,其后这个观点便在一些物理学家和哲学家的小圈子里盛行起来。根据这个观点,生命达成的极小工作,其物理与热力学性质与计算机中达成的极小工作类似。弗雷德金及其合作者会说,知道了宇宙能够进行的最大的计算量(如果我们将其中的全部物质视作一台计算机),我们就能够知道,在给定我们所看到的物质和能量的分布下,生命是否能够充塞宇宙[33]。我不知道是否有人做过那个计算。[34]

认真考虑过生命的最后命运的科学家很少,理论物理学家弗里曼·戴森[35]是其中之一。戴森做过粗略的计算,以估计生命和智力活动是否能够存活到宇宙最终完结之时。他的结论是,能。他写道:“我计算的数值结果显示,永久生存和信息交流所需的能量不算很大,这令人惊讶……这强有力地支持了对生命潜力持乐观态度的观点。无论我们向未来走得有多远,总会有新鲜事物发生,有新信息进入,有新世界去开发,有可供不断拓展的生命、意识、知觉和记忆的疆域。”

戴森将这个观念推进到我不敢想象的程度。我操心的只是生命的动力,以及它如何渗透所有的物质,还有为何已知万物没有一个能够阻止它。然而正如生命不可逆转地征服物质,类似生命的,我们称之为心智的更高级的处理能力,也一发不可收地征服了生命,并因而征服了所有物质。戴森在他抒情而又形而上学的书——《全方位的无限》(Innite in All Directions)中写道:

在我看来,心智渗透及控制物质的倾向是自然定律……这种渗透深入宇宙,不会被任何灾难或我所能想象的任何藩篱永久阻挡。假如我们这个物种不走在前头,别的物种就会带头,也许已经走在前头了。假如我们这个物种灭绝,其他物种会更聪明更幸运。心智是有耐心的。它在奏响第一阙弦乐四重奏之前,在这个星球上等待了30亿年。或许还需要30亿年它才能遍布整个银河系。我认为不会等这么久。但是如果需要的话,它有此耐心。宇宙就像在我们周边展开的沃土,准备好等待心智的种子萌芽、生长。或迟或早,心智终将践行传承。当它知会并控制宇宙之后会选择做什么?这个问题我们不能奢望回答。

6.7 第四个间断:生成之环

大约一个世纪以前,人们普遍信奉生命是注入活物的一种神秘液体的观点,被精炼为现代哲学所谓的活力论[36]。活力论与平常的“她失去了生命”这句话意义相差并不远。我们都设想某些不可见的物质会随着死亡而流走。活力论者认真看待这一专属的含义。他们认为,活跃于生物体内的本质灵魂,其自身并不是活体,也不是无生命的物质或者机械。它是某种别的东西:是存在于被它激活的生物体外的原脉动。

我对生命侵略特性的描述并不意味着要将它当变为后现代的活力论。的确,将生命定义为“通过组织各个无生命部分所涌现的特性,但这特性却不能还原为各个组成部分”,(这是科学研究目前能给出的最好定义),这非常接近形而上学的调调,但其目的是可以测试的。

我认为生命是某种非灵性的、接近于数学的特性,可以从对物质的类网络组织中涌现。它有点像概率法则;如果把足够多的部件放到一起,系统就会以平均律展现出某种行为。任何东西,仅需按照一些现在还不知道的法则组织起来,就可以导出生命。生命所遵循的那些定律,与光所遵循的那些定律同样严格。

碰巧,这一受自然法则支配的过程给生命披上了件貌似灵性的外衣。第一个原因是,按照自然法则,这种组织必定产生无法预知的、新奇的东西。第二,组织的结果必须寻找各种机会复制自身,这让它有一丝急迫感和欲望。第三,其结果能轻易环接起来保护自身存在,并因此获得一种自然发生的流程。综合起来,这些原则也许可以称为生命的“涌现性”原理。这一原理是激进的,因为它要求以一种修正的理念看待自然法则的含义:不规则性,循环逻辑,同义重复性,出奇的事物。

活力论,正如历史上每一个错误的观念,也包含了有用的真理片段。20世纪主要的活力论者汉斯·德里施[37]在1914年将活力论定义为“关于生命进程自治的理论”。在某些方面他是对的。在我们刚刚萌芽的新观点中,生命可以从活体和机械主体中分离出来,成为一种真实、自治的过程。生命可以作为一种精巧的信息结构(灵性或基因?)从活体中复制出来,注入新的无生命体,不管它们是有机部件还是机器部件。

