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論系統科學思想對生態學形成與發展的影響
論系統科學思想對生態學形成與發展的影響
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  (暨南大學水生生物研究所,廣州 510632 韓博平)
  (中國科學院系統生態開放實驗室,北京 100080 王如松)
  摘要 本文在回顧生態學發展的同時,追溯了系統科學的發展道路,認為生態學與系統科學的形成都與達爾文進化論有著最直接的淵源關系,都是19世紀科學轉向的結果。生態學強調對生物與環境之間關系的研究注定了它與系統科學之間存在深刻的內在聯系。具有方法論性質的系統科學對生態學發展的影響是巨大的,現代生態學是充滿系統科學思想與方法的一門學科。
  關鍵詞  系統科學,生態學,影響
  *             *            *
  生態學一詞是由海克爾1869 年定義的, 但作為一門科學則形成于19世紀末至20世紀初的20年里,經過20世紀50年代后期在世界范圍內開始的環境保護運動,成為一門具有廣泛社會影響力的科學,它有望為解決人類與自然界之間關系提供科學理論和方法。生態學是關于生物與環境之間關系的科學。1935年坦斯萊(A.G.Tansley)提出生態系統概念,成為系統生態學的開端,它把生物與環境之間的關系放在具體的生態系統中進行考察和研究。系統科學開始于貝塔朗菲,他從本世紀20年代初注意到在生物科學中流行的機械論忽視并加以否定的正是生命現象中最基本的東西:生命機體是一個有機的整體。他用機體論生物學批判并取代了機械論和活力論生物學,建立了有機體系統,最后拓展成具有普遍意義和世界觀意義的一般系統論。系統科學是19世紀科學思維方式轉變的產物,它撇開系統的具體形態、特定的結構和功能,研究一般系統的類型、性質以及運動規律,具有強烈的方法論性質,并且在40年代至70年代有了長足的發展。生態學和系統科學同時誕生于20世紀初,系統科學不是貝塔朗菲頭腦中天生出來的,生態學也不是海克爾大腦突發奇想的產物,它們都是19世紀自然科學體系變革的結果。探討這兩個學科之間內在的聯系和影響,對于認識和發展生態學與系統科學都有著重要的價值。
      1 生態學的前身與系統科學思想
  生態學誕生至今只有100年左右的歷史, 而生態學思想卻是源遠流長的。生態學前身就是指生態學作為一門獨立的科學之前的人類有關生物與環境關系的思想和實踐。人類早期樸素的生態學思想來源于古代人類的無意識生態實踐,逐步形成了對包括人在內的動植物與環境相互依賴的原初認識,也導致了樸素整體觀的形成。這種整體觀又強化了人們早期的生態學意識。因此,人類早期對自然的認識具有的樸素整體觀,同時也包含簡單的生態學思想。古希臘的未都利學派把宇宙看著一個自我循環的自然總體,處于從水、土、空氣經過動植物后復歸到水、土、空氣的循環變化之中。這種思想是當今關于全球生態學的Gaia(大地女神)理論的最原始模型。陰陽五行學說是我國古代解釋宇宙結構、起源及人與自然關系的重要學說。陰陽學說是研究自然界相互關聯的事物和現象之間的關系及其規律的學說,通過陰陽雙方相互轉化和制約來揭示生命體、自然界以及人類社會的一切矛盾運動。五行學說是用自然界的木、火、土、金、水五種元素將整體世界分為五個系統,它們相互滋生、相互制約。我國樸素的整體觀是建立在陰陽五行學說對人與自然、人與社會以及人體內部關系認識的基礎上,它指出人是靠天地之氣滋生,按四季生長規律而生長壯老,并同自然界進行物質、能量交換。這些對自然整體的認識包含著樸素的生態學思想。我國是古代農業發達的國家,《管子·地員》、《詩經·七月》等中都有對農作物與種子、地形、土壤、水份、肥料、季節諸因素關系認識的記載。它們與現在的農業生態學的觀點極為相似,也體現了我國古代人民對農事管理的一種整體觀。我國古代中醫理論把人體與自然環境看成一體,認為身體的病變都是由于人的機體與環境關系失調所產生的。這與現代個體生態學關于個體生理和行為的解釋在思想上是一致的。所有這些含有生態學思想的人類對自然的早期認識,一方面來源于無意識的生態實踐,同時也是樸素整體觀在認識自然界中生命過程與自然環境關系時的一種體現。
