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    城市生命體理論體系構建探討

    時間:2015-12-14 來源:未知 作者:傻傻地魚 本文字數:7950字
    摘要

      0 引言

      20 世紀后期開始,微觀生物學領域的發展給了宏觀生命現象全新的解釋。

      這也直接引起了哲學認知領域的變革,并逐漸引起科學各個領域認知思想的變化。在城市研究方面,人們開始認識到城市和生命在很多方面都具有相似性,如它們都具有復雜、自組織、主體性等基本特性。各方面的比較奠定了兩個概念相連接的基礎。借助生物學對于生命現象的解釋和研究方法為城市研究提供了一個新的視角,也為新的城市發展理論奠定一個新的認識基礎(朱勍,2008)。

      同時,城市代謝理論、城市生命周期理論、城市病及城市診斷、生態城市理論的出現、發展及其在城市規劃和設計、城市建設和管理等領域中的應用,更是催生了城市生命體理論的產生和發展。可以說,城市生命體是現代城市日益復雜化和生命科學研究不斷突破情形下必然會出現的新概念或新視角,也為城市及城市土地、城市生態環境等的研究提供了新的認知基礎和豐富的技術方法。

      國外對于城市生命體的直接研究相對較少,主要集中在將城市與生命體之間的概念建立聯系,然后將生命科學中的技術和思想引入到城市科學中來,并解決城市管理方面比較實際的問題(Samaniego H, 等,2008;Gershenson C,2011;Dobbelsteen A V D, 等,2012;Schnorelf L F,1966;Richard W,2007)。

      國內相關研究亦不多,但最近發展比較活躍,在城市生命體概念界定、城市生命體運行機制等方面有一定的探索。概括來說可以分為基于生命實體的定義和基于特征的定義。基于實體的定義是指通過對比分析城市和生命體的物質組成,將城市生命體定義為某些特定的物質實體,或者說是將城市的物質實體進行重分類、重命名,并與生命的物質實體建立對應關系(田實,2001;鞠鵬艷,2008)。基于特征的定義是從生命的基本特征出發,把生命看作是一種特殊的現象。并通過分析城市的生命特征來建立城市與生命體的聯系(黃國和,2006;朱勍,2007,2008;王慶春,2009;劉玲,2010)。此外,一些研究從不同角度探討生命機制、城市生命體等概念在土地利用演化、生態系統評價、城市特征提取等領域的應用,具有一定理論和應用價值(羅平 , 等,2005;邱建華 , 等,2009;蘇美蓉 , 等,2008,2009,2010;李靜 ,等,2011;孫天鉀 , 等,2012)。總體來看,現有研究大多數是將城市與生命體進行機械的對比,有的結合城市表現出來的某一生命特征開展研究,有的將城市的組成部分跟高級生物體的器官簡單對應。

      部分研究則非常抽象地從社會人文和精神內涵方面探討城市生命體概念,其目的只在于借用城市生命體的概念來對城市管理某一具體方面進行研究,缺少對城市生命體的本質特征的探索。目前尚未出現系統性的、全面性的城市生命體理論和應用研究。

      本文嘗試通過引入生命科學、人工智能、復雜性科學等學科經典思想和理論,基于城市生態學、城市有機體、城市新陳代謝和共生理論等相關研究,構建城市生命體理論體系,建立包含認知理念、科學理論和技術方法論在內的城市生命體理論。

      1 城市生命體定義

      生命的概念,是一個貫穿人類文明史至今尚無定論的動態概念,具有顯著的時代特征。20 世紀 80 年代末興起的人工生命學科更是把生命的概念作為研究的基本問題之一,從一開始就具有強烈的哲學性質(任曉明,2003)。人工生命的興起對人們的生命觀帶來了巨大的沖擊,主要體現在以下幾個方面:對生命的本質屬性的界定。人工生命研究者通過生命的本質屬性而不是生命的物質基礎來界定生命,區別生命與非生命的關鍵是生命的本質特征,主要是新陳代謝、應激性、自適應、生長發育、遺傳進化等;對生命內涵外延的擴展。人工生命研究突破了對生命的傳統觀念,生命的物質基礎不再局限于生物體大分子、核酸或細胞,各種物質和非物質的載體都可以成為生命的基礎,如電子病毒、電子生命、數字生命等;③對生命科學方法論的擴展。復雜科學方法論、系統科學方法論都引入至生命理論的研究,這使得生命定義既有堅實的自然科學基礎又有較大的抽象概括性,為進一步探索生命的本質開辟了廣闊的前景。

