6，生态科学

　　20世纪整体论勃兴的另一个线索是生态科学提供的。这门兼具理论与现实意义的学科，为整个新科学开辟了概念平台和广阔的发展空间。

　　生态学天然地属于整体论，它一开始就是关于事物与其环境相互关联的理解和研究。“生态学”（ecology）一词源于希腊文oikos和logos，前者意指“住所”或“栖息地”，因此从词根上讲，生态学是关于居住环境的科学，它研究生物的聚居地或生境。1866年，德国生物学家海克尔在其《普通生物形态学》中首先使用“生态学”这个词。他把生态学理解成“研究生物在其生活过程中与环境的关系，尤指动物有机体与其他动、植物之间互惠或敌对关系”。

　　生态学是从近代科学的博物学传统中孕育出来的。1859年，达尔文《物种起源》问世，促进了生物与环境关系的研究。1895年，丹麦植物学家瓦尔明发表《以植物生态地理学为基础的植物分布学》，1909年改写为《植物生态学》。1898年，波恩大学教授希姆普出版《以生理为基础的植物地理学》。这两本书代表了19世纪生态学的最重要成就。

　　20世纪上半叶，出现了不少生态学派，但主要限于生物学内部的发展。动物生态学和植物生态学各自独立的发展。1935年，英国植物生态学家坦斯莱正式使用“生态系统”一词。与此同时，德国水生生物学家蒂内曼（,1882-1960）把生态系统分成生产者（如植物利用日光能合成糖类）、消费者（食草动物和食肉动物）、分解者（微生物）三个部分，建立了生态系统物质循环的概念。20世纪50年代以后，生态学打破了动植物的界限，并超出生物学领域。奥登在其著名教科书《生态学基础》中，把生态学定义为“自然界的构造和功能的科学”。人们进一步认识到，生态学是研究生物与其环境的相互关系的科学。

　　从60年代开始，由于人类活动大大改变了自然环境，居住环境的污染、自然资源的破坏和枯竭，对人类本身的存在构成了威胁。生态学开始成为关心和注目的聚点，进入大规模立体发展的现代生态学时期。

　　纵观20世纪生态科学的发展，从研究对象上看，层次越来越丰富，包括单种生活环境的研究、群落研究、生态系统研究、各生态系统之间相互作用研究，以及生物圈和全球生态学研究，研究对象更加宏观。从研究方法上看，系统科学被大量引入，系统方法和数学模型用于生态学，诞生了系统生态学。用计算机模拟生态系统的行为，成为常用的方法。另一方面，生态科学的应用性更强、交叉性更强，出现了像生态经济学、工程生态学、人类生态学、城市生态学这样的新兴交叉学科。

　　任何生物与其环境构成一个不可分割的整体，任何生物不能脱离环境而单独生存，这被美国学者康芒纳确定为生态学的第一定律。运用系统科学已经取得的成就，生态学家使用稳恒态、反馈、能量流等概念，来研究生态系统间的相互作用。在整体论思维的支配下，生态学重视种群，重视在群落中研究个体。

　　在整体的观念之下，循环的观念、平衡的观念、多样性的观念，是生态学中突出的三大观念。

　　构成生态系统之整体性的，首先是生态系统各子系统之间构成的循环关系。自然生态系统基本的循环，是生产者-消费者-分解者之间的循环。通过光合作用贮存太阳能的绿色植物和光合细菌是生产者，食草动物是初级消费者，肉食动物是次级消费者，大型肉食动物是三级消费者。在这些逐次为后者提供能量和营养的生命之间，形成了一个金字塔形的食物链。中国有句俗话叫“大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米，虾米吃泥巴”，形象反映了这个水生生物的食物链。所谓金字塔是指，越是处在塔基的生物数量越多，植物最多，初级食草动物次之，食肉动物再次，大型食肉动物最小。比如昆虫吃植物，鸟类吃昆虫，狐狸吃鸟类，狮、虎吃狐狸，狮虎是最少的，因此才有“一山不容二虎”的说法。以海洋食物链为例，一条鲸鱼一顿要吃一吨约5千条鲱鱼，一条鲱鱼饱食一顿需要近10个小甲壳动物，一个甲壳动物一顿要吃约13万片硅藻。

