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标题: [转帖]世界图景的重建 [打印本页]

作者: 王不留行 时间: 2006-8-12 22:59
标题: [转帖]世界图景的重建
5、系统科学：申农、维纳、贝塔朗菲、普里戈金、哈肯、托姆、艾根、洛伦兹
　　真正对还原论构成冲击的，是系统科学在20世纪的成长壮大。所谓系统科学通常指的是在二次大战之后兴起的控制论、信息论和系统论，60年代以后出现的耗散结构论、协同学、突变论、超循环论等自组织理论，以及80年代以来日渐活跃的混沌学。这些学科有一些像维特根斯坦所说的“家族相似性”，但并没有一个通行的名称概而称之。人们从不同的角度称它们是复杂性科学、非线性科学、整体性科学，我们权且称它们做系统科学。
　　第二次世界大战中，为了提高战时通信的效率和可靠性，许多科学家致力于研究通信技术及其理论问题。1948年，美国应用数学家申农（C. E. Shannon）发表“通信的数学理论”，标志着信息论的诞生。申农首先把信息传输过程理想化为五个部分即信息源、发送器、信道（传输媒介）、接收机、信息接受者。其次，他提出信息量的量化概念，即把信息同熵联系起来。最后，他提出了信道定理，即信道容量是信道能够几乎无误差地传送信息的最大速度，在这个速度之内，信道原则上可以无限的降低噪声造成的误差。信息论的最重要贡献在于，把通信过程看成是一种信息的传输过程，而信息本质上是统计的，其量化形式与熵密切关联。申农的信道定理可以看成是热力学第二定律在通信问题中的特殊形式。美国物理学家布里渊（L. Brillouin）发展了信息与熵相联系的思想，在信息与熵等价的基础上提出了广义熵增定理，以此解释麦克斯韦妖。此后，信息论主要在通信工程领域发挥作用，而它对一般系统科学的贡献则是提出了与热力学相关的信息概念。也是与第二次世界大战中弹道计算的要求相联系，控制论在美国科学家维纳手里被创立出来。维纳当时正从事防空火力自动控制装置的研究，对系统通过信息交换和处理进行控制的机制深有领悟。当时他与其他工程师一起合作，研究高射炮自动瞄准问题。他们仔细分析了飞行员与高射炮手的目的性行为，并力图采用技术手段进行机械模拟，以实现自动跟踪。在这些研究活动中，他抓住了自动控制过程中的两个核心概念即“信息”和“反馈”的概念，构造了控制论的基本框架。
　　信息概念引入预测过程，表明了一种革命性的转变。维纳在1948年出版的《控制论》一书的第一章，就富有启发性的提出了“牛顿时间”与“柏格森时间”的区别以及天文学与气象学的区别。前者是确定的、决定论的、可精确预测的、可逆的，而后者是不确定的、非决定论的、不可精确预测的、不可逆的。关键问题是，过去后者只被看成是前者的补充，不具有决定性意义，而在维纳这里，后者第一次以一种无法回避的、成为主要关注焦点的面目出现。维纳写道：“我们是受时间支配的，我们跟未来的关系和我们跟过去的关系并不相同。我们的一切问题都被这种不对称性制约着，我们对这些问题的全部答案也同样受着这种约束。” 他承认，明确这一点对我们理解通信问题非常关键，因为“能够与我们通讯的任何世界，其时间方向和我们相同。” 由于时间性的引入，偶然性最早在通信和控制的问题中，成为科学研究的主要对象。
　　防空火炮的自动控制需要解决两个问题。首先是瞄准提前量的预测和计算，这涉及到通信，导致维纳提出了“信息”概念。其次是自动调整偏差，这涉及到控制作用，维纳提出了“负反馈”的概念。事实上，这个概念并非维纳首创，早在蒸汽机时代瓦特发明的速度调控器就使用了负反馈的原理，而1868年麦克斯韦更对该原理进行过理论上的探讨。但维纳的贡献在于，把反馈过程在控制中的作用普遍化，指出任何一个有效的行为都必须通过反馈过程来取得信息，从而判定自身是否达到了预定的目标。
