《我国第三次万米深渊综合科考“震撼”归来》

  • 来源专题:中国科学院亮点监测
  • 编译者: liuzh
  • 发布时间:2018-12-12
  •   历时54天,行程7292海里,10月16日,我国第三次万米深渊综合科考成功完成各项任务,从马里亚纳海沟海域返回三亚。本次科考充分验证了多个国产深海装备的稳定性和可靠性,取得多项国内首次和国际首次的科考成果。

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    • 编译者:李康音
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    • 2024年2月12日, 集智俱乐部报道关于第三次科学范式转移的相关信息。 自牛顿以来,经典物理学和量子物理学都依赖于“牛顿范式”(Newtonian paradigm)。“牛顿范式”系统的相关变量是确定的。例如,当我们要确定经典粒子的位置和动量,需要先构建连接这些变量的微分形式的运动定律。例如牛顿的三个运动定律,通过定义边界条件以创建所有可能变量的相空间。然后,当给定了任意初始条件,对运动的微分方程做积分,就可以在预设的相空间中产生一个确定的轨迹。牛顿范式的基本原则是,构成相空间的一系列可能性总是可以提前定义和确定的。 但是,对于任何一个生物圈(biosphere)中持续更新其适应性的历时演化(diachronic evolution)时,牛顿范式就会失效。活细胞通过可遗传变异和自然选择进行演化,适应性地构建宇宙中全新的可能性。对此,我们既不能定义也无法推导出演化的相空间(phase space)来。我们无法用基于集合论的数学来处理这件事。我们也不能为生物圈中不断出现的更新适应性的历时演化写出微分方程或求解出来。演化中的生物圈是牛顿范式之外的世界。目前来说,还没有找到包含所有事物的万物理论。我们面临的科学的第三次重大转变,超越了牛顿物理学所呼应的“万物皆数”的毕达哥拉斯式梦想。我们开始理解,一个不断演化的生物圈展现出的创造力的来源:是涌现的(emergence),而不是工程的。 简介 我们认为,在牛顿身后三个世纪的今天,我们正处于科学上的第三次重大转型。本文作者希望阐明这一转型的证据及这一转型的必要性。我们还希望阐明,演化的生物圈将为这一转型带来意想不到的视野。我们的阐述基于诺贝尔物理学奖得主安德森(P.W.Anderson)在1972年的重要论文《多者异也》(More is different)[1]。这篇论文近期被 Nature Physics 庆祝发表五十周年[2]。(参看:《多者异也》五十年:追随安德森的脚步) 科学上的第一次重大转型可以归因于牛顿,他发明了微积分和经典物理。毫不夸张地说,牛顿教会了我们如何思考。因此我们将第一次重大转型称为“牛顿范式”(Newtonian paradigm)[3]。 (1)“牛顿范式”的第一步是,找到相关变量。在物理学中,相关变量通常是位置和动量。 (2)写下这些相关变量的运动规则(laws of motion),通常是采用常微分方程或偏微分方程的形式。这些方程可以是确定性的(deterministic),也可以是随机性的形式(stochastic)。 (3)定义边界条件,从而定义系统粒子的位置和动量等相关变量的所有可能值的相空间(phase space)。对于相关变量的任何初始条件,对前面写下的关于运动规则的微分方程进行积分,就可以得到相空间中系统的轨迹。牛顿范式的基本特征是,我们始终可以而且必须提前定义固定的相空间。 包括广义相对论在内的经典物理学给了我们 “钟表”(clockwork)宇宙,它将以决定性的方式展开。由此,自然神论中的上帝不再能够创造奇迹。钟表宇宙使得“偶然性”仅仅是认识论(epistemic)上的。 第二次重大转型莫过于1900年代发现的量子力学[4]和海森堡不确定性原理[5,6]。