生態(tài)系統(tǒng)信息不可具體化為刺激

（南京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 江蘇南京 210023）

對于生態(tài)系統(tǒng)中的信息是什么以及具體信息的分類，中文文獻(xiàn)有許多討論。如有文獻(xiàn)提出，生態(tài)系統(tǒng)中的信息可分為物理、化學(xué)、行為和營養(yǎng)信息（秦建新和趙雙飛，2004）。但對于諸如蜜蜂跳舞、孔雀開屏之類的行為信息是否可歸入物理信息也有人提出過爭論（譚永平和徐歡，2016）。與之形成鮮明反差的是，外文文獻(xiàn)特別是海外生態(tài)學(xué)教科書對生態(tài)系統(tǒng)中的信息卻鮮少涉及。其原因有必要進(jìn)行探究。

另外，生物區(qū)別于非生物的主要特征之一就是生物具有應(yīng)激性，即對刺激作出反應(yīng)的能力和特性。那么刺激與信息的關(guān)系如何呢？王鶴穎等（2019）討論過生態(tài)系統(tǒng)中的營養(yǎng)信息。下面著重探討生態(tài)系統(tǒng)中信息的準(zhǔn)確含義與理論作用。

1 生態(tài)學(xué)中的信息概念來源

1.1 信息論

20世紀(jì)初，通訊技術(shù)得到迅猛發(fā)展，特別是在第二次世界大戰(zhàn)中，信息論應(yīng)運而生。為衡量信息在交流或傳輸中的不確定性（某種程度上，不確定性類似于物理學(xué)上的混亂程度，即熵），Shannon（1948）從數(shù)學(xué)角度提出了一個描述兩個相關(guān)信息因素發(fā)生概率的定量關(guān)系。這標(biāo)志著信息論的開端。Shannon將信息論中的“信息”定義為：信息是消除不確定性的東西。

1.2 控制論

Wiener（1948）從動物機體（如體溫、內(nèi)穩(wěn)態(tài)）以及機械系統(tǒng)（如蒸汽機的調(diào)速器、舵機引擎）能夠保持穩(wěn)定性的角度，提出控制論，即研究這些系統(tǒng)中控制與通訊的交叉學(xué)科。而這些系統(tǒng)之所以能夠一定程度上保持穩(wěn)定，并能夠保持控制與通訊，除能量與物質(zhì)外，最關(guān)鍵的是由于有“信息”的反饋。Wiener認(rèn)為信息就是負(fù)熵：“正如一個系統(tǒng)中的信息量是它的組織化程度的度量，一個系統(tǒng)的熵就是它的無組織程度的度量;前者正好是后者的負(fù)數(shù)?！?/p>

1.3 生態(tài)學(xué)中信息概念的引入

Odum（1953）提出，能量在食物網(wǎng)中傳遞時，因有損耗，故它通過不同的食物鏈流動會對群落穩(wěn)定性產(chǎn)生不同的影響，即能量流動時的“選擇”會對結(jié)果有影響。也就是說，如果食物網(wǎng)復(fù)雜化，即有物種的多余或“冗余”，則群落穩(wěn)定性提高。MacArthur（1955）認(rèn)識到Odum提出的“選擇”與Shannon提出的“不確定性”有共同之處，都包含“冗余”，因而將Shannon提出的數(shù)學(xué)公式引入到生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究中。這就將信息概念以及信息論引入到生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)。

實際上，Rosenblueth等（1943）、Wiener（1948）在提出反饋以及控制論時，也認(rèn)為生物在不同水平上都可看作是一個可自我調(diào)節(jié)的穩(wěn)定系統(tǒng)。Odum（1953）將反饋概念應(yīng)用到生態(tài)系統(tǒng)中。由此可以看出，Wiener等也可看作是將信息概念引入到生態(tài)學(xué)中的學(xué)者。