回顾人类的思想史,我们逐步将各种间断从我们对自己作为人类角色的认知中排除。科学史学家大卫·查奈尔[38]在他的著作《活力机器:科技和有机生命研究》中总结了这一进步。

首先,哥白尼[39]排除了地球和物理宇宙其他部分之间的间断。接着,达尔文排除了人类和有机世界其他部分之间的间断,最后,弗洛伊德[40]排除了自我的理性世界和无意识的非理性世界之间的间断。但是正如历史学家和心理学家布鲁斯·马兹利士[41]所指出的,我们依然面对着第四个间断,人类和机器之间的间断。

我们正在跨越这第四个间断。我们不必在生物或机械间选择了,因为区别不再有意义。确实,这个即将到来的世纪(指21世纪)里最有意义的发现一定是对即将融为一体的技术和生命的赞美、探索与开发利用。

生物世界和人造物品世界之间的桥梁是彻底不均衡的永久力量——一条叫作生命的定律。将来,生物和机器将共同拥有的精髓——将把它们和宇宙中所有其他物质区别开来的精髓——是它们都有自我组织改变的内在动力。

现在,我们可以假定生命是某种处于流变之中的东西,其遵循的规律是人类能够揭示和认知的,即使我们不能完全理解这些规律。在本书中,为探索机器和生物间的共同之处,我提出以下这些问题:生命想要什么?我用同样的方式考虑进化,进化想要什么?或者更精确些,从生命和进化各自利益的角度来讲,它们怎么看待世界?假如我们把生命和进化看作自主自治的过程,那么它们的自私行为指向什么目标?它们要走向何方?它们会变成什么?

格瑞特·埃里克[42]在其充满诗意的《蒙大拿空间》(Montana Spaces)一书中写道:“野性没有条件,没有确定的路线,没有顶点或目标,所有源头转瞬超越自身,然后放任自流,总在生成当中。靠CT扫瞄或望远镜无从探究其复杂性,相反,野性的真相有多个侧面,有一种率直的总是出乎意料的本性,就像我脚下的红花菜豆地上连串的野草莓。野性同时既是根源又是结果,就好像每条河流都头尾环绕着,嘴巴吞吃尾巴——吞、吞、吞到源头……”

野性的目的就是它自身。它同时是“根源和结果”,因和果混合在循环逻辑里。埃里克所谓的野性,我叫作活力生命的网络,是一种近似于机械力的流露,其唯一追求就是扩张自己,它把自身的不均衡推及所有物质,在生物和机器体内喷薄汹涌。

埃里克说,野性/生命总在生成当中。生成什么?方生方死,方死方生,生生不息。生命在生命之路上更复杂,更深入,更神奇,更处在生成和改变的过程中。生命是生成的循环,是自身催化的迷局,点火自燃,自我养育更多生命,更多野生,更多“生成力”( becomingness)。生命是无条件的,无时无刻不在瞬间生成多于自身之物。

如埃里克所暗指的,狂野的生命很像乌洛波洛斯衔尾蛇,吞掉自己的尾巴,消费自己。事实上,狂野的生命更加奇异,它是一个正在脱出自己肉身的衔尾蛇,吐出不断变得粗大的尾巴,蛇嘴随之不断张大,再生出更大的尾巴,把这种怪异图景溢满宇宙。

[1] 驻波:振动频率、振幅和传播速度相同而传播方向相反的两列波叠加时,就产生驻波。比如水波碰到岸边反射回来时,前进和反射波的叠合就产生驻波。驻波形成时,空间各处的介质点或物理量只在原位置附近做振动,波停驻不前,而没有行波的感觉,所以称为驻波。

[2] 斑块(patch):这里是生态学术语,指的是外观上与周围地表环境明显不同的非线性区域。其类型分为干扰斑块(由自然的火、雷电、山崩等引起)、残存斑块、环境镶嵌分布斑块和人类活动引起(已经占据主要作用)的斑块等。

[3] 丹·鲍肯(Dan Botkin):资深生物学家,理学博士。研究自然、环境和地球生命。研究对象包括北极驼鹿、北冰洋弓头鲸、非洲大象、中北美森林等。参与拯救加州兀鹰、西北太平洋鲑鱼,同时写了大量有关自然、生物的书,对环保事业贡献良多。