这些发现加上后来的量子场论,导致了超越经典物理学的转型[7,8]。然而,量子理论仍然安稳地保持在牛顿范式中,因为量子理论也要有预设的相空间,比如Fock空间。因此,当给定初始条件和边界条件,通过薛定谔方程能够给出概率分布的演化,这个系统的演化就是确定性的。在对量子力学的大多数解释中,“偶然性”是本体论(ontological)所定义的[9]。 牛顿范式的巨大威力不仅局限于物理学。生态学(Ecology)经常采用非线性动力学方程来描述物种群落的演化过程。该方程包含了每个物种成员的繁殖率和物种之间的食物网。方程在相关变量预定义相空间中的积分,可能表现出非线性动力系统的极限环、多重吸引子等方面的性质[10]。 我们现在希望把生态学放在一个更广阔的背景下来讨论。生态学处理的是群落中预先定义的一组物种。这些物种提供了相关的变量,因此有了预设的相空间。随着演化时间的推移,物种往来生息。这组物种及其之间相互作用的模式本身也在演化。在生物圈的历时演化中,新的适应性(adaptations)出现,现有的适应性随物种灭绝而消失。生态学可能在一定时间尺度上是有效的,例如当物种不会演化出相关的新特征或失去相关的旧特征时。我们想提出的问题,也是本文的中心问题是:我们是否可以预测或推导系统将出现的新的相关自适应变量和消失的旧的自适应变量。我们能否有充分的预期?我们希望证明那个答案是“不”。 如果我们不能推导出这种不断变化的相空间,那可能是因为我们无法写下或求解运动方程,并推导出这些不断变化的相空间。我们将置身于“牛顿范式”之外。地球上的生命已经存在了将近40亿年,几乎占宇宙寿命的30%。牛顿范式在生命演化方面的失效,意味着宇宙学演化的主要方面并不在牛顿范式的讨论范围之内。 生物圈不可推导式的历时演变 地球上的生命大约开始于37亿年前。生物圈是已知宇宙中最复杂的系统。新问题的核心在于,我们不能通过推导来预测我们生物圈,或任何一个生物圈的演变过程。演化中的生物圈是一种不断繁衍的结构,而不是一个被推导出来的结论[11-14]。 原因乍看起来似乎很奇怪 [13-15]: 1.宇宙在大约500道尔顿以上是不遍历的[16](Da全称是Dalton,中文道尔顿,是分子量常用单位,将分子中所有原子按个数求原子量的代数和)。宇宙制造出复杂分子需要的时间非常长,比如200个氨基酸长的蛋白质,需要的时间比宇宙的寿命更长。所以宇宙不会制造出所有可能的复杂分子[13,17]。不同复杂分子的化学和物理性质是不同的,在生物学中,细胞中数以万计的不同分子其功能特性也是不同的。宇宙不是遍历的,因为它不会产生所有可能的复杂分子,大多数复杂的东西确实永远不会“获得存在”的机会。 2. 人类心脏的重量约为300克,结构复杂,其功能是泵血。这么复杂的人类心脏怎么可能存在于宇宙中呢?心脏之所以会存在于宇宙中的根本原因是,基于物理学的生命在演化中随着时间的推移而产生、演化和适应。生命体是一个遵循非平衡过程的特殊组织。生命体是康德式整体(Kantian whole),其部分为了整体而存在,并通过整体而存在。人类当然也是康德式整体,我们的部分为了我们的整体而存在,我们的部分也是通过我们生命的整体而存在。例如心脏泵血,肾脏净化血液,然后在肾的亨勒环(loop of Henle)中制造和排泄尿液。由于我们,作为康德式整体来繁殖后代,而我们的部分,例如心脏和肾脏也在繁殖和演化,以更好地为整体发挥作用。心脏的“功能”是泵血,而不是在心包囊中抖动水。部分的功能是维持整体,部分是整体因果属性的子集[13]。 如果不借助达尔文的自然选择和可遗传变异来研究器官的功能,及其适应性历时演化,我们就无法解释器官在宇宙中存在的原因,例如宇宙中为什么可以存在心脏用来泵血,或肾脏中存在可以净化尿液的亨勒环。 ? 选择是一种向下的因果关系(downward causation)。选择作用于整个生命体,而不是其演化中的局部。