生态系统能量本体论，本文主要内容关键词为：本体论论文,生态系统论文,能量论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：N941；B02 文献标识码：A 文章编号：1005—6408(2007)01—0044—04
生态系统是由生物群落和非生物环境组成的一个典型的复杂系统。系统与环境之间的相互作用、相互联系，系统内部各要素（物种）间的竞争、寄生、共生等复杂关系形成了生态系统结构和功能的多样性、自组织性和高度有序性。物质流、能量流和信息流自始至终贯穿生态系统的形成、发展和演替过程。生态复杂性是复杂性研究的主要内容之一，而生态系统的稳定性、多样性和复杂性程度又与系统能量密切相关。因此，加强生态系统能量结构和能量功能以及它们与物质、信息之间相互关系的研究，也许是复杂性研究的一个有效突破口。而从本体论的角度探寻生态系统及其能量耗散的本质将有助于从哲学层面更好地把握生物复杂性。
1 生态系统能量本体的可能
生态系统中能量主要有两种存在的状态：动能和势能。动能（kinetic energy）是正在做功的能量，是通过热和辐射在生物与其环境之间相互传递的能量。势能又称潜能（potential energy），是蕴藏在有机分子内，处于静态的能量，它有着一种做功的能力及其可能性。也就是说，生态系统中能量是以能流和能贮的形式存在的，而生态系统结构和功能的变化则是能量做功的结果。按照普利高津的耗散结构理论，生态系统必须对外开放，与环境进行物质和能量的交换才能维持自身的有序稳定状态，否则就有“热寂”的危险。因此，生态系统仅有物质是不够的，还必须有能量及其流动，或者说，能量的耗散。能量耗散是所有生态系统生存和演化的必要条件，因此，是否可以说，能量在生态系统中有着本体论的决定性意义？所谓本体论，简单地说，就是关于“存在”的科学，或者说是“存在之作为存在的科学”，它研究何物存在以及以何种方式存在等问题。哲学的“本体”观念是一种对终极性的存在的渴求或关怀，是一种追本溯源式的意向性追求，是一种理论思维的无穷指向。本体论有三重基本内涵：追寻作为世界统一性的终极存在；寻求作为知识统一性的终极解释；探索作为意义统一性的终极价值[1]。有的学者认为，在一定的语言或概念系统中，有两类本体论问题。一类是哲学本体论问题，它问及物质、属性、类、数或命题存在吗？另一类是科学本体论问题，它问及原子、分子、素数、能量存在吗？[2] 很显然，如果可以的话，生态系统本原的探索当属于科学本体论问题。长期以来，对于“世界统一性”的终极存在主要有两种观点：实体实在（本体）论与关系实在（本体）论。前者认为物质实体才能担当终极存在的角色，从古希腊的“原子论”、笛卡尔的“广延实体”论到唯物主义的“物质”观等；后者认为事件的过程和关系是终极存在，例如系统哲学家拉兹洛的“场”说、怀特海的“过程”说、海森伯的“能量”说、玻尔的“实在由关系定义”以及中国社会科学院哲学所罗嘉昌教授的“关系实在”说等。20世纪下半叶以来，科学和哲学的进展越来越表明关系实在论的可能性，EPR实验和爱因斯坦定域性破坏就是典型的例子。“简单地说，关系实在论，是主张关系即实在，实在即关系，关系先于关系者，关系者和关系可随透视方式而相互转化的一种哲学观点和理论。”[3] 关系实在论认为，事物及其本质是由特定的关系来定义的，关系的改变，在一定的条件下对应于对象及其本质的改变。事实也确实如此，生态系统（耗散结构）概念的建构根本就离不开能量，能量关系的改变也将导致生态系统本质的变化。建构生态系统的能量本体论，就是要从本体论的角度把握生态系统，寻求生态系统的终极解释——能量解释。生态系统演化的最终目标也是系统的终极价值目标，是与环境相适应的物质（生物量）最大化的同时，也实现了系统蕴涵能量的最大化。
2 生态系统能量本体的内涵
按照本体论的基本内涵，生态系统能量本体论认为：能量就是生态系统世界统一性的终极存在；能量可以解释生态系统的一切过程与关系，是知识统一性的终极解释；系统演化生物量最大的状态就是意义统一性的终极状态，是生态系统的终极价值目标。
2.1 能量可以成为生态系统的“终极存在”