2 生態(tài)學(xué)中的信息含義

Shannon（1948）和Wiener（1948）對“信息”的準(zhǔn)確定義是數(shù)學(xué)公式。在文字描述中，他們都認(rèn)為信息是一種抽象的概念，它表示系統(tǒng)中某個成分的狀態(tài)。Wiener（1948）講得很清楚：“信息就是信息，不是物質(zhì)也不是能量。信息量就是熵的負(fù)數(shù)。”“在這里，我們所定義的信息量的‘量’，是在類似情況下被我們定義為熵的那個量的負(fù)數(shù)?！薄白鳛橐粋€量（我們也許會認(rèn)為這個量是某個概率）的負(fù)數(shù)，信息量實際上是一種負(fù)熵。一般來說，信息量的屬性常常讓我們聯(lián)想到熵?！薄拔覀儠吹?，信息損耗的過程幾乎就是熵增加的過程，這些過程存在于概率（這些概率一開始都相互獨立）區(qū)域的融合中?！?/p>

鐘義信（1986）將信息定義為“泛指以任何形式表現(xiàn)的事物運動的狀態(tài)和方式，包括它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和方式，以及外部聯(lián)系的狀態(tài)和方式”。從認(rèn)識信息的角度，可將其定義為“是關(guān)于事物運動狀態(tài)和方式的表述，或者，等效地說，是關(guān)于事物運動狀態(tài)和方式的廣義化知識?！?/p>

可見，“信息”是一種抽象的、總體性的、非實體性的概念，就是對系統(tǒng)或其中某個成分具體狀態(tài)的抽象描述，不與具體的某種物質(zhì)對應(yīng)?！办亍笔菍δ硞€系統(tǒng)混亂程度的抽象描述，與之對應(yīng)，“信息”是對某個系統(tǒng)“有序狀態(tài)”或“組織程度”的抽象描述，它可簡稱為“負(fù)熵”（Johnson，1970）。當(dāng)然，“信息”并不與“熵”完全相反對應(yīng)，它不僅指代有序程度，往往還指代系統(tǒng)或系統(tǒng)成分的不確定性、概率、選擇多樣性等。

3 生態(tài)學(xué)中信息的特征

生態(tài)系統(tǒng)之所以能夠存在和維持其高度有序性，是因為外界不斷向生態(tài)系統(tǒng)中輸入能量和物質(zhì)。信息與物質(zhì)或能量的區(qū)別是什么？物質(zhì)和能量在生態(tài)系統(tǒng)各成分（無機環(huán)境、生產(chǎn)者、消費者和分解者）之間有序傳遞時，其總量在各營養(yǎng)級中是不斷減少的。但處于較高營養(yǎng)級中的生物其功能往往更為完善、結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜、分類地位更高。而信息正是表達(dá)系統(tǒng)有序狀態(tài)的指標(biāo)和概念，故可以說，與物質(zhì)和能量不同，信息量在營養(yǎng)級之間傳遞時不一定減少（許洪昌，1986）。Odum（1983）提到的潛能可較形象地幫助理解信息量在營養(yǎng)級中的變化：從數(shù)量上來看，假設(shè)100單位的食草動物能量產(chǎn)生出1單位的捕食動物能量，這意味著捕食動物的能量品質(zhì)是食草動物的100倍，其所具有的或包含的“信息”也更多。

生態(tài)系統(tǒng)之所以在一定程度上能夠保持平衡或穩(wěn)態(tài)，是因為其各成分之間存在著負(fù)反饋機制。例如，草地上的食草動物多了，就會啃食掉更多的草，而草的減少又反過來抑制食草動物的數(shù)量?？梢?，負(fù)反饋機制的存在是由于不同營養(yǎng)級之間存在著相互作用、相互影響，特別是后一級的營養(yǎng)級也會對前一營養(yǎng)級發(fā)生作用。抽象地說，負(fù)反饋是通過信息的相互作用和雙向交流而達(dá)成的。而能量與物質(zhì)在不同營養(yǎng)級之間傳遞時，它們的路徑是單向的（Odum，1983;韓博平和范航清，1992）。