在不断演化的生物圈中,得以存在的是被选择出来的东西。 ? 解释箭头指向上方。整体的选择会改变部分的构成。 更详细地说,康德式整体具有的特性是,部分是为整体而存在,并通过整体而存在。一个简单的例子是一个由九个肽(peptide)组成的自催化集 [13,18]。在这里,肽1催化一个反应,将半片肽2组配成第二份肽2。这些半片肽2是从外源提供的“食物”。同样地,肽2催化形成第二份肽3。依此类推,在一个循环中,肽9催化第二份肽1的形成。整个九肽的集合是共同自催化的。这个集合是一个康德式的整体。这个自催化的物质集合具有以下特性: ? 它是集体自催化的[18],其中没有一个分子催化自己的形成。因此,这是一个康德式的整体,各部分确实为整体而存在,并通过整体而存在。 ? 部分的功能是其维持整体因果属性的那个子集,肽1的功能是催化肽2的第二个拷贝的形成。如果在这样做的时候,肽1会扰动培养皿中的液体,那么这个因果关系的结果就不是肽1的功能 [13,14,17,19]。 ? 该系统实现了催化的封闭:所有需要催化的反应在同一系统内都有催化剂。 ? 该系统具有最近被认知的强大特性——约束闭合(constraint closure)[12]:热力学功是能量释放到少数自由度上的约束形成的[20]。这些约束构成边界条件。九肽自催化集体系中的肽分子就是物理约束条件,它们约束化学能量的释放:每个肽分子结合下一个肽分子的两个底物,从而降低了活化能,使得化学能量释放到少数自由度上,从而进行热力学作功来结合两个肽段并构建出下一个肽分子。关键在于,肽分子集体构建自身,从而构建了约束能量释放的约束条件,这构成了它们进行自我构建工作的约束闭合[12-14]。 细胞可以说是在自我构建。不断演化的生物圈也在自我构建。而汽车则不具备这种能力,我们必须亲手将其制造出来。生命细胞构成了一种新型的物质和过程组织方式,将热力学作功、催化闭合和约束闭合有机结合在一起。从某种意义上说,这就是人们一直在寻找的“生命力”(vital force),但它并不神秘。因为生命细胞是开放式的热力学系统,能够自我构建,它们会构建出不断更新的边界条件,从而创造出新的相空间可能性。由于边界条件会不断变化,因此会出现新的“相关变量”,从而构成新的相空间。例如,就心脏而言,收缩压、舒张压、心脏血液射出量和血氧含量是现在具有功能意义的变量之一。如果没有新功能的适应性演化,我们又该如何解释这种现象呢? 生物体在演化中的适应性是可供性(affordances),通常通过遗传变异和自然选择来利用。可供性的一个例子[21]是,一个水平的表面为你提供了一个坐的地方。可供性通常指“我能够使用X来达成Y的可能性”。达成可以无需“思维”,而是通过“盲目的”遗传变异和自然选择,例如在心脏和肾升支亨勒环的演化中所实现的[15]。可供性并不是这个世界中的某种独立特征[22]。可供性是与演化中的生物体相关的,对于这些生物体来说,可供性可以通过遗传变异和自然选择被利用或弃用。生物学的自由度是可供性,或是对于演化生物体提供的相关机会。 在演化过程中,通常通过“合并选择”(co-opting)同一器官来适应新的功能。这被称为达尔文先适应或旧用新得(Darwinian preadaptations or exaptations) [23]。 这样的可供性(affordances)或者新的达尔文先适应性的典型例子,被遗传变异和自然选择所占用,包括如下:飞羽,早期为了保暖或作为刷子的功能而演化出来,但是被用于飞行的新功能[24,25];而晶状体晶状蛋白起源于酶[26]。 在鱼类的一系列演化事件中,鱼鳔的演化是一个很好的例子 [27]。鱼鳔通过调节其内部的空气和水的比例,可以来适配其在水体中的中性浮力。古生物学家认为,鱼鳔起源于肺鱼的肺部。水进入肺的局部区域,使得其成为一个充满空气和水的囊袋,可能由此逐渐演化成了鱼鳔。