余 濤，高章幸

（武漢商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430205）

1 微宇宙模型及其批評(píng)詰難

生態(tài)學(xué)中微宇宙是一個(gè)小型的、封閉的生態(tài)系統(tǒng)，諸如在巖石區(qū)潮水潭中的水蚤之類。微宇宙模型是用來表征自然生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)學(xué)模型，它很好地解決了野外實(shí)驗(yàn)的人力限制問題，易于復(fù)現(xiàn)，對(duì)環(huán)境因素提供了精確地控制，還能操縱和控制空間的異質(zhì)性，且受控條件下的微宇宙模型實(shí)驗(yàn)相對(duì)野外實(shí)驗(yàn)成本更低，實(shí)驗(yàn)周期更短，能更快地獲取有效數(shù)據(jù)。以土壤生態(tài)學(xué)為例，《土壤生物學(xué)》期刊1993—1998年發(fā)表的92 個(gè)生態(tài)系統(tǒng)模型研究中，只有19 個(gè)是在野外進(jìn)行的。但也有很多生態(tài)學(xué)家對(duì)微宇宙模型提出了質(zhì)疑：認(rèn)為微宇宙模型缺乏實(shí)在性，人工性太強(qiáng)，模型過于簡(jiǎn)單，小尺度實(shí)驗(yàn)結(jié)果無法外推到大尺度的野外環(huán)境中等等，這些批評(píng)大致歸為以下3 類。

第一，微宇宙模型過于簡(jiǎn)化，削弱了預(yù)測(cè)力。最明顯的一個(gè)簡(jiǎn)化就是僅涵蓋了野外真實(shí)生態(tài)系統(tǒng)中的某些物種，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)者為了易于處理和控制實(shí)驗(yàn)，排除了很多體積較大的物種。辛德勒考察分析了把水生微宇宙實(shí)驗(yàn)結(jié)果外推到湖泊中失敗的原因，將其歸因于微宇宙遺漏了自然系統(tǒng)中的一些重要的特征，如沉淀、水的相互作用、湖水更替時(shí)間、某些有機(jī)體的活動(dòng)等。

第二，微宇宙模型具有高度的人工性。如哈欽森就批評(píng)說，微宇宙實(shí)驗(yàn)室把有機(jī)體當(dāng)做活動(dòng)部件，本質(zhì)上是不準(zhǔn)確地類比計(jì)算機(jī)[1]。這不過是以實(shí)驗(yàn)室研究為基礎(chǔ)建構(gòu)出來的人工生態(tài)系統(tǒng)?？ㄅ筇刂赋?，微宇宙而非生態(tài)系統(tǒng)成為研究的主要目標(biāo)是一個(gè)認(rèn)知上的危險(xiǎn)[2]。盡管微宇宙實(shí)驗(yàn)有很多優(yōu)勢(shì)，但仍舊只是次要的和啟發(fā)性的[2]。生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)最重要的原則應(yīng)是通過野外實(shí)驗(yàn)而非實(shí)驗(yàn)室內(nèi)易于控制的人工系統(tǒng)再現(xiàn)自然生態(tài)系統(tǒng)的真實(shí)動(dòng)態(tài)。

第三，尺度問題。尺度是自然生態(tài)系統(tǒng)中觀察到的模塊和過程的一個(gè)重要決定因素[3]。因?yàn)槿郝浣Y(jié)構(gòu)和生物物理成分（如微地貌、土壤有機(jī)物的不停變化等） 可能不會(huì)沿著相同的維度增加[4]。尤其在水生生態(tài)學(xué)中，討論微宇宙研究的重要性，尺度是首要因素。由于生態(tài)系統(tǒng)并不具有單一的特征尺度，任一研究將會(huì)考慮多種不同的尺度范圍。而微宇宙在時(shí)空尺度上很小，它們不能表現(xiàn)出自然界中復(fù)雜的時(shí)空變異性，包括時(shí)間變化（日間活動(dòng)和季節(jié)性周期等） 和物理的異質(zhì)性，并且排除了在更大空間范圍內(nèi)發(fā)生的過程，如遷移。因此，很多批評(píng)者斷言，將小尺度的微宇宙實(shí)驗(yàn)結(jié)果外推到大尺度的野外環(huán)境存在著極大缺陷。

以上批評(píng)的關(guān)鍵在第三點(diǎn)，即小尺度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果外推到大尺度的復(fù)雜系統(tǒng)的不合理性。

2 基于類比推理的邏輯辯護(hù)

類比是兩個(gè)對(duì)象或者對(duì)象系統(tǒng)之間的一種對(duì)比，強(qiáng)調(diào)相似性。類比推理根據(jù)兩個(gè)對(duì)象或?qū)ο笙到y(tǒng)的屬性在某些方面相似，如果其中的一個(gè)對(duì)象或者對(duì)象系統(tǒng)具有某種屬性，則推出另一個(gè)也有相應(yīng)的屬性。