[4] 托尼·博格斯(Tony Burgess):沙漠/草原生态学博士,任职于亚利桑那州图森的沙漠协调实验室。

[5] 生态渐变群:同一物种的多个种群散布在大片地理区域中。

[6] 生态交错群:两个不同群落交界的区域,亦称生态过渡带。两群落的过渡带有的狭窄,有的宽阔;有的变化突然,有的逐渐过渡或形成镶嵌状。群落交错区的环境特点及其对生物的影响,已成为生态学研究的重要课题。

[7] 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。

[8] 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。

[9] 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。

[10] 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。

[11] 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。

[12] 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。

[13] 北美原种栗树的消失:100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。100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20世纪50年代,美国东部地区900万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。

[14] 身份作坊:物种的身份,即其区别于其他物种的特性,不是特意地、带有预判地创造的,而是通过“彩排……物种彼此尝试演练不同的角色”,进化到某处,自然而然地涌现出来的,因而是漫无目的的、作坊式的、细敲碎打的。

[15] 弗雷德里克·克莱门茨(Frederic Clements,1874~1945):美国植物生态学家,植被演替研究的先驱。

[16] 山毛榉-枫树林群落:是北美地区常见的植物顶极群落。

[17] H.A.格利森(H.A.gleason,1882~1975):美国著名生态学家、植物学家及分类学家,以其对个体/开放群落的生态演替概念的支持而著称。

[18] 威廉姆·汉密尔顿(William Hamilton,1936~2000):英国进化生物学家,20世纪最伟大的进化理论家。

[19] 霍华德·派蒂(Howard Pattee):任职于T.J.沃森学校系统科学与工业工程系以及纽约州立大学工程及应用科学系。主要研究包括:复杂系统进化模式,动态系统语言控制及理论生物学。

[20] 罗伯特·洛克利夫(Robert Ricklefs):美国鸟类学家和生态学家。2006年因其在鸟类学领域的毕生成就而获库珀鸟类学社团罗伊和奥尔登米勒研究奖。

[21] 朱利安·亚当斯(Julian Adams):理学博士,曾在普洛斯克里普公司、勃林格殷格翰公司担当过多种职务。在勃林格殷格翰公司工作时成功发现了对抗艾滋病的药物Viramune®。

[22] 戴维·艾克利(David Ackley):卡内基梅隆大学物理学博士。在新墨西哥大学任职之前,他是贝尔通信研究所认知科学研究组的研究员。他的研究兴趣集中在人工生命模型和人工生命实体;目前研究重点包括遗传算法及程序设计,分布式计算和社会性计算,以及计算机安全。

[23] 腹足动物:软体动物门中物种最多的一个纲。蜗牛以及田螺、玉螺、骨螺等等各种各样的海生螺类都属于这个纲。

[24] 细胞的起源:距今39亿年前,古细菌、蓝菌(俗称蓝藻)是地球上最初的生命形式,拥有细胞质、细胞壁、细胞膜,我们称为原核生物,而后的真核细胞拥有细胞核、高尔基体 (细胞器)、线粒体、内质网等,进行有丝分裂,是真正的细胞。按照现在普遍接受的内共生理论,线粒体是最初真核生物吞噬细菌后,形成共生关系而进化出来的;同样,叶绿体是真核生物吞噬蓝菌后共生而来的;细胞器也是如此。

[25] 热寂和熵减的关系:本书作者在2008年的一次访谈中说道:“人们都说,没有什么能逃脱冷酷的热力学第二定律,宇宙的最后归宿是一片热死寂。但这不是故事的全部,宇宙在沉寂的同时,也在热闹起来,从旧物中带来新生、增加复杂性的新层次。宇宙充满了无尽的创造力。熵和进化,两者就象两支时间之矢,一头在拖拽着我们退入无穷的黑暗,一头在拉扯着我们走向永恒的光明。”

[26] 4-H:头(Head),心(Heart),手(Hands),健(Health)。4-H Club又作四健会。

[27] 欧文·薛定谔(Erwin Schrödinger):著名的奥地利理论物理学家,量子力学的重要奠基人之一,同时在固体的比热、统计热力学、原子光谱及镭的放射性等方面的研究都有很大成就。

[28] 负熵(negentropy):自然万物都趋向从有序到无序,即熵值增加。而生命需要通过不断抵消其生活中产生的正熵,使自己维持在一个稳定而低的熵水平上。生命以负熵为生。 ——摘自薛定谔著《生命是什么 - 活细胞的物理学观》。