这就为相同的起源的“事物”——也就是肺——发展了新的用途,从而在不断演化的生物圈中出现了一种新的功能,即鳔在水中的中性浮力。 在演化过程中,通常会出现这种“可利用性”或新达尔文主义先适应性,被遗传变异和自然选择所捕捉。其中典型的例子如飞羽,它们早期演化出保暖或刷毛等功能,但后来被选择而发展出了新的飞行功能。[24] [25] [26] 新的底层问题在于:是否可能,通过从37亿年前开始推导到未来某个时间点(例如从今天起4亿年之后),从而在生物圈的演化中预先陈述所有可能的达尔文预适应性?我们当前的阐述希望表明的是:这是不可能的。 集合论不可逾越的极限 在生物圈的演化中,随着新的边界条件和新的相关变量出现,会出现新的相空间,这些相空间之前没有被预设过。那么现在这些新出先的相关变量是能够被预先设定的吗?我们希望能够展示一个令人惊讶的答案,即“不能”。我们必定会失败,因为我们不能事先计算、预测或推导出由遗传变异和自然选择捕获的新的可供性和相关变量的出现。 我们必定会失败,因为我们不能使用集合论或任何基于集合论的数学来可靠和妥善地模拟适应性作为“可捕获的可供性”的演化出现。这些考虑有些出人意料,重点在于生物圈演化特征对集合论基础的影响。我们强调,我们下面提供的不是数学证明,而是一种概念上的演示。 下面以一个工具使用作为例子,可能会更容易理解。假如在2025年的3月22日,伦敦街头摆放着一个螺丝刀,把它单独或与其他东西一起使用,可以有多少个“用途”呢?(i)拧紧螺钉,(ii)打开一罐油漆,(iii)将门用楔子固定,(iv)刮掉窗户上的灰,(v)作为“艺术品”,(vi)将其绑在木棍上,当作鱼叉来刺鱼,(vii)把这个鱼叉租借给当地渔民并抽取5%的收成,(viii)将螺丝刀靠在墙上,放置用螺丝刀支撑的胶合板,用这个构建的遮雨棚来保护油画……等等。 一把螺丝刀单独使用或与其他东西一起使用的用途数量是一个特定的数字吗,比如说11?用途数量是否是无限的?我们怎么知道呢?现在和未来1000年,螺丝刀的用途数量是“不确定的”或者可能是“未知的”。1690年没有人可以使用螺丝刀来让电路链接短路。必须强调的是,我们无法列举出螺丝刀的所有可能用途,因为我们不仅无法预测螺丝刀的未来可能利用的空间,而且螺丝刀的用途还取决于用户的目标和行动范围。同样的考虑也适用于任何物体,例如发动机的用途。它可以用来制造引擎,作为拖拉机底盘,用来打开椰子等等。 也许我们可以通过列举或演绎来列出螺丝刀的所有用途?这也是不可能的。有四种数学排序尺度:标称、偏序、区间、比率。物体的用途只是一个标称度量,而这些用途之间并没有顺序关系。此外,通常一个物体的特定用途并不能为推导出另一种用途提供依据。因此,物体的不同用途之间不存在“演绎关系”,例如,不可能从引擎可以作为纸张称重砝码的用途中推导出引擎也可以用来敲开椰子。 这些论点也支持在生物圈的历时演变过程中,适应性作为可供性的出现。不断涌现的新的可供性被演化所利用,并以一种不可预测的方式形成了不断更新的生态位和生物适应功能。我们现在要展示的是,我们不能使用集合论来推导生物圈历时演化中不断涌现的适应性[15]。 集合论的第一个公理是外延公理:“当且仅当两个集合具有相同的成员时,它们才是相同的”[28]。但是我们无法证明。螺丝刀的不可列出的用途与发动机块的不可列出的用途相同,因为我们无法一劳永逸地获得物体X的用途。因此,没有外延公理。如果没有外延公理,就无法定义集合。因此,无法建立可靠的集合论。 更糟糕的是,这些影响还涉及基于集合论的数学领域。当无法定义选择函数时,便需要使用选择公理[29],然而选择公理也无法应用。选择公理等同于“良序原理”[30],但在未经排序过的X的使用方案中,无法排出序列。 这个论点的一个结果是,当生命演化过程中出现新功能的时候,不可能使用数字。定义数字的一种方式是使用集合论[31]。数字“0”定义为每个元素都是0个的所有集合的集合。在我们的案例中,这相当于“所有只有0个使用的对象的集合”。