耗散结构理论与生命科学的发展

耗散结构理论与生命科学的发展孙毅当代,由于耗散结构理论与其它学科的交叉,促进了我们对诸多学科的新认识。这种新认识的实质在于加深了我们对事物本质的揭示。耗散结构理论是普利高津领导的布鲁塞尔学派建立的关于在远离平衡点的状态下,可能出现稳定化的有序的耗散结...     

进化论系列讲座(三十一) 涨落与有序结构形成

<正>前文说到,普利高津的耗散结构理论把远离平衡态作为自组织现象产生的必要条件之一。除此之外,系统产生不稳定现象却又能形成稳定的有序结构的另一个必要条件,是系统的动力学过程中包含的非线性反馈步骤。反馈的概念来自于控制论——系统输出的信息又被输入回系统,调节控制系统的再输出,这一过程称之为反馈。反馈有正反馈和负反馈两种基本类型。一般情况下,负反馈是维持系统稳定的反馈,正反馈则是放大系统偏离的反馈。     

耗散结构、等级系统理论与生态系统

耗散结构理论与其他热力学概念一起,可以解释生态学中的许多现象。生态系统是耗散系统,用耗散结构理论来分析和讨论生态平衡等问题更为合理、准确。等级系统理论是为理解和研究高度复杂系统而发展起来的系统理论。等级系统理论为研究生态系统的行为和特征提供了客观的、适用的概念构架和实践指南,并为生态系统科学的统一性理论的形成开辟了广阔前景。本文拟就耗散结构理论和等级系统理论的主要内容及其在生态学中的应用作一介绍和讨论。     

耗散结构,等级系统理论与生态系统

耗散结构理论与其他热力学概念一起,可以解释生态学中的许多现象。生态系统是耗散系统,用耗散结构理论来分析和讨论生态平衡等问题更为合理、准确。等级系统理论是为理解和研究高度复杂系统而发展起来的系统理论。等级系统理论为研究生态系统的行为和特征提供了客观的、适用的概念构架和实践指南,并为生态系统科学的统一性理论的形成开辟了广阔前景。本文拟就耗散结构理论和等级系统理论的主要内容及其在生态学中的应用作一介绍和讨论。     

生物大分子的自复制和耗散结构的形成

近代的理论生物学指出,生命是结构和功能上高度有序的自复制和自组织的系统。为了解释生命须得首先澄清生命秩序的意义。按照平衡态热力学理论,物质结构的形成仅能在充分低的温度下实现,形成之后就与环境独立,例如晶体。因此,它不能用解释生命秩序的形成和演化。生命结构是个非平衡的动力体系,它在常温下不断地与外界交换着物质和能量,自我复制和自我组织。因为此种结构是在远离平衡态依靠耗散过程而形成和维持的,故命名为耗散结构。但是,耗散结构在无机界也大有存在,例如著名的B(?)nard现象。那么,生命体的耗散结构的形成有何深刻的特征呢?据比     

耗散结构理论在医院学科建设中的应用思考

基于耗散结构的特征分析,阐释医院学科建设符合耗散结构的开放性、远离平衡态、非线性相互作用和涨落的四大特点。提出面对不断变化着的外部环境, 医院学科建设应遵循耗散结构形成的特征,采取开放式思维、差异化定位,及时把握和充分利用各种非线性作用下的涨落, 积极创造各种有利于学科形成和健康发展的条件,推动学科建设不断地进化与发展。

     

用耗散结构理论对莫高窟园林用水的分析

通过莫高窟园林用水的调查,发现平均灌溉量为8366mm,远高于敦煌农田的灌水量2250mm,并且全部通过土壤表面蒸发和植物蒸腾耗散掉了.这就出现了一个实际用水量很高的地方,它仍然表现为缺水的悖逆现象.而且也远大于以水面为基础当地的耗散量2486mm.应用 Penman的蒸散指数、Thornthwaite的蒸散指数、Holdridge生命地带指标等进行比较研究,结果仍然不能解释莫高窟存在的现象.通过对于莫高窟的温度、光照、湿度、风速、热量、土壤结构、浇灌方式等与水分耗散有关的因子进行深入的调查与分析后,发现这个现象与耗散结构理论相吻合.应用耗散结构理论解释了在莫高窟园林用水中存在的一个似非而是的问题.水的耗散结构理论对西北干旱地区的水资源利用有重要意义.应用耗散结构理论与前人对水分耗散方面的研究并不矛盾,完全可以在这一理论指导下统一起来,有望建立起统一的水分耗散应用模型.同时对与耗散结构理论相关的熵问题进行了探讨,认为这个问题与时间问题一样,是认识的主体——人的心理错觉,并没有物质上的实质.     

