The Innovation | 生物圈的“上帝之手”：自组织系统的能量临界性

导

读

生物圈为何能够以单细胞开始，通过不断复杂的进化过程，最终演变成现在这样的丰富多彩呢？这背后是否有“上帝之手”的干预？研究发现，生物圈的进化和演变唯一的普遍机制为自组织性，而自组织性反映在生物、产品、生态系统、城市和国家系统、甚至信息系统，都具有极其近似的能量宏观转化效率，能量转化临界点的发现可以预估不同系统的发展边界。

图1 图文摘要

基于国家能值核算数据库（NEAD），本研究扩展和完善了生物圈演化过程的能量传递层级理论，揭示了能量总量（Exergy input）和能量品质（Transformity）之间存在的幂律分布规律。研究表明，在生物圈中，从单个生物到生态系统、从单个产品到供应链、从单个国家到全球、甚至从物质系统到信息系统都普遍遵循这一规律，这可能是生物圈的唯一模型或数学表达。

01

自组织理论

研究表明，生物圈层级系统具有高度的自组织性并成幂律分布（幂律指数=-1.054），这是自然和人类共同主导下的系统特征。本研究通过对全球1000余种产品和213个国家近15年的能值核算数据库进行研究分析，发现平均能量转化效率（Transformity）仅为14%（图2），远低于Odum和Pinkerton提出的生物物理系统最大功率输出的最佳效率，即50%。虽然最佳效率很难实现，但该研究成果也支持了Lotka和Odum的猜想：“自然界的实际法则之一，就是大多数自然或人工过程并没有以人们期望的最高效率运行，而是通过牺牲效率来获得更多的产出”。从该幂律分布也发现，生物圈的基本驱动力（太阳能、潮汐能和地热能）之和的对数值约为24。而当能量总量的对数趋于零时，转化率也趋于最大值24（图2）。这两个边界可能代表生物圈中可实现的最大能量转化潜力。

图2 生物圈中能量总量（Exergy input）和能量品质（Transformity）之间存在的幂律分布规律

通过定量研究，本研究提出了三个推论：

（a）生物圈层级转化中损失（耗散）了约86%的能量；

（b）生物圈的能量投入和能量品质均存在极限，而它们的极限从数值上几乎一致，对数值均约为24；

（c）由于不同尺度的能量转化，自组织系统会形成层级结构，但不同层级内的能量转化特征均符合幂律分布规律，且不存在特征尺度，也就是说，这种规律可能与尺度无关。

02

复杂性和规模之间的权衡关系

1906年，Pareto将人类社会定义为一个具有层级性的集体，并推导出了收入分配帕累托法则，即对于一个人口较多的群体，收入高于某一水平的人数的对数值与收入的对数值之间近似于一条直线。Zipf通过不同规模的城市数据发现了与Pareto一致的关系，即城市规模和等级之间服从位序-规模分布。Pareto和Zipf都认为，这些关系表明一种组织的度量，偏离直线的斜率表明不统一或不平等。本研究的结果也发现自然界生物圈呈现出较为明显的帕累托和Zipf分布。任何转化过程的可用能产出，都需要至少7倍的能量作为投入。

复杂性和规模之间存在着恒定的关系，但成因不明。本研究提出，通过集中足够的可用能量来支持系统中更高复杂层级的组成部分需要许多过程。每个过程产生少量但重要的可用能。当一个过程与其他同等规模的类似过程叠加时，就会产生足够量的可用能来支持更高的复杂层级。这与生态系统食物链类似，许多低营养级较小的生物体在热力学上支持更高营养级的较大生物体，最终导致能量转化的层级分布。

03

多尺度的进化

自然生物圈和人类主导的系统会受到可再生和不可再生的外能限制，同时会受到相对低效的转化率影响，但它们为了优化能量转化效率而自组织进化成复杂的层级结构。这种复杂性降低了转化过程的可用能，产生了少量高品质的物质/能量流，能够在较低层级上进行反馈控制，进一步增加了动态稳定性，从而提高了可持续能力。因此，如何确保我们设计出来的城市、国家等系统走向可持续的未来，不仅要考虑整体系统的复杂性，还要考虑各部门同时与资源禀赋和能量转化模式的匹配性。

总结和展望  

复杂的生物圈、自然、城市、国家、信息，可能都存在相通的、甚至是简单的内在发展逻辑。当今人类社会的发展仍在追求更高层级的系统，例如形成更大的公司、或全球化的实体等。然而更高层级的组织需要大量的直接和间接资源支持，但能源的总量是有限的，自组织系统也存在能量临界性，过度追求高层级可能会导致底层的压力、复杂系统的不确定性增加，甚至最终导致系统的崩溃。

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00094-1

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第二卷第四期以Report发表的“Energy constrains to increasing complexity in the biosphere” (投稿: 2020-11-28；接收: 2021-09-23；在线刊出: 2021-09-26)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100169

引用格式：Liu G., Yang Z., Giannetti B., et al. (2021). Energy constrains to increasing complexity in the biosphere. The Innovation. 2(4),100169.

作

者

简

介

刘耕源，北京师范大学教授，博士生导师，青年长江学者。担任国际能值协会中国分会秘书长、国际清洁生产网络亚太区主席等。长期致力于城市代谢、碳达峰与碳中和、生态产品价值实现等方面的研究，在PNAS, Cell子刊, ES&T, Water Research等期刊发表相关领域SCI论文100余篇。入选全球前2%顶尖科学家榜单（环境领域）。

本研究由北京师范大学、广东工业大学、Paulista University、University of Naples "Parthenope"、Ca' Foscari University of Venice、University of Florida等单位共同完成。杨志峰院士、Mark T. Brown教授和刘耕源教授为共同通讯作者。

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