　　维纳并没有把控制过程局限在自动机领域。他意识到，以信息和反馈为基本机制的控制过程，不仅可以用来描述自动机，大概也可以用于神经系统以及更大范围的其他领域。整个40年代，控制论的思想先是在脑神经生理学领域，再是计算机科学领域，直至最后，蔓延到了心理学、生理解剖学、人类学和经济学领域。这些不同领域的科学家们相互交流，对他们从事的事业有了基本的认同。1948年维纳的《控制论》一书宣告了这门学科的诞生。
　　反馈问题的研究，将原来为生命系统独有的行为目的性普遍化了。控制论学者们在许多能够有效地运用控制论的非生命科学领域中，发现了这种目的性，使被近代科学否定掉的亚里士多德四因说中的目的因，又以某种形式复活了。
　　信息论与控制论把一类特殊的对象即通信和控制问题提上了科学研究的主战场位置，系统论则从更加广泛的角度，展开了更加广阔的问题空间。这就是，把系统及其“复杂性”突出出来，与古典科学对“简单性”的寻求与解决，形成鲜明的对照。
　　系统论有两个来源。一个是与具体的管理工作相联系的系统工程，与之相关的学科有归之于运筹学之下的线性规划、非线性规划、对策论、排队论、搜索论、库存论、决策论和统筹论等。它们都直接的来源于并服务于大企业管理和大工程管理。系统工程强调系统的整体目标，并围绕实现整体目标的最优化来配置和管理系统各部分的运作。这里最重要的思想是整体高于部分，部分受整体的支配、服从整体的目标，整体不简单是部分的线性相加。
　　另一个来源是关于系统一般原则和规律的一般系统论研究，其主要代表人物是奥地利血统的美国生物学家贝塔朗菲（1901-1971）。贝塔朗菲的系统论最早来自他的生物有机论。在解释生命这种神奇的现象时，向来有两种观点。一种是机械论，试图用还原论将生命还原到物理化学甚至力学层次。另一种是活力论，主张生命有某种科学无法解释的神秘因素在起作用。机械论解释不能令贝塔朗菲满意，因为它取消了生命的特质；活力论也不能令贝塔朗菲满意，因为他毕竟是一位科学家，在一种科学的解释中乞求于非科学的神秘因素只表现了科学上的无能。在他1928年出版的《现代发展理论》和1932年的《理论生物学》中，贝塔朗菲提出了比较系统的有机论思想。他的有机论，把生命看成是一个既具有高度的自主性，又与外界交换物质和能量的开放系统，强调生命的整体性、动态过程性、能动性和组织等级性。至此，生物系统论的思想已初步具备。此后的战争年代，贝塔朗菲把生物系统论推广到一般系统论，但他的新思想在当时没有引起注意。1948年，他出版了《生命问题》一书，系统地论述了他的一般系统论，宣告了这个新理论的诞生。
　　虽说一般系统论力图概括包括生命系统在内的所有系统的一般规律，但贝塔朗菲所依据的依然是生命系统的那些不可归约和还原的突出特征，而他居然能够把生命系统论推广到一般系统论，也就表明他意识到，生命的那些不可还原的特征无处不在，是具有普遍意义的。这些特征是代谢、生长、发育、繁殖、自主性活动——贝塔朗菲将它们均看成是自我调节的稳态活动，而生命系统是本质上能自主活动的系统。
　　诚然，贝塔朗菲的系统论更多的是一种哲学思想，尚未定量化、可操作化，因而它的影响就比不上控制论和信息论，也比不上那些具体的系统工程。但是，作为对传统世界图景的一个重大修正，系统论第一次试图把整体论作为哲学原则加以科学的实施，其目标是要建立“整体论”的科学。贝塔朗菲本人把一般系统论看成是“一种整体的逻辑数学科学”。系统哲学家拉兹洛在《用系统论的观点看世界》中对这种新的科学有如下的述说：“当代科学拿这种复杂情况怎么办呢？它提供了一种解决办法。这是另外一种对事情真实状态进行简化的办法，但这种办法能更充分地把握事态的复杂性：那就是把这种复杂情况当作结合在一起的一整块来考虑。” 系统科学力图恢复世界真实的复杂性，但科学总是要简化。系统科学是科学，同样也要使用简化。