  15世紀開始,自然科學的誕生和發展影響了人們關于自然的認識,還原和解析成為科學研究的主要模式。樸素的整體觀讓位于機械論和還原論。博物學家林奈(C.Linnaeus)關于生物分類的《自然系統》則是生態學前身中機械決定論的代表。而有關物種的變種問題的爭論為后來科學轉變埋下了種子。馬耶(B.Maillet )把宇宙的進化和生物的進化聯系在一個無所不包的宇宙論中,他把海洋作為生命的發源地,陸塊的進退促進了動植物的適應與發展。布豐(C.Buffon)對變種及物種可變的論據為拉馬克(C.Larmark)提出物種變化的觀點作了準備。 地質學家赫頓(J.Hutton)提出地球循環論,通過地質過程來解釋地球的歷史。物種可變和地球起源論導致了博物學在18世紀中葉的思想轉變。這種變化同時也影響了當時自然科學的其它領域。達爾文進化論則是這種轉變的產物,有機體生物進化論成為自然科學變革和發展的直接推動力。這種變化的本質就是整體觀的復歸。洪堡德(A.Humboldt)在植物分區的研究上,不僅是對植物數目和目錄的列表,同時注重在不同緯度和垂直分布上討論它與地球環境的關系,并認為植物分區是土地和氣候的直接產物;把植被區系看成一個整體,是植被與環境相互作用的結果。由此可見,博物學中整體觀的復歸,引導了人們重新開始注重對生物與環境關系的認識。
  達爾文認為物種進化是物種在與環境的相互作用中實現的,從而將環境引入到生物適應和發展的主題中。海克爾受達爾文觀點的影響,把關于生物與環境之間關系的研究稱為生態學。這導致從博物學名下的傳統植物學、植物地理學、植物生理學發展出植物生態學,從動物學發展出動物生態學,海洋學發展出海洋生態學,湖沼學發展出湖沼生態學,它們是統一生態學的四個主要分支。達爾文進化論為生物有機論提供了科學的理論基礎。辯證系統思想的確立同達爾文的進化論有著最直接的聯系。進化論認為生物是一個可變系統,在外界條件的影響和選擇下,相應地改變自身的內部結構。達爾文的這種有機進化思想有力地沖擊了機械決定論,是辯證整體觀的先聲。在整個自然科學體系發展的基礎上,黑格爾第一次把整個自然的、歷史的、精神的世界描繪成一個過程。這是自然科學中系統思想在哲學上的一種反映和概括。19世紀中葉,馬克思和恩格斯多次明確地強調系統概念和系統思想,從辯證唯物主義的高度總結了系統思想。達爾文的進化論是18世紀末博物學在思想上向整體復歸的產物。它的誕生直接導致了生態學和系統科學的形成。受系統思想強烈影響的生態學作為一門獨立的科學在體系上與系統科學分離,是具體學科與一般方法論學科的分離。莫比斯(K.Mobius)的生物群落、福拜斯(S.A.Forbes)的湖沼宇宙論以及克萊門茨(F.E.Clements)的群落超級有機體,都是系統思想在早期生態學中的反映,這些思想對后來生態學的影響是深遠的。
      2 生態學的形成、發展與系統科學
  19世紀末到20世紀初的20年里,生態學從博物學中發展出來成為一門相對獨立的科學,并擁有了自己獨立的科學團體和出版物。種群和群落是早期生態學用以把握生物群體整體性的兩個基本概念。種群產生于馬爾薩斯的人口理論和達爾文的進化論,而群落產生于人文科學中的社區概念,被莫比斯用來指一定區域上有機結合的生物群體。福拜斯把湖沼當著一個小宇宙,來說明生物群體與環境之間的相互關系。賽伯(A.Semper)則天才地認為群落有機體依賴于食物間數量關系。 克萊門茨把一定區域上的植物被當成一個有機體,一種超級有機體,來研究植被整體的動態,并認為植被動態是植物與生境相互作用的結果。謝爾福特(V.E.Shelford)和埃爾頓(C.Elton )是動物種群和群落研究的兩個先鋒,他們認為營養關系是動物群落整體性的根本原因。從早期生態學的四個主要分支可以看出,對種群和群落整體動態的研究是它們的中心問題,在思想上是系統思想的一種繼續。
