第六章
系统失调与溃散

一、失调

系统演化到一个相对稳定的阶段以后，组成系统的所有成分将会相互制约，去除某一成分可能引起连锁反应。

麦夸里岛是澳大利亚的一座岛（见图6-1），19世纪之前这里没有人类居住，岛上有一些稀有的鸟类，还有海豹。19世纪，有人开始上岛捕猎海豹，他们还带去了一些常见动物—兔子、猫和老鼠。这些动物导致海鸟数量减少。兔子吃掉了大量的草，导致了土地荒芜，这对在地上筑巢的鸟类影响特别大。于是在20世纪60年代，动物保护主义者决心去除这些兔子。他们使用了生物武器—兔黏液瘤病毒。兔子的数量从13万只减少到1万只。可是海鸟的命运并没有改变。兔子少了以后，猫的食谱发生了变化。本来猫主要以兔子为食，现在吃不到兔子的猫只能去吃那些珍贵的鸟。动物保护主义者又不得不杀死猫。2000年，岛上的猫没有了，兔子数量马上又上来了，而且这些兔子是经历过病毒选择的，根本没法再用原来的方法除掉它们……

人体系统的问题有时比生态系统更为复杂。人体系统除由人体细胞构成的各种组织、器官以外，还包括大量的微生物。共生的微生物比组成一个人的体细胞数量还多。这些微生物多数对人体无害，当然有些微生物会引起人类的疾病。在人类发明抗生素前，外伤感染致死率很高，肺结核等于不治之症。抗生素在对抗细菌和真菌引起的疾病上效果非常明显，让人类平均寿命至少增加10年，被称为人类医疗史上最重要的发明也不为过。但是，抗生素在杀死致病微生物的同时，也会抑制那些无辜的微生物，尤其是肠道菌群。正常条件下肠道中的微生物种类及比例比较稳定，这是它们与人类和平共处的基础。抗生素对人体细胞没有危害，却能改变微生物之间的平衡关系。艰难梭状芽孢杆菌是肠道菌群的成分之一，正常条件下比例很低。这种细菌对氨苄青霉素的抗性很强，服用这种抗生素后，其他肠道微生物被抑制，为艰难梭状芽孢杆菌的大量增殖创造了条件。艰难梭状芽孢杆菌可产生外毒素，少量的外毒素对人体并没有什么影响，但大量的外毒素会损伤肠壁细胞，还会引起免疫系统攻击肠壁细胞，造成腹泻。这还只是对一个个体的影响，人类开始使用抗生素还产生了两个附加结果：一是微生物耐药性出现；二是与人类共生的微生物种类减少。这让人类面临很大麻烦，经过抗生素筛选产生的超级耐药微生物会让人类无药可用。而一些长期与人类共生的微生物的消失可能与过敏、肥胖、抑郁症等疾病的发生有密切的关系。

就人体自身系统而言，各系统之间也必须通过负反馈调节维持各种物质或状态的相对稳定。其中免疫系统的平衡是非常重要的。“提高免疫力”这句话常被人说起，但有时免疫力过高非常可怕。这是因为免疫功能之一是攻击和杀伤自身细胞，免疫力过强会导致对自体细胞的强烈攻击。一些致死性强的传染病，致死原因并不是病原体本身的活动，而是这些病原体引发的过度免疫。2019年发现的新型冠状病毒是一种让人类陷入恐慌的病原体，其特点是传染性强、致死率较高。一些患者在感染病毒后体内产生了大量的细胞因子。细胞因子在正常人体中起到激活免疫系统的作用，但过多的细胞因子会引发免疫系统对自身细胞的强烈攻击，这种细胞因子风暴才是引发患者死亡的真正原因。相反，一些病毒会降低机体免疫能力，典型的例子就是HIV病毒。这种病毒通过抑制辅助T细胞导致人体免疫功能下降，辅助T细胞就是一种能释放细胞因子的细胞。而埃博拉病毒更是能把这两种技能集于一身，成为杀人机器。埃博拉病毒会进入一种抗原呈递细胞，抗原呈递细胞是病原体的报告者，埃博拉病毒的行为就像窃贼潜入前破坏监控摄像头，这样人体就不会产生针对埃博拉病毒的免疫。等到埃博拉病毒大量增殖的时候，它们就会触发强烈的细胞因子风暴，随后引起的免疫攻击血管壁，造成血液渗出，人体各处出现出血症状。埃博拉病毒的致死率高达88%，不过也正是因为这种病毒对人类的强致死性，才让这种可怕的病毒不能在人群中传播。随宿主的死亡，病毒的传播途径也会中断。