然而,这不可能以对象、个体和目标为基础[22]。 另一种选择,则是通过皮亚诺(Peano)公理[32]。这需要一个空集和一个后继关系。但我们没有空集。此外,X的不同用法是无序的,因而也没有后继关系。 因此,在所有通过获取可供性而出现的历时适应中,无法出现数字。因此,没有整数,没有有理数,没有像 2+3 = 5 这样的方程。没有方程,因此没有无理数。没有实数线。没有带变量的方程。没有虚数,没有四元数,没有八元数。没有笛卡尔空间。没有向量空间。没有希尔伯特空间。没有X和Y的使用的并集和交集。没有一阶逻辑。没有组合数学。没有拓扑学。没有流形。没有流形上的微分方程。此外,如果没有选择公理,我们不能对我们无法编写的微分方程进行积分和取极限。 以上主张非常重要。因为这证明了,对于出现的新可供性,通过可遗传的变异和自然选择或行为中的有机体在其世界中行动,我们无法使用集合论的数学。这将产生广泛的影响。我们的中心主张是,无法使用基于集合论的数学,“世界不是一个定理”,这个论断已在其他地方发表[15]。基于此,我们得出结论,世界中的生物体不可能是通用图灵机,因此排除了通用人工智能的可能性[35]。这进而使我们考虑到心智是量子的,感性与波函数坍缩相关[36],正如von Neumann[37],Wigner和Margenau[38],Shimony[39]和其他人[40]所认为的那样。 我们能否找到一个正式的数学/逻辑证明来确证我们的论断?我们认为不行。我们的主张与哥德尔的著名定理并不相似。哥德尔的工作完全在数学的形式框架内进行。他从一组公理中证明了会有形式上不可判定的陈述。在目前的情况下,我们不在一个正式的框架内。要想找到我们主张的正式证明,似乎需要使用集合论的数学来正式证明我们不能使用集合论的数学。事实上,我们的主张就是存在着一个庞大的世界,超出了我们可以使用集合论捕捉到的范围。 第三次转型:我们已经超越了牛顿范式 这些事实意味着,无论我们感到惊讶与否,我们都处在科学的第三次重大转型当中了。如果我们既不能编写出也不能解出生物圈中历时演化的微分方程,那么我们就已经超出了牛顿范式所涵盖的范畴。新兴的生物宇宙学领域的最新研究也得出了同样的结论:演化的生物圈已超越了牛顿范式[17,19]。 不断演化的生物圈会进入它创造的相邻的可能性,然而我们却无法推导出相邻可能性中的“存在”是什么。我们无法获得这个过程的样本空间,因此既不能定义概率测度,也不能定义“随机”。我们无法进行充分的预测。这与常见的 Kolmogorov 概率公理形成了鲜明对比[41],Kolmogorov 概率公理的样本空间必须是已知的。 以上这些结论的意义非常重大。如果我们不能为我们的生物圈,或任何生物圈的历时演化编写和求解方程,并且我们不断演变的宇宙中至少有一个不断演变的生物圈,那么就不可能有一个涵盖演化宇宙中存在的所有事物的“万物理论”(theory of everything)。 这个结果一开始可能有点意外,但也许并不完全令人惊讶。哥德尔的第一不完备性定理保证,任何像算术这样,充分拥有有一致公理的系统都具有这样的性质:在给定公理和推理规则的情况下,至少存在一个命题,这个命题无法在系统内被证明或证伪。这个不可证明的命题本身是以算法方式生成的。如果将这个以算法方式生成的命题本身添加到初始公理中,则新的公理集合会再次以算法方式生成真值无法被证明或证伪的命题。 生物圈的演化不仅给出了哥德尔定理的实例,而且还远远超过了它。新的适应性,如分子的新用途,就像引擎块的新用途一样,不能从旧用途中推导出来。重要的是,可供性是参考自由度(referential degrees of freedom),而不是世界独立的物理特征。因此,在新的适应之前,可参照的新用途不能作为一个定理从现有分子的性质和功能,以及生物体的其他物理性质的知识中推导出来[15]。因此,它们不仅仅是类似于仅由算法生成的并无决定性的语句的类比。