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.