失调的后果非常可怕，常常会导致一个系统的稳定性下降，甚至完全崩溃。

二、褪色的大堡礁

大堡礁是著名的旅游胜地，它是沿着澳大利亚东北海岸分布的世界上最大的珊瑚礁区，长逾2 000千米，距海岸约16～300千米，400多种形态多样、色彩缤纷的珊瑚分布在温暖的浅海中。珊瑚为其他生物创造共同家园，有超过1 620种鱼类、2 000种海绵、14种海蛇、300多种软体动物物种、630种棘皮动物和500种海洋藻类共同生活在这里，形成了地球上最复杂、生物多样性最高的生态系统。2017年，大堡礁珊瑚出现了大量漂白事件，五颜六色的珊瑚突然褪去颜色（见图6-2），到底发生了什么事情呢？

要解释珊瑚漂白现象，我们需要先近距离观察珊瑚。珊瑚并不是生物，它是珊瑚虫的外骨骼。珊瑚虫属于腔肠动物门珊瑚纲，腔肠动物的另一个代表是水母，这两种生物在结构上有相似之处，珊瑚虫像一个微小水母（珊瑚虫一般只有几厘米），倒坐在自己的外骨骼里。没有外骨骼的水母在水中自由漂泊，而珊瑚虫却一生定居在自己构建的房子里。珊瑚虫在生长过程中吸收海水中的钙和二氧化碳，分泌碳酸钙作为外骨骼。外骨骼在珊瑚虫死后不会消失，新一代的珊瑚虫就在老一代珊瑚虫的外骨骼上继续盖房子，这样一层一层堆积的外骨骼最终形成了珊瑚。

珊瑚虫像建筑师一样，为海底城市建造了珊瑚这种大型建筑，一些珊瑚群甚至会形成岛屿。海底建筑为很多鱼类提供了生活场景，鱼类在这里更容易躲避天敌和获取食物，它们的聚集锁住了生命必需的元素。充足的阳光、温暖的海水加上生命必需元素的积累让珊瑚礁所在海域生机勃勃。珊瑚虫能够从海水中获得食物，但是它们获取能量的更主要方法是从与它们共生的小伙伴那里获取。小伙伴的名字叫虫黄藻，是一种单细胞藻类。虫黄藻能在珊瑚虫细胞内生活，为珊瑚虫提供葡萄糖、甘油、氨基酸、氧气等光合产物。作为回报，珊瑚为虫黄藻提供保护、居所。珊瑚虫所需能量的90%来自于虫黄藻。珊瑚礁生态系统中一些鱼类和海星以珊瑚虫为食，所以虫黄藻和珊瑚虫的共生体也是这个生态系统的生产者之一。海水温度升高会导致虫黄藻离开珊瑚虫，珊瑚就会失去多彩的颜色，这就是珊瑚漂白的原因。短期的漂白是可以恢复的，毕竟珊瑚虫还有一些从外界获取有机物的能力，只要气温恢复，珊瑚虫就能重新获得共生藻，但是长时间的漂白会导致珊瑚虫营养不良而最终死亡。