      1.1 城市與生命體的比較

      要建立城市與生命體之間的聯系,必須對兩者做比較分析。顯然,城市與一般的生命體在實體層面是有巨大區別的,簡單的對比也是不夠的。從系統論的角度和功能特征的角度將城市與生命體進行比較,則更能說明問題。

      (1)系統特征比較

      生命體和城市都是復雜系統,在系統性質上他們具有很高的相似性。首先,城市和生命體都是由實體元素構成的。

      雖然城市也包含經濟子系統、文化子系統等非物質性子系統,但這些都是在物質載體基礎上派生而出的。因此,城市和生命體都屬實體系統;其次,城市和生命體都在動態的與外界環境進行交互,不斷交換物質和能量,因此都屬于動態開放系統。最后,無論是生命體還是城市,其組成要素眾多,結構復雜,代謝輸入輸出也都呈現出非線性特征,因此都是復雜巨系統。

      (2)生命特征比較

      城市和生命體主要的區別體現在物質載體的不同上面,但在生命特征方面,具有高度的相似性。生命的主要特征包括新陳代謝、自適應、應激性、生長發育和遺傳變異五個方面,這也是使用特征定義法定義生命時,其與非生命的主要區別。城市在其發展過程中也顯著表現出了這五個方面的特征(表 1)。

      1.2 城市是一個生命體

      通過上文分析,采用基于特征的定義方式,本文將城市生命體定義為:城市生命體是在人類社會發展過程中一定區域內形成的、以非農業人口為主體的,人口、經濟、政治、文化高度聚集的,具有新陳代謝、自適應、應激性、生長發育和遺傳變異等典型生命特征的復雜巨系統。該定義概括了城市生命體的科學本質,其內涵包括五個方面:①城市生命體是一個由不同子系統組成的復雜巨系統。各子系統既彼此獨立又相互聯系,是一個內在的統一體。城市生命體依靠各子系統的協同作用而實現其健康與活力。②城市生命體包含了非物質(政治、經濟、文化等)和物質(環境、建筑、土地等)兩方面,缺一不可。③城市生命體具有生命體的基本特征,包括城市生命體的結構特征和生命特征。④城市生命體的核心是人,城市因為人類而形成、發展與演變。⑤城市生命體是一個歷史范疇,具有時間尺度和空間尺度的動態特征。

      2 城市生命體結構特征

      城市生命體是一個復雜的巨系統,其組成成分數量巨大、種類繁多,這給直觀認識帶來了很大的困難。但是,無論是在其內部組織還是外在形體表現上都有一定的特征可循。

      2.1 城市生命體的組織結構

      (1)城市生命體的組織層次

      幾乎所有生命體在內部要素組織方面表現出了很清晰的層次結構特征,以高級生物體為例,從微觀到宏觀,由細胞、組織、器官、子系統到有機整體,呈現出層次化結構。每一個層次都有其獨特的物質形態結構及其功能,各個層次之間又存在著相互聯系的緊密關系。正是在這種有序的層次結構下生命體不斷的生長和發育,完成各種功能。與高級生物體類似,城市生命體無論是其物質系統還是其非物質系統(文化、行政組織等)也都具有非常明顯的層次結構。城市生命體結構從微觀到宏觀可以劃分為四個主要的層次:城市生命體細胞單元、城市生命體組織單元、城市生命體子系統、城市生命體(表 2)。跟生物體一樣,城市生命體的結構層次也是是層層相依,緊密相聯的。

      (2)城市生命體的細胞單元

      細胞單元是組成城市生命體的最基本單位。在研究城市生命體過程中,研究人員可以綜合考慮研究目標、研究區大小以及研究數據質量等因素來定義和劃分不同的細胞單元,主要包括兩種:按照對象或屬性的劃分、按照空間劃分。

      按照研究對象或屬性的劃分方式一般將研究的對象最小單位直接作為細胞,比如在研究城市居住系統時將社區作為細胞。按照空間劃分則是在二維或三維空間上,將城市生命體劃分為不同類型不同尺度幾何對象。如以宗地為基本單元,其所承載的城市組成要素(包括構筑物、附著物)作為細胞的內容,并以此區分細胞的類型。例如根據不同的土地利用類型可以將其定義為工業用地細胞、農業用地細胞等。