它们可以被解读为:如果我在生物圈中以一种新的方式存在一段时间。我的新存在,甚至我存在的可能性,都不能从截至目前为止的生物圈中推导出来。 最近的研究结果进一步证实了我们的说法。这些结果表明,宇宙中没有任何建模者能够构建一个完整的宇宙模型[45]。再强调一次,不可能存在“万物理论”。 不管是否情愿,我们观察到了我们或任何生物圈的演化都处在牛顿范式之外。那么这都有哪些影响呢? 1. 真的没有一个“万物理论”可以涵盖在不断演化的宇宙中出现的所有事物。这种万物理论的梦想是壮丽的,是很多杰出的科学家数个世纪的驱动力。希望我们的观点是错误的,如果是这样的话,请击败它们吧。 2.我们或宇宙中任何生物圈的演化不仅不被任何法则所涵盖,甚至似乎无法通过已知技术进行数学计算。但也许我们还可以发明新的数学来描述它。 3.如果没有任何法则可以规定生物圈的演化,而这种演化甚至无法进行数学化描述,那么生物演化就是彻底“自由的”,并且具有极大的创造性。下面的第5节希望找到能产生这种持续创造的一些意想不到的原因。 4.最重要的是,我们确实处于科学的第三次转型中。如果海森堡的不确定关系要求超越经典物理学的转型,我们无法使用集合论推导生物圈的演化似乎预示着另一个重大转型。这种转型的规模和意义目前还不太清楚。我们的宇宙以我们未知的方式展现其创造力。而我们对世界的理解将会因此改变。 综合功能的演变:涌现不是工程 如果生命的演化无法被推导出来,而我们必须放弃我们钟爱的牛顿范式。那么一个广阔的,未知的世界就会展现在我们眼前。我们对演化生物圈中,几乎奇迹般的自我建构和自发的协调功能组织获得了新的认识:在任何物理事物的不同用途之间不存在推导关系,比如在细胞中可以演化出用于催化反应的蛋白质不能推导出其后续会演化出承载张力负载或者托举分子马达的蛋白质。此外,细胞在物理上构建自己,并通过可遗传的变异和自然选择进化,不断获得不可推导的新可供性。 因此,生物圈中的细胞和有机体中的每个分子和结构都可以被单独使用,或与其他事物一起协同使用。为了无限的适应性新用途而被合并选择(co-opted)和选择,从而不断出现无数的新适应和新的物理事物,如新的蛋白质。这些新的用途不能从旧的用途推导出来。 然而,神奇的是,尽管一直在持续转变,这个整体的整合功能却总是被保持得很好,因为各部分的功能演化必须始终被整合到维持功能性的整体中,这是选择所作用的康德式整体的性质。选择作用于整体,决定了在非遍历的生物圈中,一段时间内“存在”的是什么。这是“向下的因果关系”。解释性箭头不仅指向下方[46]。 生物圈的演化确实是一个繁殖适应性构建(propagating adapting construction)过程,而不是演绎过程。这是在不断发展的康德式整体中进行的“持续功能整合的涌现”(sustained functional integrated emergence)。并带来了越来越高的适应度。 这就是涌现(emergence)。涌现不是工程。这种共同演化的生物圈的出现本身就是超越了牛顿范式。我们正处于科学的第三次转型,超越牛顿的伟大范式,这并不是一种损失,相反,这是一种邀请,让我们参与这种我们以前从未见过的神奇涌现。 我们开始很难理解这一点。一个不断演化的生物圈是一个自我构建、功能整合的开花涌现绽放过程。这种新的理解与佛教的“因缘起”的古老概念有着共通之处[47]。一个不断演化的生物圈是一种不断繁殖的构造,而不是必然的演绎的过程。不断发展的生物圈是不断涌现和创新的。土壤中共同演化的真菌和细菌创造了不断变化的“可能性气泡”,改变了生物圈的相空间。科学的第三次转变需要新的工具、实验和观测,以了解不断演变的生物圈和全球经济如何持续创造无法推导的新可能性。 科学的第三次转型的核心含义是,我们无法“指挥和控制”共同演化的生物圈。隐藏在我们写的方程式后面,我们看不到生命演化的奥秘所隐藏的现实。我们是演化的一部分,而非凌驾于其上的造物。 