多样性的逻辑

迟到的认识

任何一个多自由度的复杂系统,比如生命、社会、思维体系等,如果我们要追求系统的稳定,健康,多样性都是一个非常重要的普适原则。对这一原则,人类直到很晚的时候才形成比较全面的认识。因为对这一原则的无知,在漫长的历史进程中,人类社会付出了惨痛的代价。

这一普适原则应该成为我们的基本价值观的基础,也应该是我们基础教育的核心内容。所有的人,从小就应该了解复杂系统多样性的重要,并用其规范自己的行为。

科学基础

物理上,对于一个多自由度系统,比如大量气体分子组成的系统,最稳定的宏观状态是微观状态数最多的状态(各态历经理论)。一个动力学体系,遵循最小作用量原则,该最小作用量是从初态到末态所有可能途径的路径积分最小量,需要系统全空间条件的参与。量子体系也遵循同样的原则。所以,一个复杂的物理系统会自然寻找最广谱的分布,接受最全面的、所有参与客体的贡献。

一个复杂的系统如果要平稳地演化发展,必须探寻所有可能的路径,从中找到一般是最优的路径。如果限制系统探寻路径的模式,系统就会不稳定,病态,退化,或者崩溃。

系统越复杂,参与成员越多,各种相互作用模式也越多。最直接的原因是相互作用模式数量由成员的组合数目决定,而组合数量的增加随着成员数量的增加,至少以几何级数的方式增加。

由于合作模式的增加,随着系统尺度也就是规模的增大,会出现新的高层次作用,这些作用在系统规模不够大的时候不存在。这叫涌现(emergency)。如,随着人口数量增加,人类会出现种族,文化,宗教,科学,合作,战争,等新现象。涌现是所有可能模式充分竞争,自然发展的结果,也是生物进化,技术进步,文化发展,等等的根本原因。

人类为什么对多样性认识迟缓?

人类的原始认知本能是本位主义,也叫本位陷阱,即以自己的经历和利益为出发点,看待一切。本位意味着出发点单一,利益单一,本能反对不同于自己世界观、有悖于自己近期利益的一切观点。本位常常意味着自大,自私,傲慢,和侵略性。而从系统的角度,也就是更大整体的角度,追求的是整体的利益最大化,或者符合最多人利益,能被最多人接受的观点,才应该成为基本认知,也就是判断是非的出发点。个体本位,甚至部分体本位,与整体利益一般是冲突的。当追求个体,或者部分利益最大化的时候,将导致整体利益受损。

多样性原则是对系统整体有利的,虽然最终符合多数个体的利益,但短期看起来与个体利益相悖,自然会被没有整体意识的个体或局部排斥。

即使在科学认知方法上,人类也长期受还原论的影响,即从简单化,理想化,微观化的角度研究客观世界,将各种因素隔离,用简单线性模型理解研究对象。中国的传统哲学虽然有整体论的概念,但是像“天人合一”这样的理论仍然在简化,而且经常是“合于人”,而不是“合于天”。

人类对多样性原则的认识迟缓,还受到传统教育的影响。传统教育传播的是鲜明对立的是非观,比如圣人与小人,可以信赖的信徒与无耻卑鄙的异教徒。对于传播的教义,信与不信的差别,是成仙成佛上天堂,和轮回受苦,下地狱,永世不得翻身的天壤之别。对于传统教育来说,本位(本教教义)就是对,就是真理,不同于本位就是错,就是敌人,不存在中间位置。但对于系统整体来说,没有绝对的对错,只有更符合哪部分利益的问题。