人类观测到的大堡礁白化事件共有4次，分别发生在1998年、2002年、2016年和2017年。前两次影响范围较小，2004年，科学家已经观察到漂白的珊瑚礁出现恢复的迹象。2016年和2017年，大堡礁三分之二的珊瑚受到了高温天气影响，很多珊瑚已经无法恢复。这不仅影响了澳大利亚的旅游业，同时珊瑚礁生态系统也面临巨大的危机。直接受到影响的是以珊瑚虫为食的动物，但这只是前奏。珊瑚会被海水侵蚀，海浪也对珊瑚有惊人的破坏力，只有靠珊瑚虫不断繁殖，才能抵消海水对珊瑚的消耗。珊瑚不可逆的白化表明珊瑚虫已经死亡，这意味着珊瑚只会不断被消减。栖息环境被破坏后，珊瑚礁原住生物的数量和多样性都将下降。

与系统失调可能导致的系统溃散不同，珊瑚礁生态系统可能的溃散源于维持这一生态系统的基石受到的直接打击。在生态系统中，生态系统基石遭到破坏的案例屡见不鲜。外来的入侵物种会对本地生态系统的生产者产生直接影响。葛根是一种原产于中国的植物，它们能够顺着其他植物的树干攀爬而且生长迅速。1935年，为了防止水土流失，美国开始大面积种植葛根，但随后葛根的发展失控了。当地没有动物喜欢吃这种植物，同时由于攀爬能力强，葛根能够爬到乔木顶端获取光能，当地植物在与葛根的竞争中节节败退。葛根为当地带去的不是欣欣向荣的绿色，而是单调乏味，如图6-3所示。

人类活动也是破坏生态系统基石的重要力量，这种破坏同样会对人类的发展形成反制，后面我们会看到自然界反制人类产生的可怕后果。

三、消失的文明

复活节岛位于南太平洋东部，该岛以近千尊巨大的石雕人像著名，这也是该岛最神秘的地方，如图6-4所示。1774年，英国航海家詹姆斯·库克（James Cook）船长访问复活节岛时情景是这样的，岛上的居民只有2 000人，整个岛只有3条简陋的小船，长仅3米，最多乘坐两个人，还会漏水。这样的小船只能在岸边行驶，不可能到深海去。岛上土壤非常贫瘠，当地居民只能种植甘薯，这是他们主要的食物来源。可以说复活节岛的居民一直生活在饥饿状态中。这样差的生产水平与巨大宏伟的石像形成了极大反差。石像意味着先进的文明，但怎么也看不出小岛有先进的样子。

当代的科学家通过花粉遗迹发现复活节岛曾经是一片富饶的土地。花粉壁中所含有的胞粉素是细胞外壁的主要成分，化学性质特别稳定，能保护土壤中的花粉颗粒不被破坏，这些花粉最终会形成化石。不同植物的花粉形态结构有所不同，根据在显微镜下观察到的土壤花粉化石可以推测曾经出现过的植物种类。通过这种手段科学家发现在人类出现之前，复活节岛是被森林覆盖的，有棕榈树、托罗密罗树和其他高大树木。而现在的复活节岛只有47种高等植物，而且多数都是矮小的草本植物，如图6-5所示。在公元800年以后，棕榈树开始减少，15世纪初棕榈树在复活节岛绝迹。棕榈树灭绝的原因是什么呢？

一些人类学家通过分析古代垃圾找到了答案。公元900—1300年，海豚骨大量出现在垃圾中，这说明海豚是当地居民的食物来源。海豚生活在深海，所以古代复活节岛居民具有航海技术，这种技术需要大型船只，而制作船只的原料就是棕榈树。岛民通过渔业过着富足的生活，人口逐渐增加，从公元1200年开始，岛民建造巨型石像，岛上文明进入繁荣阶段。造船和捕鱼是复活节岛繁荣的原因，也是它衰落的原因。食物的增加导致人口爆炸，人口爆炸导致更多的食物需求，岛民们需要更多的棕榈树建造船只出海捕鱼，这导致了棕榈树在岛上灭绝。这样远海的渔业也不能维持，人们只得开始种植甘薯等农作物。但是由于大型树木被砍伐导致了严重的水土流失，土壤也不适于耕种。据估计，复活节岛人口曾经达到8 000～20 000人，但是15世纪以后人口锐减，只能维持在2 000人左右的水平，曾经繁荣的文明就此终结。

