对生态学微宇宙模型的逻辑辩护*——基于类比推理的方式

余 涛，高章幸

（武汉商贸职业学院，湖北 武汉 430205）

1 微宇宙模型及其批评诘难

生态学中微宇宙是一个小型的、封闭的生态系统，诸如在岩石区潮水潭中的水蚤之类。微宇宙模型是用来表征自然生态系统的生态学模型，它很好地解决了野外实验的人力限制问题，易于复现，对环境因素提供了精确地控制，还能操纵和控制空间的异质性，且受控条件下的微宇宙模型实验相对野外实验成本更低，实验周期更短，能更快地获取有效数据。以土壤生态学为例，《土壤生物学》期刊1993—1998年发表的92 个生态系统模型研究中，只有19 个是在野外进行的。但也有很多生态学家对微宇宙模型提出了质疑：认为微宇宙模型缺乏实在性，人工性太强，模型过于简单，小尺度实验结果无法外推到大尺度的野外环境中等等，这些批评大致归为以下3 类。

第一，微宇宙模型过于简化，削弱了预测力。最明显的一个简化就是仅涵盖了野外真实生态系统中的某些物种，这是因为实验者为了易于处理和控制实验，排除了很多体积较大的物种。辛德勒考察分析了把水生微宇宙实验结果外推到湖泊中失败的原因，将其归因于微宇宙遗漏了自然系统中的一些重要的特征，如沉淀、水的相互作用、湖水更替时间、某些有机体的活动等。

第二，微宇宙模型具有高度的人工性。如哈钦森就批评说，微宇宙实验室把有机体当做活动部件，本质上是不准确地类比计算机[1]。这不过是以实验室研究为基础建构出来的人工生态系统。卡朋特指出，微宇宙而非生态系统成为研究的主要目标是一个认知上的危险[2]。尽管微宇宙实验有很多优势，但仍旧只是次要的和启发性的[2]。生态学实验最重要的原则应是通过野外实验而非实验室内易于控制的人工系统再现自然生态系统的真实动态。

第三，尺度问题。尺度是自然生态系统中观察到的模块和过程的一个重要决定因素[3]。因为群落结构和生物物理成分（如微地貌、土壤有机物的不停变化等） 可能不会沿着相同的维度增加[4]。尤其在水生生态学中，讨论微宇宙研究的重要性，尺度是首要因素。由于生态系统并不具有单一的特征尺度，任一研究将会考虑多种不同的尺度范围。而微宇宙在时空尺度上很小，它们不能表现出自然界中复杂的时空变异性，包括时间变化（日间活动和季节性周期等） 和物理的异质性，并且排除了在更大空间范围内发生的过程，如迁移。因此，很多批评者断言，将小尺度的微宇宙实验结果外推到大尺度的野外环境存在着极大缺陷。

以上批评的关键在第三点，即小尺度的实验结果外推到大尺度的复杂系统的不合理性。

2 基于类比推理的逻辑辩护

类比是两个对象或者对象系统之间的一种对比，强调相似性。类比推理根据两个对象或对象系统的属性在某些方面相似，如果其中的一个对象或者对象系统具有某种属性，则推出另一个也有相应的属性。

海西在《科学的模型和类比》中以气体动力学理论为例，用表格形式完整地刻画了形式化类比推理并区分了三种类比关系。如果把一组随机运动的台球看作是气体的模型，那么台球有一些气体分子所没有的属性。所谓的否定类比，就是从属于台球而不属于气体分子的属性。而肯定类比指的是一些同时从属于两者的属性，如运动属性。海西指出，科学中模型的重要之处是，有些尚未知晓它们是肯定类比还是否定类比的属性，可以把这第三种属性称为中立类比[4]。如果气体真的像一组台球，除了考虑已知的类比推理外，根据有关台球机制的知识，就能做出气体行为的新预测[4]。

那么，什么样的一个类比推理过程才是有效的呢？海西在此将因果关系考虑进来，她列举了月球和地球类比的例子[4]，见表1。

表1 地球和月球属性分析

由表1 可知，这里存在着两个维度上的关系：即水平方向上同一或者不同的关系和垂直方向属性之间的因果关系。在形状属性上，月球和地球是一个肯定的类比关系，大气属性是一个否定的类比，生命属性上则是一个中立类比。那么，基于怎样的情形，可以从地球上有生命这一属性推出月球上有无生命呢？海西指出，论证的有效性将取决于两点：一是在水平方向上，源域和目标域在本质属性之间的关系上是否有肯定的类比关系；二是垂直方向上，已知的作为肯定类比或者否定类比的部分属性和新的未知属性之间是否有着因果关系[4]。

根据有关地球生命的经验，大气是地球的本质属性，且一致认为大气是否存在对于有无生命是一个必要条件。由此，推出月球中没有生命。

不难发现，在生态学研究中，微宇宙模型和自然生态系统之间正是这样的一种类比机制。即通过在一个小型的生态系统进行实验，找出基于何种条件可以产生某类过程，例如在种群生态学中，人们的兴趣点在于种群的哪些动态产生了相应的行为。只是在源域和目标域的类比关系之间，不仅存在一些肯定类比关系，而且还有一些否定类比，正是后者使得批评者对微宇宙模型抱有偏见。