根据爱因斯坦的相对论理论，所有不同的基本粒子并不能还原为少数几种“最基本的粒子”，而只能还原为某种可以称作能量的普遍实体。因此，质量和能量本质上是同一个概念。海森伯（W.Heisenberg）认为，能量实际上是构成所有基本粒子，所有原子，从而也是万物的实体。能量是一种实体，因为它的总量是不变的，并且在许多产生基本粒子的试验中可以看到，基本粒子能够实际上用这种实体制成。能量能够转变为运动、热、光和张力。能量可以称为世界上一切变化的基本原因。[4] 既然万事万物都是由基本粒子构成的，而能量又构成了所有的基本粒子，是有独立意义的，根据能量守恒定律，宇宙能量的总量是不变的，那么能量实体当然可以充当“世界统一性”的“终极存在”的角色，自然也成了生态系统的“终极存在”。抛开具体的物质形态，这个“能量实体”就是生态系统所有现象在本体论层次上的载体，也是科学研究探索的基本实体单元。当然，这个“能量实体”只是“关系实体”，作为生态系统一种关系和过程的解释，是有着某种“规定性”的存在，更是“关系的存在”。具体的能量虽然看不到，但它服从热力学第一、二定律，可以看到它耗散和做功的结果。
2.2 生态系统演化过程就是能量耗散和熵状态变化导致更加有序的过程
从认识论意义上来说，生态系统本身就是一个过程，它的性质和关系都依附在“能量实体”上，并且在系统的演化过程中表现出来。因此，生态系统的生存和演化本质上不完全是力学或物质的问题，归根结底就是能量问题。没有能量，任何原初的系统不可能生成，也不可能演化发展。生态系统生存根基的太阳能获取、动植物的生理活动，就是能量的贮存和降解。生态系统内层次不同，能量蕴含也不同。没有能量以及它的运动与转化，就没有生命。它是生态系统存在和发展的驱动力。可以说，生态系统的进化与演替就是系统利用能量结构组织，功能进化完成物质流和信息流的自组织过程。
热力学第二定律告诉我们，孤立系统的一切自发过程都是不可逆的，总是自发由非平衡态向平衡态趋近，总是向着熵最大的方向进行，到达平衡态时，这个过程才停止。照此推断，整个宇宙的离散度不断增加，总有一天所有的机械运动都转化为热运动，最后甚至连热运动、热传播都消失了，最终宇宙达到热平衡，所有的生命系统终将崩溃，所有的高度有序结构也将土崩瓦解，腐烂分化。在这个不可逆的过程中，能量的总值虽然保持不变，但其可资利用的程度总是随着熵的增加而降低，就数量而言，能量保持不变，而就其品质而言，价值贬低了。也就是说，熵增的后果是使一部分的能量从能做功的形式变为不能做功的形式。事实也确实如此，“死亡就是生命体进入了一种不再受外部流入能量支持的状态。它的所有系统因而崩溃。”[5]
但是，宇宙形成的历史表明，许多组织系统，尤其是生命系统，演化的总趋势是由简单到复杂、由低级到高级、由无序到有序发展的，这岂不是对热力学第二定律的否定。为了调和这一矛盾，薛定谔提出了著名的“负熵”说。他认为一个生命有机体在不断地增加它的熵，并趋于接近最大值的熵的危险状态，那就是死亡。要摆脱死亡，唯一的办法就是从环境里不断地汲取负熵。[6]
普利高津继续发展了薛定谔的理论，提出了耗散结构理论。认为非平衡系统通过对外开放不断地从周围环境吸取负熵，抵抗不断增加的熵，使得在不违背热力学第二定律的条件下，通过负熵流来减少总熵，达到一种新的稳定的有序状态。这种系统不是孤立系统，而是远离平衡的开放系统，必须始终受到大量能量的支持。对生命体来说，不断地从环境中取得以食物形式存在的低熵状态的物质和能量，把它们转化为高熵状态并作为废物排出体外，从而保持自身的熵处于比环境更低的水平，维持着自身的有序状态。用生物学语言描述就是通过生化反应降解葡萄糖和蛋白质的合成来完成的。
“在蛋白质的生物合成过程中，生物体使用了以下策略来避免混沌的发生：即通过能量的消耗来使混沌转变为有序。更确切地说，ATP的消耗使这个系统对分子的识别率提高了10000倍。”[7] 这个能量的消耗过程就是熵的状态发生变化的过程。从宏观来说，生态系统则是通过生物多样性的层次结构和食物链来完成的。“生物多样性的状态是能流贮存和流动的标志之一，反过来，多样性指数可以用作能流处于平衡时系统状态指标。生态系统能量驱动的结果会发展多样性并降低多样性所带来的那些副作用……。生态位的分化使单位水平空间面积容纳更高的生物多样性，垂直空间上的复杂化、更多的生物量和能量却能避免竞争使其结构上合理，这是生命的自控单元的一个性质。更高的多样性若无组织，那么，不同类型的单元便会相互排斥，而使群落变得简单。”[8] 能量进入食物链是不可逆的单向流动，是把较多的低质量能转化为另一种较少的高质量能，即每一级的能量贮量不断地减少，形成能量金字塔现象。