耗散结构理论与农田杂草系统控制策略初探

一、农田杂草系统控制与耗散结构理论耗散结构理论阐明了一个开放系统由混沌无序向有序态进化的过程和规律。生态系统属耗散结构已得到论证。作为农田生态系统,在开放性、非平衡性、相干性和随机涨落机制四方面,与自然生态系统相似,均满足耗散结构的构成条件,因此,农田生态系统也属耗散结构。农田杂草防除实质上是农田生态系统的调     

生命现象与化学耗散结构

在简单介绍了耗散结构理论的基础上,探讨了生命现象与耗散结构之间的联系,阐述了用化学耗散结构理论解释各种生物有序现象(如生物形态和生物振荡)和生物进化现象的可能性。强调了生命科学与非生命科学相结合的重要性。     

非平衡系统的概率模型及Master方程的建立(简报)

(一)近年来,I.Prigogine及其合作者所提出的远离平衡态的耗散结构理论受到人们的注意。目前的发展是:除了反应扩散方程的分支点分析以外,开始提出了某些模型的非线性及多元线性Master方程;并且开始应用它对非平衡系统进行研究,提出了一些应用于化学及生物过程的想法。本文在分析他们工作的基础上,提出了非平衡系统的概率假定,从而明确了这种系统的一般概率模型及各个物理参量的概率意义;根据这些假定,应用概率论的方法建立了一般的非线性Master方程及多元线性Master方程;讨论了它们与宏观动力学方程的一致性,从而看出作为模型来说,讨论多元线性     

草原生态系统损害鉴定评估体系及管理建议

如何科学合理的确定生态系统是否受到损害、损害到什么程度、损害赔偿如何估算等问题已成为环境管理、环境司法工作所面临的紧迫的现实问题。以生态学、复合生态系统生态学、可持续发展的理论为指导,基于损害基线判定损害事件发生,借此鉴定草原生态系统损害状态及鉴定等级,并从受损生态系统的功能与结构角度提出草原生态环境损害鉴定评估体系,开展对草原生态系统损害的程度评估;最后针对草原生态系统的损害赔偿价值提出量化评估的方法,借此推动生态环境损害鉴定评估法的制定和完善生态环境损害鉴定评估技术体系两个方面提出管理建议。     

森林生态系统健康评估I．模式、计算方法和指标体系

生态系统健康评估是21世纪生态系统学研究的主要内容和迫切任务之一．简单实用的生态系统健康评估理论和方法需要可操作性的概念和一个全面、简明、易操作且规范化的指标体系,它们是进行生态系统健康评估的基础．以阔叶红松林生态系统为例,从对森林生态系统健康的理解和评价出发。通过引入模式生态系统集的思想,提出了对森林生态系统健康理解的独创看法,并以此提出生态系统健康评估的新方法——健康距离(HD)法,并推导出计算公式．同时,针对阔叶红松林生态系统的系统特征和面临的各种具体健康问题,提出了基于自然-经济-社会复合生态系统属性的阔叶红松林生态系统健康评估指标体系,并具体到各度量指标,为下一步的健康评估打下基础．     

西北地区草地生态系统生态安全评价初探

草地生态系统是我国西北生态脆弱地区的重要组成部分,开展其生态安全的评价对于西部大开发战略的实施有着重要的指导作用,对维护西部地区的政治稳定、经济可持续发展、军事安全等有着不可估量的价值.通过对西北生态脆弱地区草地生态系统现状的剖析,阐述了开展草地生态系统生态安全评价的意义,确立了草地生态系统生态安全评价的原则,分析影响草地生态系统生态安全的6个主要因子:人类活动、草地生态系统功能、植被群落动态、气候变化、土壤条件、有害生物等.在此基础上,初步构建草地生态安全评价的理论指标体系.     