以种群生态学为例，考察微宇宙模型中浮游动物种群和自然水生生态系统中的浮游动物种群的容纳量。为了便于论证，文中也仅列出部分属性[5]，见表2。

表2 微宇宙和自然系统中浮游动物种群的容纳属性分析

由表2 可知，肯定类比关系的属性有3 个；否定类比关系的属性有2 个；中立类比是容纳量，也就是要预测的新属性。对于食物供给这一属性，尽管不是同一的，但是它们在某些方面存在相似性，即所有预期在微宇宙和自然种群中的有机体都是充分满足的。

给定以下或真或假的命题：

A 栖息地的大小决定容纳量；

B 食物供给决定容纳量；

C 食物供给有限；

D 栖息地尺度很小。

进一步基于此因果理论，作出以下前提：

因果前提P1：栖息地大小决定容纳量或者食物供给决定容纳量；

因果前提P2：食物供给决定容纳量，当且仅当食物供给是有限的；

经验前提P3：食物供给在微宇宙种群中是丰富的；

经验前提P4：食物供给在自然种群中是丰富的；

经验前提P5：容纳量在微宇宙种群中很小。

由此，具体的论证是：

P1：A∨B

P2：B↔C

P3：¬C

P4：¬C

P2∧P3∧P4→¬B

P1∧¬B→A

即栖息地大小决定容纳量。

该论证有两个肯定类比，在微宇宙种群和自然种群中，食物供给不决定容纳量，而栖居地大小决定了微宇宙种群和自然种群的容纳量。此外，根据已有的知识证实了该过程中，并没有其他的因果否定的类比关系。由此，得出容纳量在自然水生生态系统中也很小。

那么这个论证在何种程度上是有效的呢？关键在于上述两条，一是微宇宙模型和目标对象的本质属性是相似或者同一，即在本质属性上二者是肯定类比关系，诸如这里的食物供给在微宇宙上是随意的，并在自然界中也是丰富的；二是垂直关系上，这里本质属性和中立类比关系的属性之间存在相应的因果关系，即这里的因果前提P1 和P2 为真。

那么究竟如何确定哪些属性是本质属性呢？即哪些属性必须是肯定类比关系呢？来看种群灭绝理论，种群的内禀增长率表示在一个较短时间区间内种群的平均个体增长率，为瞬时出生率和瞬时死亡率的差值。由于内禀增长率在理论设想的因果条件中很重要，因此可以推测它是本质属性。反之，则不会期望某种栖息地边界对容纳量有影响，这种区别可能被忽视了。当然，这只是一个推测并很可能是错的，但是这只是理论本身的错误而不是微宇宙模型系统自身的缺陷。进一步讲，人们又该如何保证垂直方向的因果关系为真呢？如果有充分理由相信，目标系统中并不存在微宇宙模型垂直的因果关系，那么类比推理是失效的。然而，由于人类所研究自然界中的对象是极其复杂的，对目标系统中因果机制的知识极其匮乏以至于无法展开推测，因此唯一的可行方案就是通过微宇宙模型在一定程度上去解析真实条件下的现象机制。

3 微宇宙模型是自然生态知识的试金石

批评者对微宇宙模型系统的曲解在于，实验室中的微宇宙并不是为了成为自然系统的缩小，生态学家建模并不是为了如实地复制野外的自然生态系统，这在实践上是不可能的，也不是他们的初衷。批评者指责微宇宙模型的不真实性、人工性以及尺度太小其实是不了解建模的真实意图。恰恰相反，实验室模型系统简化自然使其更加容易理解，检验人类对生态是否理解在于是否能够预测某个生态系统的行为，而不管在野外还是实验室中[3]。微宇宙（模型系统） 是理论和自然之间的桥梁，它们通过简化自然环境来扩大对自然过程的认识[6]。微宇宙影响力巨大的一个重要原因是，它们对生态过程提供了一种机制的理解，而非现象层面的理解[7]。通过人工建模中的因果机制来解释自然现象，尽管有时所用的类比机制是错误的（即并不存在相应的垂直方向的因果关系），但这只是该具体类比推理的失败，而并非微宇宙模型自身的问题。微宇宙模型可以探讨自然界中各种“可能的”因果机制，是探索并检验自然界中可能存在机制的最佳试验法。试问，如果理论在控制条件下失败了，那么又有什么样的机会能使它在自然界中成功呢？因此，在微宇宙中学习这些失败的教训比起野外进行同样的实验更为方便且代价更小。这就是为何越来越多的生态学家在完全抽象的数学模型研究、人工的微宇宙模型研究以及野外实验研究之间，更多且更愿意去选择折中的微宇宙模型，微宇宙既保持了生物的细节，又降低了自然系统中大量相互作用物种的网络复杂性以及物种间的关联度，它填补了抽象的数学模型和不受干扰的自然系统之间的空隙[7]。

总之，微宇宙模型和自然生态系统具有相似性或同一性，它通过假设并检验各种因果理论来解释自然。对于一些因果机制，在野外环境下难以进行检验，但在人工受控环境的微宇宙中却可以，这种易于操作、成本较低、小尺度且可复现的微宇宙模型，在发现机制并解释自然生态系统如何产生相关现象上是非常重要的。一言蔽之，微宇宙模型正是野外生态系统知识最方便的试金石。