双相演化理论

节选自:中国科学院研究生院博士论文《可持续发展的理论探索及其在内蒙古草原的应用》

作者:徐光华

双相演化理论(DPE, Dual phase evolution)是澳大利亚莫纳什大学(Monash University)的David  Green等人提出的一个解释复杂系统演化的理论框架。这个理论来源与对生态系统演化的观察,包括:1)地质时间尺度上化石记录显示的物种进化的点断平衡,即物种数量在一个长时间内保持稳定,然后是一个大灭绝事件,并继之以一个短暂的大爆发期。2)第四纪孢粉学显示植被按物种组成可被划分为多个时期,各时期之间植被的物种组成相差很大,而它们之间的转变常常伴随着火灾。DEP理论的主要内容如下  (Green et al., 2006):

1)状态空间包括两个阶段(phase),一个阶段(exploration phase)由变异作用所主导,而另一个阶段(exploitation phase)由选择作用所主导。
2)随着两相转变的重复进行,系统所达到的复杂度逐渐增加。
3)两相之间的转变由外来干扰推动。
4)干扰过后,系统解耦为低连接度的斑块,此时使混沌可成为新奇性的来源。
5)随着时间流逝,系统的连接度逐渐变大。
6)当连接度大过阈值,不稳定的相互作用和适应度差的设计被自然选择所淘汰,剩下更复杂、稳定和有序的结构。(图3-5, 3-6)。

DPE理论解释了很多复杂现象,包括不断产生新奇性,模块化,无标度网络,临界性。DPE过程在不同尺度的大量的CAS被观察到:生态系统、社会经济系统、搜索算法等。 生态系统的DPE过程表现为:当景观的连接度小的时候,物种面临的选择压力较小,所以各种变异不致于立刻被淘汰,使得多样性增加。此时外来干扰也只在局部斑块上起作用,而没有全局影响。随着连接度变大,选择压力增大,使得一部分物种灭绝,多样性减小,系统进入稳定态,但干扰(如火灾)造成的影响也成为全局性,终使系统受到毁灭性打击,又回复到连接度低的相。系统处于不连接相时,趋向于平衡,表现出强的局部变异性,但很少有大尺度的变异。在连接度高的相,局部变动性小,但是对外界刺激的反应是难以预料的,在各个尺度上都展现出明显的变化。紧密的相互作用网络,在提供了稳定性机制的同时,也方便了干扰的传播。

DPE理论与SOC之间存在很多相似,但也有些不同。SOC理论认为复杂适应系统自组织到有序与混沌之间的临界状态,DPE理论认为复杂适应系统将在两相之间循环.

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