生态系统稳态转换检测研究进展

在气候变化、人类活动等影响下,生态系统结构和功能可能发生大规模的突变,导致生态系统从一个相对稳定的状态进入另一个稳定状态,这种现象称为稳态转换。由于生态系统的复杂性,准确刻画生态系统多稳态并界定其临界点尚存在挑战,提升对生态系统稳态转换的检测和预测能力依旧是生态学领域研究的热点和难题。基于多稳态理论和稳态转换经典概念框架,阐释了稳态转换检测的理论基础;归纳总结出四种稳态转换检测方法的原理和优劣势;鉴于稳态转换的尺度依赖性,梳理了单一生态系统、区域综合生态系统和全球生态系统不同尺度下的稳态转换检测方法、研究思路和应用案例。基于研究进展和问题现状,提出在未来研究中,亟待发展适应复杂系统的综合检测方法;创新稳态转换多尺度分析的技术方法体系;深化生态系统稳态转换驱动机制研究,构建多元耦合机理模型;进而深化稳态转换检测结果链接生态系统管理的实践研究;解析生态系统服务和可持续发展机制。     

基于熵理论的城市生态系统服务流定量评估——以北京市为例

量化评价生态系统的服务功能是合理开发生态资源、实现可持续发展的重要前提.生态系统服务流能够为生态系统服务功能的量化评估提供解决方案.本文以四大生态系统服务类型为框架,构建了城市生态系统服务流评估体系;将生态系统服务流重新分类,引入熵理论,对指标及系统无序度、发展演变方向进行定量评价;并以北京市为研究对象,选择24个因子开展案例研究.结果表明:2004—2015年间,北京城市生态系统服务总熵值为0.794,总熵流为-0.024,系统无序度较大,濒临非健康状态;系统熵值3次取得极值,3个变化周期内系统熵值的年平均变化幅度逐渐增大,说明人为活动对城市生态系统干预强度增大;2007年熵流达到最小值,生态环境质量最高;北京市常住人口总数与城市生态系统熵流拟合函数的决定系数为0.921,说明人口数量与城市生态环境状态有很强的相关性.     

河流景观生态服务供给与需求/消费的互馈机制

河流景观系统孕育了人类文明,为人类社会提供类型多样的生态系统服务。其本身是一个自然景观过程和社会经济过程高度耦合的社会-生态系统,具有极高的空间异质性、时间动态和鲜明的组织尺度等级结构。当前,对河流景观系统这种特点所决定的生态系统服务供给与需求/消费互馈的机制研究不够深入,普遍缺乏从过程角度刻画生态服务供给与需求/消费互馈关系及其时空异质性和尺度特征。生态服务供给、需求和消费产生于社会-生态系统,是社会-生态耦合的纽带。阐述了河流景观生态服务供给和需求/消费的时空异质性,阐释了它们时空耦合机制和尺度特征,梳理了当前对生态服务供给、需求/消费互馈机理研究的不足。认为未来需要在社会-生态系统的框架下,从景观结构和生态过程出发,融合景观生态过程和社会过程来深入认识河流景观系统的生态服务供给与区内人类对生态服务的需求/消费之间的互馈机制。未来应重点关注：（1）河流景观结构和过程决定的生态服务供给和消费的空间分异及驱动机制;（2）河流生态服务传输的自然和人文载体及其耦合格局;（3）将生态服务需求/消费通过景观结构和生态过程对生态服务供给的反馈融入生态服务评估的方法框架,研发基于生态服务供给和需求/消费的社会-生态互馈过程模型。     

