城核系统 —— 破缺与耦合、组织与自组织

城核系统的外貌 水平结构

城核系统的垂直结构

城核系统的交通网络结构

通讯网络结构

城核系统的功能结构 生物生产 工业生产 生物分解 工业分解 调控

功能群层次的氮过程： 在功能群层次上，除了考虑系统与外界的氮交换之外，我们还会考虑系统内4个功能群之间的氮循环过程，来分析每个功能群的氮输入和输出过程。

系统的等级层次： 在系统功能的等级层次上，我们将整个系统分为4个功能群，加工、消费、移除以及生命支持；其中加工者是指将输入的活性氮加工为氮产品或者服务提供给消费者去消费，而消费者在本研究中包括人类以及伴人宠物；移出者是指用来移除系统中氮污染的一类系统，包括污水和垃圾处理；而生命支持系统是上述三个功能群生存的基础，包括大气，地表水和地下水子系统；

人类-自然耦合系统层次的氮过程： 在总系统层次上，我们只考虑系统与外界的氮交换过程，其中惰性N2被活化被认为是系统输入，而活性氮的失活则认为是系统的氮输出；同时通过进出口，陆源入海或者大气环流离开或者进入中国边界的活性氮也被认为是系统的输出或者输入。

自然系统与人工系统 的消长 全球陆地未受人类干扰的面积仅有23% 人工生态系统已覆盖全球75%无冰陆地 牧场、农田、人类影响森林和人居面积分别占30%，21%，19%，7% 10

人工生态系统 人工生态系统：从修饰原生态系统（宽泛）到设计建造（严格）的一系列生态系统 森林、人工林、农田、设施农业、人工湿地、污水处理厂、城市、。。。太空舱

自然系统与人工系统的活力 人类主导后生产力提高 人工种植园以5%的森林面积生产全球15%的木材，Paquette and Messier，2010） 牧场、农田、森林和城镇人居地区NPP分别占16%，32%，33%，9% （Ellis and Ramankutty，2008） 人工系统缺失了其他服务 12

破缺与耦合 现代农业提高食物产量的同时降低其他生态系统服务 （Chang et al. 2013)

Jie Chang, Xu Wu, Ying Ge et al., 2013 Frontiers in Ecology and the Environment Does growing vegetable in plastic greenhouses enhance regional ecosystem services beyond the food supply? 塑料温室能否既提高供给食物又强化区域生态系统服务？ Jie Chang, Xu Wu, Ying Ge et al., 2013

拥挤地球的生态学 地球系统已超越将生态系统修复到过去状态的传统理念 未来环境很大一部分将由人工不同程度影响的生态系统所组成（Palmer et al., 2004） 自然科学家可能难以接受这个现实，但这个趋势不可逆转！“人类世”

人工生态系统研究现状 研究少、水平低。生态学家介入很少，产业部门有一些生态研究，水平不高 地球最富活力的部分，反而成为生态学研究空白 当生态学成为社会核心时，生态学家却退居边缘！ 16

研究背景 - 科学内生需求 生态学理论停滞已久 新的革命已经到来 1941年Tansley提出生态系统，1950s 经Odum系统整理成熟 70余年里仅小修补 新的革命已经到来 新系统层次刚刚进化出来 大量案例和数据的积累 相邻学科的发展：经济学、物理学 数理工具与实用工具 17 17

相邻学科与新生态系统 18 18

回顾——等级层次生命系统的演进 体积显著增大 组分和所包含的等级层次增多 结构与功能的复杂化 生物适应能力提高 系统结构发育过程涉及的调控机制复杂化 系统内部状态的相对更稳定 寿命延长。有利于生态上的竞争 增加单位土地面积上的生命物质密度，更充分利用空间等资源

回顾——生物系统螺旋 对生物系统谱的认识从一级结构上升到二级结构 谱带螺旋上升，各个系统的尺度逐渐加大 周期性回到原来方位，提高一个等级层次 同族系统相似 ？

回顾-城核系统假说的预测力 从螺旋图上推理出P族有新层次，在我们所知的4个层次之外，找到了新层次——城核系统 生态系统排列在S族上，意味着它在结构和功能上的定向化。由此发现了生态器、生态核和生态质

P族的新层次系统 P族上，多细胞有机体之上与全球生命系统之间还有一个层次，即这才是第4个层次 这个系统应该是刚刚形成的城核生态系统 在一维谱上，正好包含生态系统（类似真核细胞与原核细胞的关系） 具有完全系统的特征，属于P族系统 因为尚处于形成期，因而结构还不明朗 可通过真核细胞类比推测

两类基本生态系统 自然生态系统的类型归属 分工后生态系统将成为两大类 为分工的生态系统——保护区 原生态系统（protoecosystem，protoecos）——保护区 分工后生态系统将成为两大类 生态器、生态核 生态质 为分工的生态系统——保护区

从原生态系统到城核系统 核——城市 质——田野 制造器：城市边缘工业园区 能量器：分散在田野中的农田、煤矿、油田等 保护区------原生态系统 还有？？

生态仿生

城核系统的聚合-突生假说 破缺-偶合形成了比原生态系统更大的城核系统 生态核、生态器和生态质 城核生态系统的核是具有大学的城市 —— 常杰、葛滢《统合生物学纲要》，2005