多样性认识缺位的教训

对多样性认识的缺位,体现在人类社会的几乎所有层面。

对于个人来说,意味着自大,自私,傲慢,各种自我优越感,以及随之而来的歧视;对于民族和国家来说,意味着沙文主义,国家主义,狭隘民族主义,文化优越感,对别国和其他民族的歧视或者仇恨,导致对弱势人群的歧视,迫害,和发动对外战争;对于生态多样性认识的缺乏,人类在农业生产中大量使用化肥和杀虫剂、除草剂,导致环境和生态破坏;价值观单一,导致是非观单一,成功标准单一,社会文化和经济单一,抗冲击能力弱,个人发展途径少,内卷恶性竞争严重,创新能力弱;进化论及相关理论(优生学,社会进化论)中,多样性原则同样适用,由于对多样性理解的缺位,部分概念被滥用,过度强调竞争和优胜劣汰,为部分别有用心的战争狂人提供了是似而非的“理论依据”。

对人类行为的启示

多样性是复杂系统稳定和演化的基础。它应该成为我们处理各种事务的基本原则,和我们价值观的基础。它要求我们宽容,包容,从更大的系统,更长的时间尺度看问题,而不是局部和眼前。对多样性的认识,是我们知识现代化,价值观现代化的重要表现。

对于人类社会来说,多样性原则要求社会包容,也就是考虑所有成员的利益和需求。包容性原则已经是人类处理社会问题的共识,体现在联合国宪章以及各种宣言中。但部分国家和文化还没有认识到包容性原则的重要性,体现为对共同发展观的不认同和对其它成员的敌意。

对于个人来说,要求我们有开放的心态,不对别人有偏见,同尽量多的人友好相处,尽量了解更多的人和观点。对个人学习来说,要注意知识的广度。

对于经济,要参与更大尺度的经济循环,选择多种技术路线,进行良性竞争。减少经济壁垒,鼓励创新,实现经济多元化。

对于文化,我们应该允许更多种类亚文化的存在,只要不对社会产生明显危害,应该允许不同价值观的人形成自己的文化圈,与社会和谐共处。破坏社会的多样性,就是反社会。

多样性:地球生命与文明的发展的启示

地球生命的诞生,维持,演化,都离不开多样性这一基本要求。其中包括物理条件的多样性,化学条件的多样性,气候条件的多样性,生态环境的多样性,等等。

地球生命所需的基本物理条件,如温度,阳光(或其它能源),水,大气,化学元素,足够长温和环境的时间等,每一个条件都必须具备,在同一空间,所有条件都要具备。我们现在已经比较清楚地知道了太阳系各星球的情况,发现了很多不同的星球环境,但是只有地球有生命,其它星球连最原始的生命都不存在。我们也已经观察到了几千颗系外行星,种类多种多样,其中不乏物理环境与地球相似的行星,如大小,表面温度,化学构成,等,但是没有发现生命的迹象。这是因为地球恰好拥有适合生命的出现,维持,和演化的全部物理条件。

我们不考虑条件和地球差别较大的星球,如太大,太小,太热,太冷,等,虽然这些条件的星球占我们知道星球总数的绝大部分。假定有一个星球与地球类似,质量差不多,表面温度差不多,有大量液态水。在这颗星球上产生生命并演化到高等生命的希望仍然极其渺茫。比如它必须维持长期一定密度的大气,这并不是一件容易的事情。金星和火星都处在太阳的宜居带中,但一个大气太稠密,一个太稀薄。太稠密除了气候条件恶劣外,最主要的问题是来自恒星的光照能量不能到达地表,或者比例太低,无法为地表的生物提供能源(先不考虑气体海洋等奇思妙想)。太稀薄则无法遮断宇宙辐射的伤害,比如火星。星球表面大气的维持是一个动态的过程,一方面会有彗星等带来低质量元素,在宜居行星中以气体的形式存在,一方面恒星在无时不刻地剥离行星大气。因此,行星大气长期稳定在比较稀薄的适当范围是很少见的。地表的大气压强,或者对应大气层厚度,要么太大,要么太小。太阳系中,火星的大气层厚度太小了,金星太厚了,其它所有具有一定大气的行星,都一样。气态巨型行星就不用说了,连卫星都一样,大气要么太厚,要么几乎没有。另一个实例是太阳系所有的较小天体中,也就是几十颗大卫星和小行星、矮行星中,只有一颗卫星有浓密的大气,即土卫六(泰坦)。但土卫六的大气太浓密了,厚度超过500公里,是地球的十倍以上,可见光波段无法看清星球表面,也就是阳光无法到达地表。