“山地-绿洲-荒漠”复合系统土地利用变化的生态系统服务权衡与协同效应——以张掖市为例

开展复合生态系统土地利用变化的生态服务效应研究可为优化国土空间格局和强化生态系统管理提供重要的基础依据。以干旱区"山地-绿洲-荒漠"复合系统的典型区域张掖市为例，基于1987年、2000年和2018年3期土地利用数据，以乡级行政区为基本单元，引入相对优势度指数划分山地、绿洲、荒漠子系统，研究复合系统的土地利用变化特征及生态系统服务权衡/协同效应。结果表明：（1）张掖市复合系统呈现地域分异特征，由南部山地系统，中部绿洲系统和北部荒漠系统构成；山地系统以林地和草地为主，绿洲系统以耕地和建设用地为主，荒漠系统以未利用地为主。（2）从时间上看，2000-2018年各系统的土地利用变化更强烈，其中，绿洲系统的耕地面积增加量最大，为363.08km²，荒漠系统的建设用地面积增加幅度最大，为78.23%。各系统土地利用转移模式为：山地系统以草地转耕地为主，绿洲系统和荒漠系统以未利用地转耕地为主。（3）张掖市复合系统的生态服务价值呈增加趋势，其中，荒漠系统生态服务价值量的增幅最大，各子系统的价值量之间的关系表现为山地系统 > 绿洲系统 > 荒漠系统，耕地对各系统生态服务价值贡献量最大。（4）张掖市土地利用变化的协同效应大于权衡效应，其中荒漠系统的生态服务之间均为协同关系，山地系统中供给服务与其他服务呈现权衡关系，占比32.73%，绿洲系统中调节服务与其他服务呈现权衡关系，占比18.18%。     

国家尺度自然保护地生态系统联网监测指标体系构建与应用研究

自然保护地是维护国家生态安全, 提升生物多样性保护成效的重要载体, 对保护地生态系统进行实时、高频、多尺度的监测是认知其动态变化的有效手段, 也是实现自然保护地生态系统健康管理的基石。由于目前我国没有形成自然保护地生态系统监测网络, 缺少统一的联网监测指标体系, 导致多数自然保护地生态系统组成家底不清、动态不明, 应对生物多样性保护新问题的能力不足, 并且在国家尺度上的自然保护地生态系统健康状况及保护成效评估缺乏联网监测数据支撑。因此, 亟需构建国家尺度的自然保护地生态系统组成和动态监测网络, 以及一套科学、系统、规范的自然保护地生态系统联网监测指标体系。该文针对自然保护地生物多样性和生态系统监测的目标和内容, 参考国内外现有的生态系统监测网络的指标体系, 确定了自然保护地生态系统联网监测指标体系建立和选取的基本原则, 建立了一套适用于国家尺度的自然保护地生态系统联网监测指标体系, 并在6个国家级自然保护区进行示范。构建的指标体系针对构成生态系统的6类关键要素(生境要素、生物要素、气象要素、土壤要素、大气和水环境要素、景观要素)制定了30个监测指标, 有效应用于森林、草地、荒漠、湿地等生态系统类型的自然保护地, 能够实现对不同类型自然保护地生态系统组分和结构的现状和演变特征进行长期、动态化监测, 并可为自然保护地保护成效评估和健康管理提供规范化、标准化的基础数据。     

中国生物多样性与生态系统服务评估指标体系

生物多样性和生态系统服务评估是生态系统管理与决策制定的重要依据,指标体系是开展评估的主要工具。中国在生物多样性与生态系统服务评估指标体系建设方面,由于没有形成统一的指标体系和技术方法,导致不同区域间的评估结果可比性差,区域和国家尺度上的集成研究难以开展。因此,构建一套适用于中国国家尺度的科学化、系统性和规范化的生物多样性和生态系统服务评估指标体系,便成为当前迫切需要研究解决的问题。本文参考国内外生物多样性与生态系统服务评估的主要研究成果,在充分考虑"生物多样性—生态系统结构—过程与功能—服务"级联关系基础上,建立了生物多样性与生态系统服务评估指标体系构建的主要原则,构建了中国生物多样性与生态系统服务评估指标体系。     

基于“生态系统服务网”理论的国土空间规划研究

生态环境恶化使国土空间的管理从重视开发到重视保护转变，相应的思想体系、理论体系与管理机制需要打破旧的路径依赖，建立新的国土空间规划体系。生态系统服务网理论将生态系统服务供给与需求融合到一起，推动生态系统服务"一张网"与国土空间规划"一张图"的衔接。（1）生态系统服务网的网络属性诠释了山水林田湖草-人生命共同体思想体系；（2）生态系统服务网理论强调供给与需求的有效匹配与融合，是国土空间规划的重要依据；（3）生态系统服务网的尺度特征与国土空间规划层级体系存在对应关系，有助于规划的传导与实施；（4）生态系统服务网中供给能力和空间需求匹配的评价是"双评价"的主要内容，为"三区三线"的划定与落地提供了依据；（5）生态系统服务网的价值评估、空间制图与优化，为确定国土空间开发边界与规模奠定了基础，为两山转化路径提供思路和依据，可有效促进国土空间的高质量开发利用。