　　如果只是一味的单向生产和消费，那么一个有限的地球就会很快被消耗掉。地球上将会到处是动物和植物的尸体。新生的动植物既没有生存物质，也没有生存空间了。所幸的是，地球生态系统中还有极为重要的一个环节，那就是分解者——微生物。微生物直到19世纪才被法国生物学家巴斯德发现并确立起来，从而将地球生命系统由原来的植物-动物两界说扩展成植物-动物-微生物三界说。微生物专事分解动植物的尸体，将之转化成为植物生产所需的新养料。有了微生物这个分解者，地球生命系统的循环就建立起来了。在一个池塘里，浮游植物是鱼的营养源，鱼死后，水里的微生物把鱼的尸体分解为基本的化合物。这些化合物又是浮游动植物的营养源。

　　通过食物链，大大小小的生态系统各以其特有的方式紧密的联系在一起。达尔文在他的《物种起源》曾经提到三叶草与蜜蜂共生的故事。英国盛产三叶草，它是牛的主要饲料。英国也盛产野蜂，而且正是因为盛产野蜂才盛产三叶草的，因为野蜂有很长的舌头，能够有效地替三叶草深红色的花朵传授花粉。但是，田鼠喜欢吃野蜂的蜜和幼虫，从而影响三叶草的授粉。但猫吃田鼠，有猫的地方，田鼠少三叶草就长得茂盛，养牛业就发达。猫少的地方，田鼠多，三叶草少，牛饲料就少，养牛业发达不起来。后来有人将这个故事进一步演绎下去说，英国海军的主要食品是牛肉罐头，所以英国之所以雄霸海上，大功臣应该是猫。生物学家赫胥黎听了这个故事之后，又补充说，英国的猫主要都是由老小姐喂养的，因此英国有如此强大的海军，功劳在英国的老小姐们身上。

　　像猫与三叶草这样的故事在地球生命系统中普遍存在，因此一种生物的减少或灭绝将会引起一连串意想不到的神奇的联锁反应。美国西部落基山脉以东，曾经是辽阔的大草原。印第安民歌这样唱道：“高高的落基山，无边的大草原/莽莽苍苍的绿色原野/曾是我们祖先的家园。”但如今，这里已是一片沙漠。是早期的欧洲移民导致了这一切。他们为了自己的经济利益，大办畜牧业，改造大草原；他们大量枪杀野牛和羚羊，因为它们与家养的牛羊争夺水草；他们大量枪杀狼，因为它们吃家养的牛羊；他们还在草原上放毒药，大量捕杀草原犬鼠，因为它们的洞穴使牛足深陷其中，伤害牛腿。没有多长时间，草原上野牛、羚羊消失了，狼和鼠灭绝了。但是不久，那些误食了有毒犬鼠尸体的鹰隼和其他动物纷纷死去。再过些时，那些过去被鹰隼捕食的小型啮齿动物大批繁殖起来，对草原进行大肆破坏。加上牛羊越来越多，过度放牧，草原上的草越来越少，最后连草根也被吃光了。植被破坏后，经风力的侵蚀，大草原逐渐被沙化，成了荒凉的大沙漠。

生物之间的食物链关系、金字塔结构和循环体系处在一种动态的平衡之中。如果这种平衡被打破，则整个生态系统都会受到损害。正所谓“一损俱损，一荣俱荣”。20世纪初年，美国老罗斯福总统为了保护亚利桑那州北部森林中的鹿，大肆捕杀狼。结果，鹿过量的繁殖，小草和树木都被吃光了，绿色植被急剧减少。植被一减少，鹿又大量的死亡，结果森林和鹿都没有保住。本来狼吃掉一些鹿，可以控制鹿的种群数量，而且吃掉的都是一些病鹿，反而有效地控制了疫病对鹿群的威胁。老罗斯福总统为了保护鹿，却毁了整体森林生态系统。这真是人算不如天算。