较稳定和稀薄的大气这一条,实际上还意味着更多的限制,比如星球质量允许的误差可能非常小,因为大了,大气就会越积越厚,小一点,就会越来越稀薄,双向都是正反馈。

与大气厚度类似的要求还有水层的厚度。同时拥有海洋和陆地才能孕育高等生命。水是容易被恒星剥离的轻成分(volatile),如果行星质量够大,或者离恒星够远,能够约束住水,那么水就可能非常多,比如像木星的几个卫星。反之则特别少,比如水星,金星,火星。液态水尤其难以长期维持。因为液态水一直在快速蒸发,与其它分子量较大的气体相比,如二氧化碳,氮气,水蒸气会上升到大气层顶,并被恒星剥离。水太少了不行。水多了也不利。地球表面有大面积海洋,平均深度大4千米,但对地球的半径(6400千米)来说,这个厚度是很小的,更大的可能是海洋的深度达到几十千米到几百千米,就像太阳系中很多有水的星球那样,这样就没有陆地了。地球的海洋中虽然也有大量高等生命,但是它们(哺乳动物)都是经过陆地演化过程回去的。它们可能有较高的智力,但是无法发展技术文明,因为无法发展冶金。

另一个要求针对恒星。恒星在生命周期中的光度是会变化的,而行星轨道如果不是离恒星特别近(对生命极端不利),一般都很稳定。大质量恒星一般是不需要考虑的,因为它们的寿命太短,光照太强。小质量的红矮星,占恒星总数的大部分,对生命也非常不利,因为宜居带离恒星太近,不仅容易发生潮汐锁定,而且喜怒无常的大规模物质喷发对行星大气的维持也非常不利。那么能够孕育生命的恒星就剩下太阳这类的黄矮星了。但是,高等智慧文明可以迁移到各种恒星周边生存。

生命是一个复杂的分子机器,构成这些分子需要较多种类的元素参与,也就是需要较大的化学多样性,特别是原子序数较大的金属元素。宇宙诞生之初的金属元素是非常少的。它们必须在恒星演化过程中合成。恒星演化过程中,合成的大量金属元素的绝大部分又转变为白矮星,中子星,黑洞等不可得的形态,少部分才通过超新星爆发过程扩散到宇宙空间,在下一代恒星产生过程中形成石质或金属质的行星,才有可能孕育生命。除了化学元素的多样性,还需要构成生命的分子功能和分子种类多样性。元素或化合物趋向于聚集成块,就需要一个中间体,一个熔炉,将不同种类的分子组合在一起,这个中间体就是水。水这种介质能够在一定温度范围内,维持很多种分子的生物活性,这些分子也需要适应水环境,在一个共同的温度下完成丰繁复杂的各种功能,并且还应该容易重组。具备相关活性和功能的是碳基有机分子群。它们在适当温度的水环境中,具有极大的分子种类和功能多样性,便于组合完成生命需要的各种基本功能,如能量转换,储存,功能分子(蛋白质等)生产,回收,复制,等等。虽然有人讨论基于其它原子的生命形态,但是考虑到上面说的多种化学多样性需求,非碳基分子生命应该没有可能。

为了维持上述化学多样性,就对星球提出了液态水环境,碳基有机物活性温度区间等要求。生命过程,又是一个物质与能量耗散过程,除了同时有多种化学元素和多种功能的分子团聚集组织,还要能够接受到一定强度的外来能量,外来能量的来源只有两种,化学能和恒星光能。化学能无法提供大规模长期的供给,所以高等生命系统的能量最终来源只有恒星提供的光能。这要求能满足化学多样性的星球区域,比如海洋,河流,沼泽,森林等地区必须能直接接受到大量光照。海底火山口虽然也能提供足够的能量密度和化学元素多样性,但体量太小,不足以维持高等生命。地表光照强度要求限定了行星距恒星的距离和大气的厚度。

