自19世纪生态学开始创建以来,生态学的理论研究取得了极为宏大的进步,但却一直未能构建起稳定的基础研究范式(这在以下的文献论述中得到了充分展示)。笔者试图基于科学存在原型结构(Proto type Structure of ScientificBeing,PSSB)(见图1)讨论生态学理论研究所应持有的范式框架,为网络生态的理论构建开辟研究通道。
一、地球生物发展轨迹
地球是人类及地球生物的家园和归宿,因此,地球的起源和发展历程一直是科学界关注的科学问题。人类对于地球生物的关注,既在于了解自地球诞生以来,地球生物的形式、种类、生存方式和行为规律;也在于了解自地球诞生以来,地球生物的生存条件、生存环境和生存年代;还在于了解自地球诞生以来,地球生物的进化轨迹、依存关系和相克属性。这些问题的探索,其最终目的是为人类的生存和发展服务。
按照科学史,用放射测定法测出的地球年龄约为38亿年;通过测定陨石和月球岩石的年龄以及其他天文学证据,确定的地球与太阳系大约形成于46亿年前。人们对于地球生物的科学探索,一般来说是采用生物考古和博物考察等方法寻找古生物化石和生物品种,再将其回归于地球时间轴,组建地球生物发展轨迹。
经过上千年的探索与考察,人们已经发现,在这46亿年地球年龄的前期,地球是一个无机世界。由于水、温度和光合作用,最简单的有机生物开始出现,人类生物就是在有机生物出现以后,随着自然发展的进程开始孕育和发展。纵观历史,我们可以看到,以生命形式和典型事件为节点,地球生物发展存在以下的发展轨迹(见图2)。
有关于地球生物发展脉络的科学探索,在很长一段时期内处于探索者个人的自发兴趣与博物爱好,其探索方式是以具体的生物考察与博物考古,缺乏系统的科学理论(认知、方法和工具)的支撑,也缺乏明确的目的、目标和方向。随着探索的逐步深入、扩展与积累,各国的相关研究者逐步发展出了一套特定的人工科学语言系统(见图3)。
在最初,博物学者对于地球发展的考古研究、博物考察和生物研究,基本上是在封闭的学术环境中独立探索的。一般来说,这种封闭与博物学者所处历史时代的社会状况和科学技术紧密相关,既有地理的封闭,也有地域的封闭,还有交通的封闭,又有信息的封闭,更有知识的封闭。这些封闭导致了对于地球生物发展脉络的考察,经常是孤立的、截断的、点位的、静止的,这与地球生物发展本身所具有的物质性、时空性,以及生物本身所具有的运动性、连续性、联系性、开放性和系统性等特质全然不同。因此,尽管我们可以从已有的科学发现中大致地归纳出地球生物发展轨迹(见图2),但支撑这条轨迹上各个史实点位所依据的认识论、方法论、工具论,以及语言载体却迥然不同。也就是说,地球生物发展轨迹在很大程度上是人们依据各自对于地球发展历程的主观认识组合起来的———由于研究者所持有的认知形态和语言载体不同,导致了所选用的史实点位对于地球生物发展的贡献与价值,缺乏统一的判断标准,故而诸如图2之类的地球生物发展轨迹的客观性和逻辑性不断被存疑———事实上,地球生物发展轨迹是在不断地被新的科学考古发现所修改、所填充、所完善的。
这迫使人们以系统的、动态的、物质的、时空的客观视野来观察地球生物的发展历程,生态学研究由此开始萌芽。
二、生态学研究的启蒙与发展历程
据考证,“生态”(eco-)一词源于古希腊文,意思是指“家”(house)或者“我们的环境”。“生态学”(ecology)一词,源于希腊文“oikos”,原意为房子、住处或家务。
“logos”原意为学科或讨论。“eco”与“logos”组合在一起的大致含意是研究生物住处的科学。1866年,德国博物学家海克尔(HaeckelE,1834~1919)在《有机体的普通形态学》中首次提出了生态学(ecology)这个科学术语,并于1869年将其定义为“生态学是研究生物有机体与其周围环境(包括非生物环境和生物环境)相互关系的科学”。