　　由于生命系统复杂而微妙的相互关联，任何一个环节的缺损都会招致意想不到的生态后果，因此，生态学上强调保护生物物种的多样性，强调多样性导致稳定性。正如“生物与其环境构成不可分割的整体”被称为生态学第一定律，“多样性导致稳定性”也被称为生态学第二定律。生物多样性的丧失，直接威胁着生态系统的稳定。在非洲岛国毛里求斯曾经有两种特种生物，一个是渡渡鸟，一个是大颅榄树。渡渡鸟身体大，行动迟缓，不过岛上没有天敌，它们过得很好。16、17世纪的欧洲人来到毛里求斯，带着猎枪和猎犬，不会飞又不会跑的渡渡岛大难临头了。1681年，最后一只渡渡鸟被杀死了。令人奇怪的是，渡渡鸟灭绝后，大颅榄树也日益稀少。到了20世纪80年代，毛里求斯只剩下了13棵这种珍贵的树种。生态学家们为了保护这个物种想了多种办法。一开始，大家都猜测是毛里求斯的土壤出了问题，决定在土壤改造方面下功夫。但想了许多办法，情况并没有改观。直到1981年，美国生态学家坦普尔发现，幸存的大颅树的年轮是300年，而这一年也正好是渡渡鸟灭绝300周年。他意识到，原来渡渡鸟的灭绝之日正是大颅榄树绝育之时。坦普尔经进一步的考察发现，渡渡鸟喜欢吃这种树木的果实，果实经渡渡鸟消化后，外壳没了，但种子排了出来。排出的种子正好可以发芽生根了。原来，渡渡鸟与大颅榄树相依为命。大颅榄树为渡渡鸟提供食粮，渡渡鸟则帮助大颅榄树繁殖后代。

　　地球生态系统中诸多生物，有的共生，有的寄生，有的相互竞争，有的构成捕食关系。上述渡渡鸟与大颅榄树属于共生关系。白蚁与其体内的鞭毛虫，人与其肠道中的细菌，也是共生关系。一个人如果服用过量抗生素，大量杀死肠道内的细菌，则人体可能会患维生素缺乏症等其他疾病。构成共生关系的物种自然是唇齿相依，缺一不可。就是寄生关系，寄生物尽管明摆着侵害寄主的利益，但也不会过分损害寄主的健康，因为寄主的健康是寄生物自身生存的基本前提。生存竞争使得物种之间保持进化的动力和活力，食物链则控制各个种群数量的稳定性和生态平衡。

　　生态科学所揭示的生态系统的整体论特征由如下事实得到确证：对生态系统的破坏通常是由那些反整体论的思维方式做出的。康芒纳这样写道：

　　“环境的恶化很大程度上是由新的工业和农业生产技术的介入引起的，这些技术在逻辑上是错误的，因为它们被用于解决单一的彼此隔离的问题，没有考虑到那些必然的‘副作用’。这种副作用的出现，是因为在自然中，没有一个部分是孤立于整体的生态网络之外的。反之，技术上的支离分散的设计是它的科学根据的反映。因为科学分为各个学科，这些学科在很大程度上是由这样一种概念所支配着，即认为复杂的系统只在它们首先被分解成彼此分割的部分时才能被了解。还原论者的偏见也趋于阻碍基础科学去考虑实际生活中的问题，诸如环境恶化之类的问题。”

　　直面环境日益恶化和生态危机之现实的生态科学，是新科学的曙光。它以活生生的例证，向人们展示整体论被忽视的恶果，呼唤整体论科学的全面复兴。可以期望的是，在量子力学这样的古典数理科学，以及在系统科学这样新兴的亚微观和宏观层次的数理科学中，会有整合了既有成就的新的统一理论出现。它们将与生态科学联手，弭平近代科学革命以来物理科学与生命科学的鸿沟、自然科学与人文科学的鸿沟、人与自然的鸿沟。

文章来源: 《科学的历程》第45章，北京大学出版社2002年版

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