      (3)城市生命體的組織單元

      城市生命體的組織單元是不同細胞根據一定的目的,為完成某些功能按照一定的規則、比例,以直接或間接方式組成的功能單位。組織單元是介于城市生命體組成要素與子系統之間的中間層次。城市生命體的組織單元主要包括居住社區、工業園區、商業服務區、娛樂休閑區、生態功能區等類型。

      (4)城市生命體的子系統

      城市生命體子系統眾多,各子系統既彼此獨立又相互聯系,是一個內在的統一體。城市生命體系統大致可以劃分為物質性子系統和非物質性子系統。物質性子系統大多直接由某幾種物質性細胞單元或組織單元構成。如城市城市生態環境系統、生活系統、交通系統、物流系統、城市三廢處理系統、能源市政管網系統、郵政通訊系統、城市公共安全與應急系統。非物質子系統是相對于物質性子系統而言的,具有一定的非實體性。如城市經濟產業系統、城市文化系統、城市行政司法管理系統等。城市生命體各子系統無論是在組成上還是功能上都既相互獨立又緊密相連,共同組成城市生命體整體,維持城市生命體的生存和發展。

      2.2 城市生命體的空間形體結構

      生命體,尤其是高級生物體都有一定的形體特征。以人類為例,身高、體重是對其宏觀形體結構特征的描述,五官則是對其細部形體結構的刻畫。城市生命體除了跟高級生物體一樣具有清晰的層次結構,同時也具有清晰的形體結構--空間結構。

      空間結構是城市生命體要素、組織單元和各子系統在時空范圍內的分布狀態,是城市經濟、社會和文化的空間投影,是城市經濟社會存在和發展的空間形式。另一方面,城市生命體是復雜的社會物質巨系統,組成城市生命體的各種要素在空間上都表現出一定的數量,形成自己的密度。可以說,城市生命體的空間形體結構是平面面積、布局和立體利用強度的綜合反映,三者相輔相成缺一不可,共同構成是城市生命體三維外在表現。城市生命體的空間形體結構受到自然條件、城市規劃、生產力等多方面因素的制約,具有一定的客觀性 ;但也隨著各種影響因素變化而變化,具有一定的動態性,并不是靜止不變的。

      3 城市生命體生命特征

      城市生命體作為一個復雜巨系統,表現出顯著的生命特征。同時,對于不同特征來說,都有相關的子系統及組成子系統的要素和組織單元支持生命特征的實現,構成支撐體系。

      3.1 新陳代謝

      城市生命體的新陳代謝體現在與外界進行能量、信息及物質的交換。新的、健康的、具有發展潛力的能量、信息及物質通過新陳代謝網絡不斷輸入,舊的、落后的向外界轉移及淘汰,城市在持續不斷地自我更新中得以成長。城市生命體的新陳代謝系統可以概括為三個方面,即物質代謝系統、能量代謝系統和信息代謝系統。物質代謝系統主要包括交通運輸系統、物流系統、生態系統、三廢處理系統。城市生命體通過對物質資源的同化(加工利用)和異化(三廢處理)作用,實現物質代謝,是城市生命體存在、生長和發育的物質基礎。能量代謝系統主要是指市政管網系統(包括電力網絡、燃氣網絡、熱能網絡、給排水網絡等),為城市提供賴以生存和發展的能量,是城市生長發育的動力因素。信息代謝系統主要是指郵電通訊系統(包括英特網、通信網絡、有線電視網、郵政網絡等),是城市生命體生長發育的催化劑。新陳代謝是城市生命體賴以生存和發展的首要特征,也是維系其他生命特征的基礎。

      3.2 自適應

      城市生命體的自適應性體現在對外部環境和自身特征的適應。城市通過分析自然環境、社會環境、政治環境、經濟環境,以及自身特點的變化,不斷地調整自身的屬性,提高其生存發展能力和與其它城市生命體競爭的能力。城市生命體的自適應功能包括兩方面。一方面,以政府為媒介,以城市管理和政策執行機制為載體,通過各種規劃、公共政策來實現。城市生命體根據自身情況及自然、社會、政治和經濟環境的變化,通過一系列的規劃、計劃、法律法規和政策"自發地"調整組織內容和功能結構,以獲得與自身條件、發展需求、發展環境相適應的狀態。另一方面,公眾也對城市的自適應性產生著重要的影響。市民對于城市生活環境變化體會是最深刻最敏感的。基于涌現論的視角,市民作為微觀個體,在長期的生活過程中,通過不停地做出有利于自己生活和工作的選擇(如購房區位的選擇,交通方式的選擇)以及對政府政策、規劃等建議等途徑影響著城市的調整、適應和發展。