从热力学的角度来看，生态系统是高度有序的耗散结构系统，只要不断输入能量，产生熵变化，就可能使混沌无序变成有序。但这种高度有序是极不稳定的，总是处于一种远离平衡的状态。它从无序的海洋中吸取有序，并将有序集中于自身，确保生命的存在和延续。正是熵流，在远离平衡的条件下，产生有序和组织，进而是生命。
2.3 顶极群落是生态系统演化的终极价值目标
从价值论意义上来说，任何生态系统都有它的终极价值。大自然的一切都是合乎目的的，自然的内在机制实现着自身的目的。“系统的目的就是系统的内在价值所在，有利于达到系统目的的条件、事物与行为就成为该系统的手段或工具价值。”[9] 生态系统作为一个远离平衡的自组织系统，不管其初始条件如何，期间受到怎样的破坏，系统总是“自觉地”趋向一个自身最高的目的——顶极群落演化。而顶极群落就是环境所允许的生物量最大、营养级最丰富，负熵最大值、总熵最小值的状态，也是功能和结构最复杂的状态。这个状态就是系统演化的终极价值目标。生物量越高，也就意味着系统贮存越多的能量，可以开辟更多的能流通道或强化抵抗逆境的能力，从而提高生态系统的稳定性。“群落中较多的能量贮存和较强的能流会导致较复杂的空间结构。在生态系统水平上，随着供给能量的增加，便会形成很不均匀的更为复杂的消费者等级，形成更为复杂的网状食物网。”[10]
在生态系统中，绿色植物是能量的原初捕获者，通过光合作用把太阳能转化为化学能，然后，通过食物链实现能量的一级一级的传递，从而完成生态系统的能量循环。根据Lindeman的“十分之一定律”，食物链可以构成复杂的食物网，但是食物链的长度不是无限制的，它的营养级一般不超过5级。因为能量在通过每一营养级时，由于呼吸作用高一级生物不能全部利用低一级生物贮藏的能量（有机物），将逐级递减90％，到第五营养级时，就难以支持更高营养级的能量需要了。一个生态系统的能量营养级最高就是五级。因此，能量成为了生态学家和哲学家评判系统优劣和复杂性程度的价值标准。根据负熵是系统有序度的量度的含义，可以推知，系统结构越简单，功能越不完善，就拥有较高的总熵值，较低的负熵（熵绝对值小）；反之，如果系统结构和功能越复杂越完善，则有较低的总熵值，较高的负熵（熵绝对值大）。因此，系统越复杂，负熵就越大，总熵值就越小。同样，根据热力学第二定律的另一本质内涵：熵增的后果是使一部分的能量从能做功的形式变为不能做功的形式。“我们也可以将此思想进一步深化，引入有序能量与无序能量的概念，从而有：热力学第二定律表明了能量转化的方向，实际上反映了能量的有序和无序的差别。所谓有序能量和无序能量，其定义正是基于自然界的能量转化方向的规律性：有序能量可以全部无条件地转化为无序能量，而无序能量全部无条件地转化为有序能量是不可能的或有条件的。”因此，一个系统所含负熵越多，与熵增正相反，那它所含的有序能量就应越多，无序能量就应越少。如果它是一个开放系统，那所含的能量总值也会越多。也可以说，一个生物系统的发育或进化过程伴随着结构和功能的复杂化、有序化程度的提高，它的总熵值越来越小，负熵值（绝对值）越来越大，有序能量也越来越多，无序能量越来越少，所含能量总值越高。
生态系统中哪些生命能够生存、繁衍并不可逆进化、朝哪个方向进化，其实也蕴涵了系统和环境的价值判断，这个过程被忠实地记录在生命体的染色体上。如前所述，生命过程中熵是减少的，遗传上更是如此：在遗传编码复制蛋白质分子解读遗传信息的时候，熵大大地减少了。这样熵和信息就必然发生了联系。布里渊、香农等把熵和信息的关系定义为：
信息＝熵S的减少＝负熵N的增加
也就是说，信息可以转换为负熵，反之亦然。当然，处理DNA所代表的遗传信息过程中，生命系统消耗了能量，能量消耗的过程就是熵减少的过程。信息处理所消耗能量的下限，是由热力学第二定律所规定，否则将导致第二类永动机的问世。[12] 所以，系统演化方向既可以从能量的角度，也可以从信息的角度加以判断。信息与物质、能量的最大差别就是它在使用过程中不但不会减少，而且还可复制。它既有量的差别，又有质的不同。一般来说，系统越复杂，所蕴涵的信息量越大、质越高，内容越丰富，价值就越高。
目前，国内外生物复杂性的研究，更多的是从生物学的角度进行，而哲学层面尤其是本体论的审视几乎就很少。能量是衡量复杂系统特征的一个重要指标，是抛开所有具体物质组成、结构特征和连接形式不同的系统所必须具备的“无差别”的通用“货币”，在研究系统复杂性方面具有无可比拟的优势。而能量的这些特征，为哲学研究提供了形而上的本体“质料”，也为研究生态系统复杂性提供了评判的工具和手段。也就是说能量架起了哲学和生态系统复杂性研究沟通的桥梁。
收稿日期：2006—01—08