由于信息具有隨營養(yǎng)級升高而增加、雙向交流或交換的特征，可見生態(tài)系統(tǒng)中的信息交流與能量、物質(zhì)傳遞確實是不同的，研究生態(tài)系統(tǒng)時確實需要引入信息這一概念。

4 一些中文文獻(xiàn)中信息等同于刺激

有些中文生態(tài)學(xué)文獻(xiàn)不考慮生態(tài)系統(tǒng)中信息的特定含義，而具體討論生態(tài)系統(tǒng)中信息的種類和作用，如認(rèn)為物理信息有光線、溫度、磁場等，化學(xué)信息有性外激素、信息素、他感物，行為信息有如蜜蜂的舞蹈、孔雀展尾等，營養(yǎng)信息有食物的多少、品質(zhì)等。仔細(xì)分析這些所謂的信息，就會發(fā)現(xiàn)它們與刺激沒有區(qū)別。因為任何外界條件及其變化都可看作刺激，如光、溫、化學(xué)毒物、運動、食物、天敵等。故可以說，一些中文文獻(xiàn)中的信息是望文生義的結(jié)果。它們所說的信息，幾乎等同于信息論中的“信號”。

刺激不同于信息。刺激是具體的、單一的概念，而信息是抽象的、總體的概念。Wiener（1948）清楚地寫道：“傳遞一種單一刺激（如氣味）的價值不僅僅取決于刺激本身所傳遞的信息，還取決于刺激的發(fā)送者和接收者的整個神經(jīng)系統(tǒng)。”

5 生態(tài)系統(tǒng)定義的改進(jìn)

我國的教科書一般將生態(tài)系統(tǒng)定義為：在一定空間中共同棲居著的所有生物（即生物群落）與其環(huán)境之間由于不斷進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)、能量流動和信息傳遞過程而形成的統(tǒng)一整體。根據(jù)前文所述，為準(zhǔn)確表達(dá)生態(tài)系統(tǒng)的運作和存在狀態(tài)，有必要引入信息這一概念；同時，由于信息交流有雙向性特點，而“傳遞”一詞似乎只有單向遞進(jìn)的含義，沒有完整表達(dá)出信息的這一特征。故可考慮將生態(tài)系統(tǒng)作如下的定義：在一定空間中共同棲居著的所有生物（即生物群落）各成分之間、與其環(huán)境之間由于不斷進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)、能量流動和信息反饋（或信息交換）而形成的統(tǒng)一整體。

6 結(jié)論

在20世紀(jì)中葉，隨著信息論、控制論的發(fā)展，描述穩(wěn)定系統(tǒng)有序性的概念“信息”被引入到生態(tài)學(xué)中。由于生態(tài)系統(tǒng)組成成分的層次性、網(wǎng)絡(luò)化以及它們之間存在負(fù)反饋機制，故表達(dá)系統(tǒng)組織性和有序性抽象的、概率意義上的“信息”概念也可有效地適用于生態(tài)系統(tǒng)，并可在更高視角來概括生態(tài)系統(tǒng)的組織與狀態(tài)。然而，信息概念在一些中文文獻(xiàn)中卻簡化、具體化為物理性、化學(xué)性的刺激，從而在生態(tài)學(xué)教學(xué)與理論探討中引起一定的混亂。正確認(rèn)識信息的抽象、數(shù)學(xué)和總體概念特征而非具體的刺激或物質(zhì)，可有助于消除圍繞它的種種爭論，從而也可彌合中外文獻(xiàn)特別是生態(tài)學(xué)教材中對信息概念的不同認(rèn)識。對信息概念及其特征的正確理解與準(zhǔn)確把握，不僅有助于更深入地理解生態(tài)系統(tǒng)中各成分的相互作用，更能夠有助于準(zhǔn)確定義生態(tài)系統(tǒng)本身。