海西在《科學(xué)的模型和類比》中以氣體動(dòng)力學(xué)理論為例，用表格形式完整地刻畫了形式化類比推理并區(qū)分了三種類比關(guān)系。如果把一組隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的臺(tái)球看作是氣體的模型，那么臺(tái)球有一些氣體分子所沒有的屬性。所謂的否定類比，就是從屬于臺(tái)球而不屬于氣體分子的屬性。而肯定類比指的是一些同時(shí)從屬于兩者的屬性，如運(yùn)動(dòng)屬性。海西指出，科學(xué)中模型的重要之處是，有些尚未知曉它們是肯定類比還是否定類比的屬性，可以把這第三種屬性稱為中立類比[4]。如果氣體真的像一組臺(tái)球，除了考慮已知的類比推理外，根據(jù)有關(guān)臺(tái)球機(jī)制的知識(shí)，就能做出氣體行為的新預(yù)測(cè)[4]。

那么，什么樣的一個(gè)類比推理過程才是有效的呢？海西在此將因果關(guān)系考慮進(jìn)來，她列舉了月球和地球類比的例子[4]，見表1。

表1 地球和月球?qū)傩苑治?/p>

由表1 可知，這里存在著兩個(gè)維度上的關(guān)系：即水平方向上同一或者不同的關(guān)系和垂直方向?qū)傩灾g的因果關(guān)系。在形狀屬性上，月球和地球是一個(gè)肯定的類比關(guān)系，大氣屬性是一個(gè)否定的類比，生命屬性上則是一個(gè)中立類比。那么，基于怎樣的情形，可以從地球上有生命這一屬性推出月球上有無生命呢？海西指出，論證的有效性將取決于兩點(diǎn)：一是在水平方向上，源域和目標(biāo)域在本質(zhì)屬性之間的關(guān)系上是否有肯定的類比關(guān)系；二是垂直方向上，已知的作為肯定類比或者否定類比的部分屬性和新的未知屬性之間是否有著因果關(guān)系[4]。

根據(jù)有關(guān)地球生命的經(jīng)驗(yàn)，大氣是地球的本質(zhì)屬性，且一致認(rèn)為大氣是否存在對(duì)于有無生命是一個(gè)必要條件。由此，推出月球中沒有生命。

不難發(fā)現(xiàn)，在生態(tài)學(xué)研究中，微宇宙模型和自然生態(tài)系統(tǒng)之間正是這樣的一種類比機(jī)制。即通過在一個(gè)小型的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，找出基于何種條件可以產(chǎn)生某類過程，例如在種群生態(tài)學(xué)中，人們的興趣點(diǎn)在于種群的哪些動(dòng)態(tài)產(chǎn)生了相應(yīng)的行為。只是在源域和目標(biāo)域的類比關(guān)系之間，不僅存在一些肯定類比關(guān)系，而且還有一些否定類比，正是后者使得批評(píng)者對(duì)微宇宙模型抱有偏見。

以種群生態(tài)學(xué)為例，考察微宇宙模型中浮游動(dòng)物種群和自然水生生態(tài)系統(tǒng)中的浮游動(dòng)物種群的容納量。為了便于論證，文中也僅列出部分屬性[5]，見表2。

表2 微宇宙和自然系統(tǒng)中浮游動(dòng)物種群的容納屬性分析

由表2 可知，肯定類比關(guān)系的屬性有3 個(gè)；否定類比關(guān)系的屬性有2 個(gè)；中立類比是容納量，也就是要預(yù)測(cè)的新屬性。對(duì)于食物供給這一屬性，盡管不是同一的，但是它們?cè)谀承┓矫娲嬖谙嗨菩裕此蓄A(yù)期在微宇宙和自然種群中的有機(jī)體都是充分滿足的。

給定以下或真或假的命題：

A 棲息地的大小決定容納量；

B 食物供給決定容納量；

C 食物供給有限；

D 棲息地尺度很小。

進(jìn)一步基于此因果理論，作出以下前提：

因果前提P1：棲息地大小決定容納量或者食物供給決定容納量；

因果前提P2：食物供給決定容納量，當(dāng)且僅當(dāng)食物供給是有限的；

經(jīng)驗(yàn)前提P3：食物供給在微宇宙種群中是豐富的；

經(jīng)驗(yàn)前提P4：食物供給在自然種群中是豐富的；

經(jīng)驗(yàn)前提P5：容納量在微宇宙種群中很小。

由此，具體的論證是：

P1：A∨B

P2：B?C

P3：?C

P4：?C

P2∧P3∧P4→?B

P1∧?B→A

即棲息地大小決定容納量。

該論證有兩個(gè)肯定類比，在微宇宙種群和自然種群中，食物供給不決定容納量，而棲居地大小決定了微宇宙種群和自然種群的容納量。此外，根據(jù)已有的知識(shí)證實(shí)了該過程中，并沒有其他的因果否定的類比關(guān)系。由此，得出容納量在自然水生生態(tài)系統(tǒng)中也很小。