生命的物质耗散会导致行星化学环境的变化,比如从还原(无氧)环境变成氧化环境,构成生命的元素沉积,脱离生态圈,比如形成煤,石灰石,等等。这些大规模的环境改变反过来限制了生命的发展,成为一道“大过滤”之坎。也就是,行星环境诞生了生命,生命过程扼杀了自己。在地球早期的大氧化过程中,开始发生光合作用的蓝藻是厌氧的,不能在有氧环境中生存,如果自身光合作用产生的氧气没有被周围的还原环境消耗掉,就会反过来杀死自己。这个问题最后需要生物多样性来解决。但在生物多样性还没有建立的情况下,需要地理环境多样性保证蓝藻不全面灭绝,慢慢演化产生耐氧、互补的生命形态。

稳定的气候地理环境下,会逐渐产生稳定的生态模式。生态模式稳定后,生命形态就难以继续演化,甚至可能因为物质的沉积消耗而逐渐退化。因此需要一种机制摆脱这种静止或退化的稳定模式。地球有几种活动可以维持大环境的动态稳定,一是全球的大气循环,水循环,二是地壳运动。在合适温度和大气条件下,大气和水的循环一般不是问题,但地壳运动并不一定能满足。地壳运动需要很长时间星球内部维持高温,维持高温的能量来自于重元素的放射性衰变和与其它星球的潮汐作用。放射线衰变半衰期达到几十亿年左右,量又比较大的元素主要是铀、钍和钾40。无论是放射性衰变,恒星或者卫星的潮汐作用,还是行星形成初期的高温热能,都会随时间的延续逐渐减少。潮汐对地质运动有直接的驱动作用。星球表面环境的动态演化,也是为了维持多样性,并且推动多样性的演化。这一要求需要行星有较大的卫星,距离恒星不能太远,放射性重元素的占比必须足够大,还有一定的总质量范围。质量太大则重力大,元素重力沉积严重,地质运动不能将重要的元素送回生物圈。

大量星球表面要素的变化是正反馈的,不稳定,直到变化到某一极端环境。比如上面说的重力问题,大气厚度问题。水循环也有同样的趋势。如果温度低一点,水变成冰,大量反射阳光,温度更低,直到全球表面变成一个大冰块。这种状态在地球表面多次出现。这种状态无法通过星球自然过程或者生物过程调节,因此需要更大规模的驱动改变这一不利的稳定状态。比如大规模火山爆发,或者小行星撞击。这类毁灭性事件不能经常发生,但是必须有一定的频率发生。这是宇宙环境多样性的一部分。实际上,正是这种温和的宇宙环境灾难,才终结了地球长达几亿年的恐龙时代,为哺乳类的发展打开了空间。

人类的出现,同样离不开多样性和温和的灾变。热带雨林同时满足温度,水分,营养元素,体量等重要的生命条件,提供了丰富的生物多样性。猿类在森林中出现。气候变化导致部分森林变成稀树草原,猿类必须适应草原的生活,变成直立人,适应奔跑,制造工具,沟通协作,互相竞争,……,从而发展出语言,文化,宗教,技术,科学,……。

甚至人类的杂食性,也就是食物的多样性,也是人类与其它动物相比的优势。杂食让我们的身体的营养要求得到全面满足。让我们认识更多的动植物,形成原始的医疗体系。人类的杂食性在不同地理气候条件下有更大的多样性,可以促使人类分化,让部分人群脱颖而出,从而整体推动人类的演化。

