雙相演化理論

節選自：中國科學院研究生院博士論文《可持續發展的理論探索及其在內蒙古草原的應用》 作者：徐光華 雙相演化理論（DPE, Dual phase evolution）是澳大利亞莫納什大學(Monash University)的David  Green等人提出的一個解釋複雜系統演化的理論框架。這個理論來源與對生態系統演化的觀察，包括：1）地質時間尺度上化石記錄顯示的物種進化的點斷平衡，即物種數量在一個長時間內保持穩定，然後是一個大滅絕事件，並繼之以一個短暫的大爆發期。2）第四紀孢粉學顯示植被按物種組成可被劃分為多個時期，各時期之間植被的物種組成相差很大，而它們之間的轉變常常伴隨著火災。DEP理論的主要內容如下  (Green et al., 2006)： 1）狀態空間包括兩個階段（phase），一個階段（exploration phase）由變異作用所主導，而另一個階段（exploitation phase）由選擇作用所主導。 2）隨著兩相轉變的重複進行，系統所達到的複雜度逐漸增加。 3）兩相之間的轉變由外來干擾推動。 4）干擾過後，系統解耦為低連接度的斑塊，此時使混沌可成為新奇性的來源。 5）隨著時間流逝，系統的連接度逐漸變大。 6）當連接度大過閾值，不穩定的相互作用和適應度差的設計被自然選擇所淘汰，剩下更復雜、穩定和有序的結構。(圖3-5, 3-6)。 DPE理論解釋了很多複雜現象，包括不斷產生新奇性，模塊化，無標度網絡，臨界性。DPE過程在不同尺度的大量的CAS被觀察到：生態系統、社會經濟系統、搜索算法等。 生態系統的DPE過程表現為：當景觀的連接度小的時候，物種面臨的選擇壓力較小，所以各種變異不致於立刻被淘汰，使得多樣性增加。此時外來干擾也只在局部斑塊上起作用，而沒有全局影響。隨著連接度變大，選擇壓力增大，使得一部分物種滅絕，多樣性減小，系統進入穩定態，但干擾（如火災）造成的影響也成為全局性，終使系統受到毀滅性打擊，又回覆到連接度低的相。系統處於不連接相時，趨向於平衡，表現出強的局部變異性，但很少有大尺度的變異。在連接度高的相，局部變動性小，但是對外界刺激的反應是難以預料的，在各個尺度上都展現出明顯的變化。緊密的相互作用網絡，在提供了穩定性機制的同時，也方便了干擾的傳播。 DPE理論與SOC之間存在很多相似，但也有些不同。SOC理論認為複雜適應系統自組織到有序與混沌之間的臨界狀態，DPE理論認為複雜適應系統將在兩相之間循環.