复活节岛文明的衰落并不是个例，美洲丛林中掩埋了一个更庞大、更先进、持续时间更长的文明—玛雅文明。玛雅人有自己的文字，在石碑上刻着精美的图案和灿烂的历史。他们修建了高达30米的金字塔和神庙，如图6-6所示。但是如此先进的文明却在一千多年前戛然而止。对玛雅失落之谜一直有各种解释，一些生态学家认为玛雅文明消失的原因与玛雅人的生活方式有关。玛雅人在进行农业生产时先把雨林中的树木砍倒，干燥一段时间以后放火焚毁，用草木灰做肥料。这种农业在当时是很先进的，农业产出让玛雅人口大增。从公元前400年玛雅人口就开始迅速增长，到衰落时人口总数达到500万，相当于现代发达地区的人口密度。但人口增长需要更多的食物支持，人们只能更多地毁林开荒。

玛雅地处热带，气候特别适合植物生长，所以自然条件下，玛雅是热带雨林的状态。在热带雨林中，生物的种类和数量都非常多，优势物种是各种参天蔽日的树木，其他植物使用攀缘、寄生、阴生等生存技巧，在雨林中占据一席之地。由于水分和光照适宜，各物种生长速度都非常快，其中植物生长会吸收土壤中大量的无机盐，这让热带雨林土壤贫瘠。玛雅人的农业方式使得林木中的无机盐返回土壤，所以刚开荒时农田产量很高。但是农作物固定无机盐的能力比雨林中的树木低得多。在热带雨林状态下，生物体死亡后组成元素很快被释放，这些元素会立刻被周围生物吸收，各种矿质元素在系统内部循环利用。失去热带雨林后，土壤中的矿质元素会随水土流失离开这一地区。玛雅农业给元素循环提供了出口，却不能从外界获取新的元素，这样的新循环导致矿质元素持续减少，粮食因此减产，到了无法再满足人口需求时，玛雅文明便衰落了，玛雅人放弃了自己创造的灿烂文明，返回了丛林。

农业是文明的基础，土壤又是农业的基础。玛雅和复活节岛曾经拥有发达的技术，但这种技术榨干了文明赖以生存的土壤。当维持一个系统的底层要素受到系统发展的破坏时，这个系统演化的方向注定是灭亡。

两种古代文明的衰落是否为现代人类文明敲响了警钟呢？

四、什么是死亡

生命是一个低熵系统，它要不断从外界获取能量维持低熵状态。为此，它必须一方面从外界获取信息，另一方面通过调节维持系统内部的平衡。运行良好的系统通过演化扩展系统。相反，失衡会导致系统死亡。什么是死亡？低熵系统熵增的过程就是死亡。

细胞有两种死亡方式：细胞凋亡和细胞坏死，如图6-7所示。两者结果相同，都是一个细胞的消亡。但在微观尺度上观察两者区别很大。凋亡后细胞形成很多生物膜包裹的小泡，过程很像一个大肥皂泡断裂形成一连串小肥皂泡，这些小泡会跟周围细胞发生融合。细胞坏死就像把那个大肥皂泡扎破一样，细胞一下爆开了，里面的物质被释放出来。其中的大分子物质是周围的细胞一般无法直接接受的，机体需要指派吞噬细胞去处理。在坏死细胞的附近出现大量的趋化因子，这种信号指引吞噬细胞赶往事故现场。这个事件最终会以炎症的方式汇报给人体，就是坏死细胞引发的红肿、疼痛。对于细胞这个系统而言，无论凋亡还是坏死，它们一生经营聚集的物质都将被耗散。但是对于人体这个更大的系统来说，这些物质仍然聚集在系统内部。所以，包括人类在内的多细胞生命体都将细胞凋亡的信息写进了遗传信息编码中，虽然开启这段编码的细胞会死亡，但是却对整个个体的生存有积极意义。