  19世紀末以來,自然科學、社會科學的發展推動了系統思想由定性的哲學概念發展為具有定量化手段的、有廣泛意義的系統科學。從本世紀20年代開始,貝塔朗菲在總結和概括生物學有機論的基礎上,闡述了系統科學的一般原則,標志著系統科學的誕生。一般系統論的產生,對于整個自然科學在思想上變革的意義是廣泛而深遠的。坦斯萊在討論植物群落演替的“超級有機體”概念時引入生態系統,把生態系統定義為生物群落及與其相互作用的環境的總體,并把它看成地球表面上的一個基本單位。生態系統概念很快傳播開來并被廣泛接受,這有三個原因,一是剛誕生的生態學是建立在博物學分門別類和零散的研究基礎上,促使不同方向的生態學家走到一起;二是已有很多包含生態系統內涵的相似但不完整的概念;三是系統思想的內在影響。生態系統概念的提出與接受標志著現代生態學的開始。40年代,林德曼(R.Lindeman)的營養動力學研究是生態系統研究的最早成果,成為生態系統研究的典范。它強調營養功能的定量關系是生態系統整體性存在的根本原因。由于這一時期,系統科學還是處于定量化發展的早期,林德曼對生態系統整體性的研究方法仍是以還原方法為主要工具。
  19世紀自然然科學向整體觀的復歸,主要是破除了自然界絕對不變的見解。然而19世紀末到20世紀初的科學仍然是經典科學發展的繼續,自然科學的綜合主要限于科學內部的統一,對關系的處理和認識還沒有擺脫機械決定論的影響。系統科學在一般系統論確立之后,人們開始探索系統理論的定量化方法。由于二次世界大戰實際需要的推動,信息論、控制論在1948年誕生,而以運籌學和系統分析為核心的系統工程學在50年代末期走向成熟。這些系統科學的定量化方法很快被應用于生態學研究。1962年奧爾森(J.Olson )首先在計算機上利用微分方程來模擬生態系統的過程和行為,代表了系統生態學研究方法上的轉折。1964年開始的國際生物學計算(IBP),其核心是生態系統分析。 這一計劃的實施集中了不同學科的科學家,對不同類型生態系統進行了長達十年之久的研究。生態系統分析成為系統生態學的一個核心,是系統科學方法應用于生態學的結果。系統科學作為一門科學,在其它自然科學發展的推動下,經過40年的發展,迅速完成自身體系的建立,并廣泛應用于其它學科。而生態學這門帶有強烈整體論色彩的一門科學,由于早期生態學科學團體的成員是來自博物學與其它科學領域,具有廣闊的科學背景。它們自覺地把系統科學的新成就作為自身發展的基礎。因此,生態學的形成和發展是在系統科學興起和發展的背景下進行的。由于研究對象和方法的需要,生態學與其它學科相比,受系統科學的影響更為直接和深刻。
      3 生態學的最新進展與系統科學
  1975年后,總結國際生物學計劃時,人們肯定了它對生態系統概念的推廣和應用的作用,但對生態系統分析的方法以及所獲得的結論對于解釋生態系統特征的貢獻時分歧很大。很多生態學家以及其它學科的學者認為,生態系統分析并未能夠太多地揭示生態系統的本質現象與規律。人們回顧這段時期研究中存在的問題時,認為這主要由于系統科學方法與生態學問題之間缺乏有機的結合。生態學家缺乏系統科學研究方法的良好訓練,采用“拿來主義”辦法應用系統科學方法,使得系統分析在生態系統的研究上流于形式。這種批評性的意見和看法促使生態學家進行反思。在過去20年里,現代生態學逐步發展出關于生態系統研究的兩個重要理論:食物網理論和生態網絡分析理論。食物網理論認為生態系統的整體性主要由生物間食物關系來實現的,通過對大量真實生態系統中食物網的統計,可以發現存在于食物網中的結構特征和規律。食物網理論的思想主要是受結構主義思潮的影響。生態網絡分析理論強調定量地表達生態系統內部的相互作用來探索生態系統的整體性和復雜性形成的機制,它是現代生態學中定量研究生態系統結構、功能的一個主要方法。生態網絡是指生態系統內部相互作用的結構形式。生態網絡分析理論在思想和研究方法上都擺脫了機械決定論的影響。系統的存在是由于聯系的普遍性,這種聯系在生態系統中表現為生物與生物之間、生物與環境之間的物質和能量的交換。生態系統內部的相互作用就是通過物質、能量交換來實現的。網絡是生態系統內部結構的普遍形式。從網絡著手,能夠把握生態系統結構和功能的整體本質。生態網絡分析理論在說明生態系統整體性時,將生態系統內部的相互作用分為三類,即不同組分的自作用以及不同組分間的直接、間接相互作用。自作用是生態系統存在的基本前提,而直接、間接相互作用則是實現生態系統整體性的關鍵。直接相互作用是間接相互作用的基礎,整體性程度對間接相互作用的依賴是十分明顯的,生態系統的整體功能是由組分行為通過相互作用的耦合來實現的。生態系統結構和過程的復雜性與整體性是相互依賴的,復雜性產生于生態系統內部作用形式和過程的多樣性。生態網絡的靈敏度分析表明,生態系統作為一個整體對干擾的反應主要通過相互作用的結構來協調組分的行為并對外界干擾進行協同反應。生態網絡分析理論是系統科學思想和方法與生態學有機結合的產物,同時它對相互聯系和相互作用的研究方法,對于豐富和發展系統科學也是十分重要的。