系统科学所力图凸现的“整体性”用通俗的话来说，就是所谓“整体大于部分之和”。系统整体上突现出了某些为它们的组成部分所不具有的特征，这些新的特征决不是通过对其组成部分的分析可以得出的。我们身体中的细胞大约七年之后就全部换过一遍，但我依旧还是我，使我得以保持我之同一性的不是构成我的细胞，而是我的身体系统整体性的东西。一个国家大概100年，它的人民就会全部更换，但这个国家依然是这个国家，在这里起同一作用的是国家系统整体性的东西。这个意义上的整体性，在物质世界的各个层次上，包括无机界、有机界直至人类社会，都可以或多或少的找到。系统科学所凸现的“整体性”的另一方面是系统自我保持、自我修复的稳定性。这种稳定状态，贝塔朗菲曾经称它是“稳态”。这样的稳定性依赖于系统的开放性，因为唯有系统与外界进行物质和能量的交换行为，才能保持这样的稳定性。
　　控制论、信息论和系统论这三门大致在二战结束后形成的学科，实际上有强烈的家族相似性，即都以系统中的信息问题为主要研究对象。它们的突出特征是与具体的工程技术问题联系密切，因而有着广泛的实际用途。其影响也来源于此。它们在理论上的成就是，在由“还原论”科学向着“整体论”科学的道路上迈出了一大步，虽然它们中走得最远的“一般系统论”并不是影响最大的。也许正是由于它们与具体的工程问题联系过于紧密，影响了它们在一般世界观意义上发挥它们的作用。中国学术界通常有所谓“老三论”“新三论”之说。老三论指的正是控制论、信息论和系统论。说它们“老”，除了指时间上在先，也是指它们在走向“整体论”的道路上还走得不太远。
　　新三论是耗散结构论、突变论和协同学，后来有人也把“超循环理论”添加进来，组成系统科学的新生代。新生代的系统科学群朝着“整体论”方向走得更远，理论成就也更大。它们的共同特征是，不仅指出了系统的整体性，而且将这种整体性予以动力学的表述——如果说老三论更多的强调了系统静态的整体性，那么新三论则强调这种整体性的动态的方面，因而在基础理论层面上更富有成果。新三论突出了系统的“自组织”能力，发展出了在或大或小范围内有效的自组织动力学。这种动力学假定，当系统满足如下三个条件时就会出现系统的自我组织、自我维护、自我修复、自我复制和自我更新现象。这三个条件是：第一它是开放系统，第二它远离平衡态，第三它内部各要素之间存在非线性的相互作用。对一个封闭系统而言，热力学第二定律确认它必定走向无序和混乱，因此唯有系统开放，从外界引进负熵流以抵销系统内部的熵增，才有可能出现有序结构。此外，开放系统还必须远离平衡态。对于近平衡态的系统，它的必然趋势是回到平衡态，在这里自组织机制难以发挥作用。远离平衡态的系统最终能够出现高度有序的结构，原因在于非线性作用给出了多种多样发展的可能性和分支，其中就存在高度有序的分支。这些有序分支通过随机涨落被选择出来。
　　普里戈金领导的布鲁塞尔学派经过近20年的努力，终于在1969年推出了“耗散结构”理论（dissipative structure theory）。该理论认为，一个远离平衡态的开放系统，当其变化达到一定的阈值，通过涨落有可能发生突变，由原来的混沌无序状态，转变为一种在空间上、时间上或功能上的有序状态和有组织结构。这种结构由于需要与外界交换物质和能量才能够维持，所以被称做“耗散结构”。导致由混沌到有序的，是极度的非平衡，是随机涨落。耗散结构理论把发展的方向性、系统的复杂性、演化的不确定性所有这些整体性特征，整合进了一个完整的动力学模型之中。
　　普里戈金的模型最先在化学系统的研究中取得成果，并使他本人获得1977年度诺贝尔化学奖。大概在普里戈金获奖的同一年，德国理论物理学家哈肯（Hermenn Hacken）系统而全面地提出了协同学（Synergetics）理论，从另一个角度解释系统的自组织行为。协同学认为，系统的自组织是由于子系统之间的协同运动造成的，而协同学就是给出这种协同运动的条件和规律，从而为自组织提供理论依据。