细胞凋亡的例子有助于理解死亡。个体死亡的结果是这个个体不再有维持自己系统低熵的能力，但是从生态系统的角度来说，个体耗散的物质却不能轻易离开这个系统。在热带雨林里，没有一点元素会被轻易浪费，一片落叶会被微生物迅速分解，然后成为植物之间相互争夺的资源。沙漠中的绿洲有独立于沙漠的小气候，绿洲的水能为植物生长提供条件，而植物又起到保水的作用。生态系统可以看作高于个体的生命存在形式。与个体相同，生态系统也是通过获得能量聚集物质。而生态系统也面临着死亡威胁，系统失调最终会传递到生态系统的基石。当生产者大量死亡时，生态系统获取能量的能力将大幅下降。这影响了生态系统聚集物质的效果，元素的流失会进一步导致生产者死亡。当世界上的元素均匀分布时，所有的生态系统都会死亡。

但是，这种大规模的熵增情况在以亿年为衡量尺度的未来都不太可能出现。一个生态系统可能死亡，但它的物质会被聚集到另一个生态系统中，就像细胞凋亡后被周围细胞吸收一样。生命系统是反熵增的，而现阶段地球反熵增的能量主要来源于太阳能。在地球元素守恒的条件下，光能的输入会导致有序性的增加而不是相反。即使短暂地停止光照，地球的生命系统也不会中断。科学家推测白垩纪恐龙灭绝的原因是一颗直径10千米的小行星撞击了地球，如果撞击真的发生，那么爆炸会产生大量尘埃，阳光被遮挡数月之久，大地一片黑暗，植物死亡。即使如此，地球生命系统还是延续到了今天。

35亿年前，从一个单细胞开始，生命系统出现。它是一个以DNA为信息载体的系统，能够不断复制。它的后代开枝散叶形成形形色色的生物体。经过漫长的演化，后代们适应各种生存环境，遍及地球每一个角落。它们之间彼此竞争，形成越来越强的获取能量的能力。虽然个体会死亡，但是祖先细胞的生命形式一直没有间断过。生命个体会死亡，物质会消散，但这些物质很快会被新的生命利用。生命在地球延续了35亿年，从未死亡。

今天，人类智慧让地球生命获得了星际旅行的潜能。祖先细胞发源于地球幽暗的角落，但是它的后代通过不断探索遍布整个星球。未来地球生命形式也可能突破地球的疆界，开始宇宙范围内的探索。这样即使有一天太阳熄灭，地球生命仍然可以在更大范围内延续下去，这样看生命是永生的。

真的是这样吗？生命系统用于对抗熵增的能量恰巧来自于其他系统熵增的过程。一个食肉动物通过捕食获得有机物，这些有机物中的能量可以维持自身的低熵，但代价是被捕食者的熵增。同样，地球生态系统通过吸收太阳能实现熵减，但太阳释放能量的过程是一个熵增过程。如果把地球生态系统和太阳看成一个系统，总的熵值还是增加的。当太阳核燃料燃烧殆尽，地球生态系统将不会再有能量输入，这个孤立的系统熵值不断增加，只有前往其他星球才能逃脱死亡命运。

但是，宇宙也许也是一个孤立系统，熵值也只能增加，即使地球生命散布到整个宇宙，也无法逃脱最终死亡的命运。熵增是宇宙的最终宿命，也决定了宇宙中所有生命系统的命运。 +bvZdh+zo+LxIQrfUAvid8aO7P2fjgl/LyUWOdZpN8aCtyHr5QmJAbWmx5sYTGUV