全球性的城市化

空间自组织模型

数学模型 用一个函数G（r,t）描绘地点r处在时间t时的分布 函数反映平衡 从地点 看，地点r的一个点的吸引力随它与r的距离而减少，并依赖于？？ 。

数值模拟

城核系统的过程 城市成为信息核心 文因（Mime) 人类政策已经成为控制整个生物圈的调控信息 人类生产给整个生物圈增添新过程 人类活动正在快速增加文因

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收 入 的水平对城市进程的影响

城市越大，资源利用效率越高 城市扩大一倍，基础设施只需要增加85% 城市人口与资源 城市越大，资源利用效率越高 城市扩大一倍，基础设施只需要增加85%

资源竞争 生态位分离和竞争排斥原理 共存的相似性极限：d/w＝1

资源竞争 资源相同，竞争者不可分化：Tilman模型

Q2 科学问题 小城市（镇）好于大城市？ 小于20万人的城市，吸引力不足 上泗案例

基于上述过程和数据，我们借用NCNA模型来构建中国氮循环的平衡过程，将每个氮的输入输出条目连接成一个氮的生地化循环网络，并进行相关的分析。

生态核、生态器的建立 和生态质的释放 集约经营的生态器释放出大量的空间 城市化释放出人口占据的空间 生态质的“生态公益”——只利用其间接服务价值

十分之一法则 75%的人口集中在城市中，释放了空间 15%的空间活动在生态器中，集约经营的工业园区 节约道路与能量、物质，压缩制造功能器的空间

城核系统的代谢——循环经济 基本原理 基本单元 经济调节 方法论 仿生

原生态系统中的“循环经济” 10亿年来以生物个体为 基本单位的循环模式——食物链模式将退守一隅 200年来以生态器为单位的循环经济将占据主导 10亿年来以生物个体为 基本单位的循环模式——食物链模式将退守一隅 200年来以生态器为单位的循环经济将占据主导 在生态建设中，要采用新型调节模式，而不是“恢复自然”。

循环经济的结构基础 ——产业共生 Industrial symbiosis 生态系统升级带来的调控方式改变，建立什么样的体系？ Science，1999，Jocelyn Kaiser 生态系统升级带来的调控方式改变，建立什么样的体系？ 试错是不得已 仿生最经济

循环经济的基本原理 ——生态仿生 生态器与细胞器的相似 构建模型进行数理分析 第一产业直接从自然界获取生物产品和矿物质，包括农业和采矿业等，与叶绿体相似； 第二产业加工原料生产新产品，如制造业和建筑业，与高尔基体、内质网相似； 第三产业提供服务，如商业、交通、文卫等，与细胞内运输以及最近发现的交换等相似。 构建模型进行数理分析

细胞中的蛋白，城核系统中的人 蛋白在量上主要分布在细胞核中（80%） 代谢过程中细胞在量上的变化 酶活动的经济关系 核（参考城核75%的人） 激励机制和惩罚机制 2004年Nature

生态服务 生态服务建模 生态服务评估 Ecological Economics. 2008, 2011 科学通报，2012 生态学报. 2012, 32: 0641-0649

金融与能量 一个层次的系统需要一种新的信息位势 城核系统是金融资本 细胞中ATP？ 呼唤同学们参与研究！

细胞中的生产和交换 细胞中的生产过程集中在哪里？ 细胞中的交换是否有集中区域？ 细胞器为主 核中也有吗？ 质中如何？ 核为信息交换中心 以交换物质为功能的细胞器？ 特定的运输路线？

细胞中的代谢和循环经济 细胞中很少存在中间产物（毒害物），原因是分解器（和再利用？） 城核细胞中缺乏分解器 细胞中的“循环经济”如何？ 全部都分解到最原始状态？还是中间产物也用？ 城核细胞中缺乏分解器 根据细胞建立量

问题：细胞质与生态质 质的作用？ 质的要素的商业交换 土地交易 水权交易 排污权交易 碳股交易：京都议定书 细胞中的情形？

人类在自组织中的作用 人类社会已经不可逆转地成为全球生命系统的调控者 单优降低系统复杂性 自毁与利他 人不仅调控社会自身 人类社会的意识、知识和决策决定着全球的生态命运 单优降低系统复杂性 人过于优势 某国家过于优势 某文明过于优势 自毁与利他 人类调控全球生命系统稳定可持续发展可能性

循环经济中难点的解决途径 公共事物的悲剧 试错与仿生 技术 制度 文化 ——可能在城核系统理论框架中解决

基于上述过程和数据，我们借用NCNA模型来构建中国氮循环的平衡过程，将每个氮的输入输出条目连接成一个氮的生地化循环网络，并进行相关的分析。

城核系统假说的意义 城核系统和全球生命系统与个体\细胞的推演不再是简单的类比, 而是自组织系统的自相似 人类的调控作用从原理上也成为“自然”因素

城核系统研究的意义 新假说需要多学科交叉，其意义会在进一步研究中体现出来，因为正确地定位事物是准确、深入研究的基础 希望对于生命系统进化的准确理解能为生命科学的发展做出贡献 期待新来者！

作业 列举与城核系统的可能类比 对人类调控作用的自然化理解 找一些与本课相关的数理模型案例 大尺度生态观察及行动 提问与讨论