1953年,美国生态学家奥德姆(OdumEP,1913~2002)在《生态学基础》中明确提出了由个体生态学、种群生态学、群落生态学和生态系统生态学组成的生态学学科体系,一般认为,这标志着基本的生物生态学学科体系的建立。尽管海克尔和奥德姆为生态学的创立奠定了基础,但生态学的提出与建立,却是一大批科学家共同努力(见图4)的结果。吴兆录根据学科宏观发展的转折点及研究方法、理论体系、学科结构明显改变为标志,将生态学划分为4个阶段(见图5)。
三、生态学关注的核心科学问题
一般认为,生态学的研究热点包括生物多样性、气候变化、基因变异、物种间相互作用和性选择等。
(一)生物多样性
生物多样性(biodiversity)通常包括遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性3个部分。第二次世界大战以后,科学技术全面突破、人类活动范围与行为强度不断增加、经济快速发展、人口持续增长,人类开始遭遇到一系列前所未有的环境问题,遭遇到人口、资源、环境、粮食和能源等5重危机。这逼迫人类在关注经济发展的同时,还必须更加关注生物资源保护问题。
这些问题与生态环境的保护以及自然资源的合理利用密切相关,因此生物多样性的研究和保护已经成为世界各国普遍重视的问题。蒋志刚在《保护生物学》将生物多样性定义为:“生物多样性是生物及其环境形成的生态复合体以及与此相关的各种生态过程的综合,包括动物、植物、微生物和它们所拥有的基因以及它们与其生存环境形成的复杂的生态系统。”
Midgley提出了“生物多样性生态系统功能(BEF)”,强调生物多样性对社会经济、生态环境的重要作用。Willig讨论了人类活动(包括景观设置和气候变化)对生物多样性的影响,提出了生物多样性与生产力之间的关系曲线。PeterJ?rgensen围绕实现对热带雨林生物多样性的保护,通过标记法,在玻利维亚山脉的植物群落中考察热带雨林生物多样性的复杂性,并建立了生物种群数据库。Stepankova等学者在2006~2009年间对泥炭沼泽中的带藻进行调研,发现了51个分类群以及其分布影响因素。Stepankova等学者的工作是有关于生态与生物多样性关系的重大发现。
(二)气候变化
气候变化(climatechange)主要表现全球气候变暖(globalwarming)、酸雨(aciddeposition)、臭氧层破坏(ozonedepletion)等3个方面。《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)将“气候变化”定义为:“经过相当一段时间的观察,在自然气候变化之外由人类活动直接或间接地改变全球大气组成所导致的气候改变。”全球气候变化将会给地球生物带来难以估量的损失和灾难。大量的生物物种在气候变化下将面临着不同的命运,有些能够随着环境改变,而其他的就只有面临灭绝。Phoebe等学者预测,到2050年,15%~37%的物种将面临灭绝。Willmer认为,气候变化可能导致传粉植物传粉难以有效实施。Brown等学者使用定量分析方法,通过数据分析气候变化的影响及其驱动因素。
(三)基因变异
基因变异(genemutation)在一定的条件下,基因可以从原来的存在形式突然改变成另一种新的存在形式———在一个位点上,突然出现了一个新基因结构,代替了原有基因结构。
在地球诞生以来的40亿年时间里,地球上的生命,包括植物和动物,几乎没留下任何实质性的痕迹。然而,在最近的500万年内,却产生了生命的大爆发,这一时期出现的生命的形状同今天的生物已很相近。这种突如其来的生物种类大爆发的起因,很可能来自于基因变异。
从整体上说,多数生物体自身变异,是适应自然变化和环境变化的结果。对于一个物种或者群体而言,变异带来的是物种的多样性;没有变异,地球上的生命就永远只能停留在分子阶段,正是因为种种变异,地球才有了当今这样丰富多彩的生命形式。同时,变异赋予了自然选择的权利和选择的机会,变异让同一个物种产生各种各样的性状和灿烂多姿的习性。优胜劣汰,适者生存,对于一个物种的延续,对于自然的进化,是必不可少的。