      4 結束語
  人類在早期關于自然的認識和實踐中形成了樸素的整體觀,這種整體觀在有生命活動的實踐中表現為樸素的生態學思想。樸素的生態實踐和認識是整體觀的一個來源,也同時是整體觀影響的產物。生態學和系統科學的形成與發展與達爾文有機體進化論有著最直接的聯系,都是19世紀自然科學體系變革的結果。系統科學成為一門科學后,基于自然科學發展的基礎上,成長極為迅速,是一門具有方法論性質的橫端學科。生態學是研究生物與環境關系的科學,對關于的強調決定了系統科學必然會對生態學的發展發生影響,注定了生態學的研究充滿系統思想。現代生態學的核心是對生態系統結構與功能的研究,過去20年里發展起來的生態網絡分析理論是系統科學關于關系集合的思想與生態學直接結合的產物。它強調通過對相互作用方式和強度的定量化研究,來探索生態系統的整體性和復雜性。現代生態學獲益于系統科學,其理論和方法也將有助于豐富和發展系統科學。
      參考文獻
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  11 韓博平.關于生態網絡分析理論的哲學思考.自然辯證法研究,1995,11(7):42—45
        THE INFLUENCE OF SYSTEM SCIENCE
     ON THE ORIGIN AND DEVELOPMENT OF ECOLOGY
              Han Boping
   (Institute of Hydrobiology,Jinan University, Guangzhou510632)
              Wang Rusong
    (Department of System Ecology, Chinese Academy ofScience,Beijing 100080)Abstract The retrospective exploring of the history  ofecology and system science shows that their origins have adirect and  inseparable  connection  with  the  Darwin'sevolutionary theory which is also a product of scienceevolution occurring in the 19th century. Emphsizing  theunderstanding  of  interactions  between  organisms  andenvironment determines that ecology has a rebust link withsystem science.The great impact resulting from system sciencewith methodological properties brings makes modern ecology befilled with system ideas.Key words ecology,system science,influence.
  〔作者簡介〕韓博平,1965年生,理學博士,博士后,中國科學院生態學開放實驗室客座副研究員。現工作于暨南大學水生生物研究所。
   王如松,1947年生,理學博士,教授,博士生導師。現任中科院系統生態學開放實驗室主任。
                        責任編輯 陳敦和
  (收稿日期:1995-09-18)*
  
  
  
大自然探索6成都102-106B2科學技術哲學韓博平/王如松19961996 作者:大自然探索6成都102-106B2科學技術哲學韓博平/王如松19961996
2013-09-10 21:21

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