那么這個(gè)論證在何種程度上是有效的呢？關(guān)鍵在于上述兩條，一是微宇宙模型和目標(biāo)對(duì)象的本質(zhì)屬性是相似或者同一，即在本質(zhì)屬性上二者是肯定類比關(guān)系，諸如這里的食物供給在微宇宙上是隨意的，并在自然界中也是豐富的；二是垂直關(guān)系上，這里本質(zhì)屬性和中立類比關(guān)系的屬性之間存在相應(yīng)的因果關(guān)系，即這里的因果前提P1 和P2 為真。

那么究竟如何確定哪些屬性是本質(zhì)屬性呢？即哪些屬性必須是肯定類比關(guān)系呢？來看種群滅絕理論，種群的內(nèi)稟增長率表示在一個(gè)較短時(shí)間區(qū)間內(nèi)種群的平均個(gè)體增長率，為瞬時(shí)出生率和瞬時(shí)死亡率的差值。由于內(nèi)稟增長率在理論設(shè)想的因果條件中很重要，因此可以推測(cè)它是本質(zhì)屬性。反之，則不會(huì)期望某種棲息地邊界對(duì)容納量有影響，這種區(qū)別可能被忽視了。當(dāng)然，這只是一個(gè)推測(cè)并很可能是錯(cuò)的，但是這只是理論本身的錯(cuò)誤而不是微宇宙模型系統(tǒng)自身的缺陷。進(jìn)一步講，人們又該如何保證垂直方向的因果關(guān)系為真呢？如果有充分理由相信，目標(biāo)系統(tǒng)中并不存在微宇宙模型垂直的因果關(guān)系，那么類比推理是失效的。然而，由于人類所研究自然界中的對(duì)象是極其復(fù)雜的，對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)中因果機(jī)制的知識(shí)極其匱乏以至于無法展開推測(cè)，因此唯一的可行方案就是通過微宇宙模型在一定程度上去解析真實(shí)條件下的現(xiàn)象機(jī)制。

3 微宇宙模型是自然生態(tài)知識(shí)的試金石

批評(píng)者對(duì)微宇宙模型系統(tǒng)的曲解在于，實(shí)驗(yàn)室中的微宇宙并不是為了成為自然系統(tǒng)的縮小，生態(tài)學(xué)家建模并不是為了如實(shí)地復(fù)制野外的自然生態(tài)系統(tǒng)，這在實(shí)踐上是不可能的，也不是他們的初衷。批評(píng)者指責(zé)微宇宙模型的不真實(shí)性、人工性以及尺度太小其實(shí)是不了解建模的真實(shí)意圖。恰恰相反，實(shí)驗(yàn)室模型系統(tǒng)簡(jiǎn)化自然使其更加容易理解，檢驗(yàn)人類對(duì)生態(tài)是否理解在于是否能夠預(yù)測(cè)某個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的行為，而不管在野外還是實(shí)驗(yàn)室中[3]。微宇宙（模型系統(tǒng)） 是理論和自然之間的橋梁，它們通過簡(jiǎn)化自然環(huán)境來擴(kuò)大對(duì)自然過程的認(rèn)識(shí)[6]。微宇宙影響力巨大的一個(gè)重要原因是，它們對(duì)生態(tài)過程提供了一種機(jī)制的理解，而非現(xiàn)象層面的理解[7]。通過人工建模中的因果機(jī)制來解釋自然現(xiàn)象，盡管有時(shí)所用的類比機(jī)制是錯(cuò)誤的（即并不存在相應(yīng)的垂直方向的因果關(guān)系），但這只是該具體類比推理的失敗，而并非微宇宙模型自身的問題。微宇宙模型可以探討自然界中各種“可能的”因果機(jī)制，是探索并檢驗(yàn)自然界中可能存在機(jī)制的最佳試驗(yàn)法。試問，如果理論在控制條件下失敗了，那么又有什么樣的機(jī)會(huì)能使它在自然界中成功呢？因此，在微宇宙中學(xué)習(xí)這些失敗的教訓(xùn)比起野外進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)更為方便且代價(jià)更小。這就是為何越來越多的生態(tài)學(xué)家在完全抽象的數(shù)學(xué)模型研究、人工的微宇宙模型研究以及野外實(shí)驗(yàn)研究之間，更多且更愿意去選擇折中的微宇宙模型，微宇宙既保持了生物的細(xì)節(jié)，又降低了自然系統(tǒng)中大量相互作用物種的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性以及物種間的關(guān)聯(lián)度，它填補(bǔ)了抽象的數(shù)學(xué)模型和不受干擾的自然系統(tǒng)之間的空隙[7]。

總之，微宇宙模型和自然生態(tài)系統(tǒng)具有相似性或同一性，它通過假設(shè)并檢驗(yàn)各種因果理論來解釋自然。對(duì)于一些因果機(jī)制，在野外環(huán)境下難以進(jìn)行檢驗(yàn)，但在人工受控環(huán)境的微宇宙中卻可以，這種易于操作、成本較低、小尺度且可復(fù)現(xiàn)的微宇宙模型，在發(fā)現(xiàn)機(jī)制并解釋自然生態(tài)系統(tǒng)如何產(chǎn)生相關(guān)現(xiàn)象上是非常重要的。一言蔽之，微宇宙模型正是野外生態(tài)系統(tǒng)知識(shí)最方便的試金石。