      城市生命體的自適應是一個漸變過程,不斷地適應、調整使城市生命體與其生存環境保持了動態的平衡和互動,維持了城市的健康。城市生命體一旦不能對自然、社會及經濟環境及自身特點做出適應,必然會走向衰落甚至消亡。

      3.3 應激性

      城市生命體作為一個復雜的開放巨系統,時刻處于動態穩定與平衡的過程,也時刻面臨各種內外部環境的突然變化。城市生命體的應激性是指城市對內外部環境的突然變化進行感知,并做出及時反應。內部環境突然變化經常體現在發生了危害城市公共安全的現象,因此城市公共安全響應系統(主要包括安防系統、消防系統、疾病防治系統等)是城市生命體應激系統的一個重要方面。外部環境突然變化則主要體現為經濟、社會、政治環境的突然變化或突發事件。

      因此,各種應對社會、經濟、政治突變的響應機制和系統(主要包括社會維穩機制、經濟危機響應機制、突發政治事件響應機制等)是城市生命體應激系統的另一重要組成部分。城市生命體應激系統還能對各種內外部環境突發變化進行篩選,保留其中有利于自身生存和發展的信息和資源,并將其納入到城市生命體中來,排斥不利于或干擾阻礙自身生存發展的信息和資源,表現出顯著的目的性。城市生命體應激性實現的過程中,人,乃至由人組成的政府及其他各種機構是關鍵要素。

      人和各種機構具備敏銳的感知和反應能力,他們對各種內外部環境的突然變化是非常敏感的。正是因為有了人和各種機構的快速感知能力,城市生命體才能對生存環境的突然變化做出快速的反應。

      3.4 生長發育

      世界城市發展歷程已經證明,城市具有顯著的生長發育特征。城市生命體的生長發育是一個無序到有序的過程,伴隨著量變和質變,在此過程中逐漸形成完整的組織和功能結構。這個過程表現出非線性、自組織和螺旋向上發展的特征,并受其自身條件和自組織規律的制約。

      城市生命體的復雜性一方面體現在其組成要素和系統的復雜性,另一方面在于其功能的多樣性。城市生命體的生長發育既包括組織(物質載體)的生長,也包括功能的發育。城市生命體的組織生長主要體現為空間上的不斷擴展(面積擴大,建筑密度增強)和空間結構(城市布局和形態,也包括城市社會、經濟和人口的空間結構等)的不斷優化,以及各個系統(如交通道路系統等)的發育和不斷完善;城市生命體功能的發育主要是城市社會功能(居住、衛生、政治等)、經濟功能(工業、商業等)和文化功能(教育、文化、娛樂等)的不斷完善和豐富,顯性表達為城市基礎設施、科教文衛設施、商業中心、工業區等的建設與發展。

      3.5 遺傳和變異

      生命遺傳和變異的核心異質因素是基因。基因的復制和相對穩定性保證了生命的遺傳,基因的突變決定著生命的變異。基因的相對穩定和突變保證了生命體之間的差異和生命體的多樣性。城市生命體在生長發育的過程中表現出顯著的遺傳和變異特征。城市生命體的遺傳變異也受生命體核心異質因素的影響。決定城市生命體特征的核心異質因素是城市稟賦(指城市區位和特殊的城市資源,例如礦產資源、湖泊資源、森林資源、動物資源等)和城市文化。這二者是相互影響的,城市在產生之初受地域影響而形成了基本的格局和特色的文化意識形態。城市文化具有穩定性,一旦形成很難短期內產生大的變化。如果說城市稟賦從根源上決定了城市的特征和異質性,決定了城市生命體的資源供給、對外交通聯系、產業導向以及人們的生活習慣等,城市文化則是城市生命體傳承和延續的根基,而新文化的不斷注入則為城市提供了變異和進化的要素。在城市漫長的發展過程中,城市文化又可以促進城市稟賦的發掘和利用,促進城市生命體的生長和發育,增強城市的生命力。