[29] 外熵(extropy):系1988年1月由汤姆·比尔杜撰,并由马克斯·摩尔定义为“生命系统或有组织系统内的智力、功能秩序、活力、能量、生活、经验以及能力还有改进和成长的动力”。外熵只是一种隐喻,还未成为技术名词,故此,它不是熵的反义(反义词是负熵),尽管也有人考虑将它作为专用反义词。马克斯·摩尔撰写的《外熵的哲理》,其原意旨在阐述其超人主义。

[30] 活力论和还原论:两者的纷争由来已久,鉴于逐渐意识到生命体独特的复杂性和整体性,近年来科学界已不再像过去那样排斥活力论了。

[31] 爱德华·弗雷德金(Ad Fredkin):曾任麻省理工学院计算机实验室主任,鼓吹“宇宙就是一台电脑”的思想。

[32] 斯蒂芬·沃尔夫拉姆(Stephen Wolfram,1959.08.29~):生于伦敦,美国物理学家,数学家,商人。以其在理论粒子物理学、宇宙学、格状自动机、复杂性理论及计算机代数方面的成就著称,是计算机程序Mathematica的创建人。

[33] 宇宙的总质量:有机体的基本构成粒子都来源于宇宙物质,来自恒星和星云。宇宙的粒子总数是一定的,约为1080,一个人体约为1028。那么,根据维持生命存活所必需的环境温度、压力、日光等物理变量计算出符合要求的恒星系统的大小、分布和类型以及其所需的基本粒子数量,也许就能推测生命能否奢侈到布满宇宙各个角落。

[34] 关于宇宙所能进行的最大计算量:2000年麻省理工学院的赛斯·劳埃德给出了计算值(本书成书于1994年),他依据光速、普朗克常数、万有引力常数等物理规律,按信息论把所有基本粒子看成可储存并计算0和1的二进制运算单元。根据宇宙所包含的总能量,劳埃德算出宇宙计算机可以执行10120次基本运算。而它能存储的信息则大约有1090比特。考虑到计算还需要能量和时间,上述数值已按爱因斯坦的质能方程和量子物理理论做了修正。

[35] 弗里曼·戴森(Freeman Dyson,1923.12.15~):优秀的理论物理学者,早年作为量子电动力学的巨擘,与诺贝尔物理奖擦肩而过。1956年发表的《自旋波》论文被无数次引用,堪称物理学史上的重量级论文之一。戴森称,“自旋波”或许是他一生最重要的贡献。

[36] 活力论的历史:作者在这里的论述不尽符合事实。活力论由来已久,可以追溯到亚里士多德时期。他把生命这种要素区别于水、火、气、土,称为entéléchie(完成)。活力论一直到20世纪仍有其代表人物,其中最后的一位即是文中所提到的胚胎学家汉斯·德里施。但是到了20世纪二三十年代,生物学家几乎普遍地否定了活力论。这是因为自牛顿、笛卡儿以来的自然科学的发展,物理定律、化学热力学定律的大批发现,使得朴素唯物主义的机械论、还原论占了上风。近二30年来,随着学界对生命独特的复杂性和整体性的重新认识,以及建立在分子生物学上的实验生命科学飞速进步,人们不再由于害怕活力论无法实证研究而排斥它,而是视之大有可为。

[37] 汉斯·德里施(Hans Driesch,1867.10.28~1941.04.16):德国生物学家、哲学家。以其早期胚胎学实验性研究以及实体新活力哲学著称。

[38] 大卫·查奈尔(David Channell):科学技术史博士,主要研究伦理学。

[39] 哥白尼(Copernicus,1473~1543):波兰天文学家,现代天文学创始人。创立日心说,推翻了托勒密的地心说,使自然科学开始从神学中解放出来,著有《天体运行论》。

[40] 弗洛伊德(Freud,1856~1939):奥地利神经学家、精神病医学家、精神分析的创始人。提出潜意识理论,认为性本能冲动是行为基本原因,主要著作有《释梦》、《精神分析引论》等。

[41] 布鲁斯·马兹利士(Bruce Mazlish):麻省理工学院名誉历史学教授。

[42] 格瑞特·埃里克(Gretel Ehrlich):1978年开始写作,最有影响的著作是1984年由维京企鹅出版社出版的《旷野的慰藉》(The Solace OF Open Spaces),美国艺术及读书协会因此给她颁发了哈罗德·D.沃尔肖卓越散文奖。