2005年,来自6个国家的200多名科学家共同参与了“国际人类基因组单体型图计划”(HapMap计划)。基于HapMap计划,通过全球不同人群之间的遗传基因信息检测和分析,初步绘制出首张人类DNA序列中变异基因片段的遗传图谱。此项研究的结果不但会进一步改变人们对生物学和人类进化的理解,更为重要的是将帮助科研人员更方便地找出与人类主要疾病密切相关的变异基因,例如哮喘、糖尿病、心脏病和癌症等,以此改进人们对疾病的预防、诊断和治疗技术。
人类遗传变异被Science评为2007年世界十大科技突破之一。近年来的研究表明人类基因组存在大量变异,研究这些变异不仅有助于揭示许多复杂疾病和个体性状的遗传学机制,也加快了个性化用药的步伐。
(四)种间关系
种间关系(interspecific relationship)不同物种种群之间的相互作用所形成的关系。两个种群的相互关系可以是间接的,也可以是直接的相互影响。这种影响可能是有害的,也可能是有利的。Chauhan等学者怎样在农业生态保护的系统下,通过早期及后期的除草干预,提高农作物竞争力,达到对杂草进行控制,实现可持续的发展和提高杂草管理效率。Mougi等学者讨论了维持生物群落稳定性的主要因素是生物多样性以及他们之间的关系———敌对关系、竞争关系或共生关系。
(五)性选择性选择(sexualselection)
达尔文(DarwinC)认为,性选择是自然选择的一种特殊形式,同一性别的生物个体(主要是雄性)之间为争取与异性交配而发生竞争,得到交配的个体就能繁殖后代,使有利于竞争的性状逐渐巩固和发展。Albert等学者通过对雌性动物的研究,提出了雌性择偶时,往往更偏爱携带有益于下一代的等位基因的雄性,从而证明性选择是一个有效的进化动力。Drezewski等学者认为,性选择机制可以用于演化计算,用以介绍和获取有用的群体多样性信息。
四、生态学科学存在原型结构的构建
我们可以看到,尽管生态学研究的问题,从表象上看,相互之间并无显性联系,但从科学存在原型结构上观察,这些研究却有着一系列的相似性:
1.探寻一类生物区别于其他生物的本质,例如,通过基因图谱客观定义一类生物,从基因排序客观定义一个生物个体;生物种群数据库圈定了生态的组成生物。
2.种间关系的讨论,其实质在于探寻生物种群之间既有的、内在的联系规律,生命规律与进化规律。性选择机制可以模拟计算生物种群传繁衍行为路径。
3.探寻生物生命过程中的既有体征现象,例如,通过变异基因表征生物疾病(哮喘、糖尿病、心脏病、癌症与基因变异的对应关系)。
4.生物多样性的探索,其实质是在探索由遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性所结构的的生态客体的组成。
5.基因的定义,其实质在于建构起生物的计数语言;DNA序列的建构,其实质在于建构起生物的记录语言;基因组单体型图,其实质在于探索生物结构的交流语言;生物种群数据库,其实质在于建构生物体系的传播语言。
6.关于气候变化的讨论,其实质在于建构生物体系所依存的时空背景。以上这些的讨论归纳于一体,就可初步构建起生态学科学存在原型结构(见图6)。
五、结论
生态学是针对生态的本质、规律和行为进行理论探索的科学,生态学科学存在原型结构是生态理论科学研究的一种高度归纳与抽象,尽管它来自于对于生态学相关理论研究的归纳,但确实能够表征生态学的研究成果图谱。对比科学存在原型结构,生态学科学存在原型结构现有结构确有其缺陷,这为生态学的进一步研究指明了方向。由此,笔者认为,科学存在原型结构可以表征生态学研究体系框架,可以规划网络生态研究方向。
参考文献:
[1]王汉熙.面向科学出版的科学信息本体结构及其生成与发布机制研究[D].武汉:武汉理工大学,2010.
[2](英)W.C.丹皮尔.科学史及其与哲学和宗教的关系[M].李珩,译.桂林:广西师范大学出版社,2001.
[3]欧阳志远.关于生态学的学科体系问题[J].自然辩证法研究,1996(4).
[4]常杰,葛滢.生态学[M].杭州:浙江大学出版社,2001.
[5]吴兆录.生态学的发展阶段及其特点[J].生态学杂志,1994(5).
[6]张波,曲建升,王金平.国际生态学研究发展态势文献计量分析[J].生态环境学报,2011(4).