　　哈肯1927年生于德国莱比锡，毕业于爱尔兰根大学，24岁以群论方面的论文取得数学博士学位，1956年在爱尔兰根大学任数学讲师，1960年成为斯图加特大学理论物理学教授。1959-60年因担任美国贝尔实验室顾问而参与了世界上第一台激光器的研制工作。哈肯从激光现象得到启发，开始研究远离平衡的物理相变问题，因为激光正是系统在远离平衡时出现的典型的非平衡相变。通过分析和比较多领域的非平衡相变问题，哈肯确信可以建立一门统一的学科，来阐述处理非平衡相变问题的统一方案。1971，哈肯发表“协同学：一门协作的学说”，给出了协同学的主要概念构架。1977年，哈肯出版了《协同学导论》，全面推出了协同学的理论体系。此后，哈肯致力于协同学的应用研究，研制协同计算机。
　　协同学认为，任何系统的子系统都同时存在两种运动倾向。第一是无规则运动，它通常导致系统走上无序的道路；第二是由于子系统之间的关联引起的协调运动，它导致宏观有序。不同的协同运动导致不同的宏观结构。子系统的这两种运动倾向同时存在，如果前者占上风，则系统表现出均匀的无序状态，如果后者占上风，则系统会在某一个关节点上突然表现出高度有序的结构。这两种运动的此消彼长，受制于外界环境条件的改变。因此，协同学把这些决定着系统相变的环境条件称做控制参量。随着控制参量量上的变化，系统则会发生由无序到有序的质的转变。协同学就研究这种变化的动力学。
　　贝塔朗菲已经指出，系统科学的任务就在于揭示“整体大于部分之和”中那多出来的东西。它是什么？是如何出来的？对此，他也提出了“突现”（emergence）的概念，以说明这种多出来的东西的发生方式。新三论致力于以动力学的语言描述这些突现过程。耗散结构论在化学领域，协同学在物理学领域均做出了卓有成效的工作。突变论则是法国数学家勒内•托姆在数学领域里的贡献。
　　凡人皆知，哲学上有所谓“量变引起质变”的命题，但刻画这些变化的机制的科学理论只是到了70年代才出现。突变论就是这样的数学理论。托姆1951年获巴黎大学国家博士学位，1958年获国际最高数学奖四年一度的菲尔兹大奖。托姆从60年代开始研究突变现象，1968年发表第一篇论文“生物学中的拓扑模型”，1972年出版《结构稳定性和形态发生学》，系统地论述了突变理论。
　　从前的数学分析以及用微分方程表述的理论物理学，都处理的是连续和光滑的情况。对不连续和突变现象的研究不在传统数学的视野之内。个别数学家就奇点和奇性的研究，也没有引起数学界的注意和重视。托姆注意到，微分拓扑学领域关于奇点研究已取得的成果，与生物形态分类学有密切的关系。他从这个角度切入，发展出了突变理论。突变论提出后引起了很大的反响。70年代中期开始，曾经一度出现所谓的“突变热”。有人甚至认为它是“自牛顿发明微积分以来数学史上最大的成就”。还有人认为它是“说明参数的连续改变怎样会引起不连续现象的第一种理论”。不久，有的科学家提出批评，突变热开始降温，但突变理论的应用部分所取得的成果还是被人们所接受。一些被突变论所深化了的概念如“奇点”、“临界点”、“分叉”等被人们继续使用。
　　也是从70年代开始，德国生物物理化学家曼弗雷德•艾根提出超循环理论，以解释生命起源问题，即生命如何从物理和化学的层次突现出来的问题。超循环论认为，在化学进化之后，存在一个生物大分子的自组织进化。在这个进化过程中，原始的蛋白质和核酸之间的相互作用形成了某种超循环组织，这种超循环组织能够稳定地、协同整合地朝着自我优化的方向进化。艾根认为，这个超循环的自组织进化阶段，是理解自然界由化学进化过渡到生物学进化的关键。