在文化和科学发展的过程中,多样性同样不可或缺。人口聚集在自然条件优越的地方。自然条件优越也是具有自然条件多样性的地方,比如河滨,河流入海口,具有丰富的淡水,肥沃的土壤,适宜的气候,多样的食物。而文明和技术在文化多样性丰富的区域更容易出现,比如农耕与游牧,海洋,手工业,冶金,贸易,等。中国南方自然条件优越,但是早期文明诞生和发展在北方农牧业交界的区域。炎黄之争是中华文明诞生的标志。地中海沿岸,有更多种类的文明相互冲突,相互交流,艺术、文化、宗教、技术、科学都有很好的发展。

尽管最初的生命种子也许早已在更早的宇宙中孕育,但是生命要在一个星球上逐渐演化,发展到智慧生命,建立文明,需要各种恰到好处的条件。每一个条件都在走钢丝。即使最原始的生命,也是由至少几亿个分子构成的精密机器,亿亿个这样的机器构成更高级的生命形态,它们互相影响,互相促进,跟环境互动,适应和改变环境,向越来越大的空间发展,适应和扩散到越来越大的环境中。这里不可或缺的是能量,组分,环境的多样性。

地球,集万千宠爱于一身,拥有恰到好处的各种条件和机遇,终于演化出技术文明,智慧文明。而这些恰到好处的条件,又是宇宙无穷多天文条件多样性几乎必然的结果。

多数情况下,一个复杂系统的体量是体系多样性的保证。体量越大,参与的成员越多,多样性也就越丰富,系统整体也更稳定。其它条件相同的情况下,体量越大,多样性越丰富,各方面的发展也会更好或更强。反之亦然。比如帕劳群岛上有一个黄金水母湖,本来是海洋的一部分,生物多样性又海洋决定,但后来与海洋隔绝了,生物多样性退化,最后只剩下水母和一些低等生物。水母一般是有毒的,由于缺少天敌,水母的毒性消失了,并演化为一种与藻类共生的形态。不是像一般水母那样通过捕食生存,而是与能光合作用的藻类共生。整个湖的生态本身变得简单了,虽然湖和水母本身丰富了自然界的生物形态。类似的例子还有洞穴生物群,塔斯马尼亚岛上退化的物种,等等。

人类的经济行为也有同样的特点。城市和经济中心,总在贸易要道上建立。大航海以来,经济全球化,参与经济活动的实体数大量增加,世界经济得到源源不断的持续推动,生产力发展速度远远高于各经济体孤立时期。参与世界贸易程度越高的经济体,经济、科技、社会文化也越发达。参与方越多,多样性越大的经济体,经济越健康,创新能力也越强。

一个健康的复杂系统,多样性也会协同演化。其构成部分相互影响,相互制约,相互促进,整体从原来的多样性模式平滑演变到新的多样性模式。没有多样性会增加系统演化的难度,或者退化到一些简单的模式。比如一个市场如果只有一家汽车生产商,它不会考虑升级换代,或者升级换代的成本很高,但如果有很多家车企竞争,汽车技术就会稳定发展。中国计划经济时代,有几十年不变的汽车,自行车,就是很好的例子。而在那几十年里,世界汽车自行车已经更新换代了很多次。再比如,生物多样性建立之前,蓝藻也就是地球生命的周期性自杀,和后来多种生物共存后,生态环境的平稳变化。

地球环境特殊的多样性,本身就是多样化星球环境的产物,在几乎无限多的宜居星球上,地球也许是唯一有高等生命的星球。如果的确是这样,对人类来说,发展智慧文明的担子更重了,因为我们实际担负的是全星系,甚至是全宇宙的责任。

从宇宙环境演化的角度来说,维持地球多样性的自然驱动越来越弱了。月球越走越远,潮汐越来越弱,地球内部放射性衰变热也越来越少,太阳正在变得更明亮,将慢慢摧毁地球脆弱的自然环境。找到新的驱动,恢复生态圈的活力,保持生命的多样性成了已经达到智慧文明的人类的责任。我们要保护地球环境,让地球古老的生态圈持续维持演化。我们要开拓宇宙空间,建设更多种类的生态圈和智慧文明,不负宇宙创生之美。

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