      城市生命體在生長過程中,通過遺傳作用保持了傳承性,使城市生命體有了基本的穩定性。變異則表現為功能和組織結構的顯著變化,并對城市整體或更大范圍產生深遠的影響。城市的變異包括變革和進化。變革主要體現在主導功能改變、文化的改變、功能中心轉移、舊城衰落等方面;城市進化則主要包括產業升級、經濟結構優化、文化提升、空間格局優化、舊城改造、城市更新等方面。

      此外,城市生命體對生存、健康和發展的渴求是導致城市變異的主要因素之一。例如人口的增加、生活質量標準的提高等諸多因素會不斷刺激產生新的結構和功能需求。尤其是當城市的承載力無法滿足發展需求時,生命體的效率便會下降,生命力減弱。這時,必須對舊的結構和功能進行改變,在原有結構和功能的基礎上發展出滿足需求的新的結構和功能。正是這種對新的結構和功能的渴求,促進了城市生命體的變異和進化。

      4 城市生命體運行的動力機制及支撐體系

      4.1 城市生命體運行動力機制

      城市生命體運行的原生動力是人類的需求。城市生命體的核心是人,無論是城市的形成還是演變,都受人類意志的影響,其存在的根本目的也是為人類提供生產、生活的場所。因此,人類的物質、非物質需求構成城市生命體運行的原生動力,驅動城市生命體的新城代謝、生長發育、自適應、應激性、遺傳變異等生命活動的運行。同時,生存環境和各種客觀規律(包括自然規律、社會規律、經濟規律等)亦影響城市生命體的發展,與人類的意志共同作用于城市生命體的各種物質、非物質子系統的發展過程中。城市生命體的各種物質、非物質子系統的發展需求成為城市生命體運行的次生動力。

      在原生動力和次生動力的驅動下,城市生命體通過持續的新陳代謝來實現正常運轉,保持生命體的內外部平衡。通過新陳代謝,實現各種物質、非物質子系統的生長和發育。同時,在運行過程中,不斷應對內外部環境的變化,通過自身的自適應機制和應激機制,進行自組織調節,以達到新的代謝平衡。在這個不斷的自適應和應激調節過程中,城市的功能和結構不斷進行演化,體現出遺傳和變異的特征,整體呈現出螺旋向上的生命發展規律。

      4.2 城市生命體運行支撐體系

      城市生命體每一個生命特征的實現都依賴于一定的子系統來實現。城市生命體的各種物質、非物質子系統,構成了城市生命體的生命特征支撐體系(表 3)。

      5 結語

      本文嘗試將生命科學等理論和思想引入城市研究中,融合還原論、涌現論等多種認知思維,通過對城市生命體概念、結構特征、生命特征等的系統探索,構建了城市生命體理論的基本框架,為進一步研究城市生命體奠定了基礎。同時,城市生命體理論是經驗認識和思辨認識、規范判斷的綜合,結合了城市學、人工生命等學科的認知基礎,是對城市認識論和方法論的有益豐富和深化。此外,城市生命體理論體系建立起了生命科學等領域思想、理念及技術方法與城市科學之間的橋梁,為全面揭示城市發展和城市環境、城市土地利用變化的本質和規律等提供一個新的視角,豐富了城市研究的理論、方法。

      城市生命體理論在城市規劃和管理、城市經濟社會發展、城市資源利用與環境保護等各方面都具有顯著的應用價值。比如,在城市空間格局優化方面,可以基于城市生命體的組織結構特征和生長發育理論,深入分析細胞單元、組織單元與子系統的組成方式及其協同作用機制,構建合適的空間格局優化模型;在城市可持續發展方面,可以基于城市生命體的五大生命特征構建城市健康運行的評價指標體系,用于城市"體檢"和城市健康預警;在城市更新與舊城改造方面,可以基于城市生命體的遺傳變異理論,深入分析城市的"優質基因"和"自然稟賦",探索城市進化的方向,尋求傳承保護與進化開發相平衡的城市更新策略;在城市資源配置方面,可以基于城市生命體的新陳代謝理論,探索構建城市容量測評模型,為量化評估城市資源承載力提供方法。在研究實踐過程中,應結合具體情況,以現有城市研究為基礎,從城市生命體的結構特征、生命特征及其支撐體系入手,建立現有研究需求與城市生命體理論體系之間的連接,從城市生命體的角度建立新的研究應用體系。

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