　　所谓超循环，是相对于在化学反应中普遍存在的循环反应而言的。在通常的循环反应中，催化剂与反应底物相结合生成产物和催化剂，形成了催化剂的自我再生。如果这样的循环反应本身就构成了某种催化剂，那么就可以形成更高层次的催化循环。而超循环，就是比催化循环再高一个层次的循环，即把催化循环本身作为催化剂的超级循环。超循环具备自我复制能力，而且作为一个整体具备自我选择的能力。艾肯揭示出，超循环可以作为生物大分子的一般模式，由它的种种高阶形式，可以解释由化学过程向生命过程的种种突变现象。
　　超循环对生命必然发生的解释引起了国际学术界的不同反响。主张生命纯属偶然事件的法国生物学家莫诺对此不以为然。有的科学家认为，艾根的理论只涉及“复制”问题，只相当于生命起源的“软件”层次，并没有涉及到生命起源的“硬件”层次即“代谢”问题。艾肯及其同事尚在继续他们的研究。
　　系统科学的新生代大多在50、60年代酝酿，于70年代提出，显示了这个研究方向的大趋势。它们分别在数学（托姆的突变论）、物理学（哈肯的协同学）、化学（普里戈金的耗散结构论）、生物学（艾根的超循环论）上，创造了为科学共同体所认可的成果。但是，从70年代末开始，致力于探索复杂性、非线性和整体性的科学家们，几乎又被另一个新的领域所吸引，这就是混沌学。
　　正像新生代的系统科学注重系统整体性的“自组织”的方面，在解释“整体突现”的机制方面下了许多功夫，混沌学则抓住了系统整体性的“随机”的方面，研究偶然性、无规则性、不可预测性背后的非线性动力系统的确定性规律。来自各门学科的混沌研究者们，从各自的领域都发现了“混沌现象”，即服从确定性规则的非周期性的随机现象。这里有心脏的运动、昆虫数目的更迭、股票价格的涨落，也有电路噪声、云的形状、闪电的路径、行星的轨道、地震、气象的“蝴蝶效应”。它们来自流行病学、种群生物学、生理学、电学、天文学、气象学和经济学等领域。
　　混沌是非线性造成的。气象学家洛伦兹在保留非线性的前提下将模型简化到只剩下三个变量，混沌依然能够出现。混沌来自确定性的规则，是由确定性导致的随机性。对一个非常简单的非线性方程进行迭代，就能得出混沌。混沌局部的不稳定性是与整体的稳定性相适应的。混沌学家们普遍认为，混沌是普遍存在的而非特异的，相反，倒是古典力学所给出的情况倒是十分少见的理想状态。对混沌的研究将导致世界图景的改观。
　　近半个多世纪的系统科学发起的整体论运动并非结束，无宁说刚刚开始，所以，对这一运动的走向还不能说得十分清楚。非线性既导致自组织，也导致混沌。何时出现自组织，何时出现混沌，这两者是什么关系？所有这些问题提示着，非线性科学、复杂性科学，或者说系统科学需要一个新的概念框架，以整合在多个领域、多个战场奋力开拓的系统科学大军。
　　1984年，包括诺贝尔物理奖获得者盖尔曼、安德森，诺贝尔经济学奖获得者阿罗在内的一批大科学家，在美国成立了圣塔菲研究所（Santa Fe Institute），试图建立一元化的复杂系统科学理论，整合系统科学半个多世纪的发展。他们提出的重要概念就是系统的“突现性”。这个概念早就被贝塔朗菲提出过，但经过半个多世纪的发展，这一概念的内含已经非常丰富。人们现在可以规定整体突现的不同程度和水平。如果说控制论和运筹学处理的是简单大系统，那么协同学等自组织理论所处理的就是简单巨系统，但真正复杂的巨系统的研究还没有十分明显的成果。圣塔菲学者们在经过十年努力之后，居然有“从复杂性走向困惑”的感叹。
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作者: 王不留行 时间: 2006-8-12 23:00
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　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。

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