结论 如预期,21世纪正在成为生物学的世纪。这当然包括生物技术的爆炸、21世纪医学的出现以及对现有细胞和生物体在分子、细胞、有机体和生态系统水平上作为物理系统“运作”(work)的更深入分析。在这里,对物理学、化学、生物物理学、生物化学和分子生物学的依赖是必不可少的。这些问题既复杂又重要。我们正处于系统生物学时代。然而,继牛顿力学和量子力学两次转型之后,我们面临着科学的第三次重大转型。我们被迫走出美妙的牛顿范式。我们要接受,真的没有“万物理论”:我们或任何生物圈的历时演化都超越了推演法则,超越了基于集合论的数学。 宇宙中可能有1019个生物圈。演化中的生物圈具有极大的创造性,乃至超出了我们所知,也超出了我们的表述能力。面对神秘,我们选择向前。这意味着我们人类是自然界的一部分,而不是凌驾于自然之上。与其说是损失,不如说是一个巨大的邀请。我们可以尝试用新的方式理解生物圈,理解全球经济,甚至理解我们的文化是如何在数十亿、数百万和几十万年的时间里,通过不可推导、不必然、不断创新、不遍历的涌现,历时性地构建自己。我们不可避免地被邀请去重新看待现实。我们不可避免地被邀请负起责任、尊重并惊叹地分享共同创造生物圈不断演化的现实。
  • 《水环境综合治理成迫切需求 市场空间将逾千亿》

    • 来源专题:水体污染治理
    • 编译者:shenxiang
    • 发布时间:2017-06-28
    • 目前,我国水资源污染严重,单纯的“污水处理”已经不能满足水生态修复的需求。因此,水环境综合治理从控源和生态修复的核心出发,成为了目前治水的主题。而在政策驱动和需求升级的双重加持下,整个水环境综合治理的空间将逾千亿。   水环境综合治理的必要性。中国水资源面临两大困境:困境一,水资源短缺且分布不均,中国人均水资源约为2000立方米,仅为全世界人均水资源平均水平的1/4,属于轻度缺水国家。并且中国的水资源分布非常不均匀,长江流域及其以南地区占了全国81%的水资源,但是土地面积却只占全国不到40%;困境二,水资源污染严重,随着我国工业化和城市化的不断开展,全社会用水量不断上升。但是由于污水处理设施建设的滞后性,大量未经处理的污水直接排入水体,造成大量的湖泊和河流的水质低于生活饮用水标准,近一步加剧了水资源的短缺性。   水环境综合治理≠污水处理。污水处理是指将污水处理后达到市政污水排放标准,但是现行市政污水排放标准与地表水标准差距较大,致使处理后排出水质无法达到功能区域的水质要求。所以从污水处理升级到生态修复是必要选择。生态修复的重点是将受损水体通过外源污染控制、内源污染处理和生态系统修复三个过程,从而恢复成健康水体。   水环境综合治理的核心是控源+生态修复。根据国内外的治理经验,我们总结治理的核心是控源和生态修复,控源主要包括建立污水处理机制、减少排放、技术革新实现生态农业等。而生态修复则主要在于生态系统的重建,目前行业内比较成熟的方式是基于稳态转换理论的清水型生态系统重构法。   政策驱动+需求升级,市场空间将逾千亿。从政策层面上,“水十条”发布为十三五期间的水治理工作制定明确的完成目标和实施手段。在黑臭水体的治理上,住建部专门制定了计划安排,要求到2020年地级以上城市建成区黑臭水体控制在10%以内,到2030年要基本消除黑臭水体。从资金来源上来看,PPP模式的兴起则唤起了水环境综合治理新一波投资热潮。水环境综合整治的投入原来主要依赖政府的财政收入,项目主要以EPC/BT/BOT的模式进行。引入PPP模式可以把政府从资金链中摘出来,变成项目提供方和监督方。在财政部已经公布的3批示范项目中,涉及水环境治理的项目占比达到8.7%,项目总投资额超过1000亿。根据政策的指导,我们测算了水环境综合治理中最重要的两块水源地修复和黑臭水体治理两块的市场空间,到2020年这两块的总投资将超过1500亿,项目重点都将落在生态修复这块上。 正文   水是人类生产生活不可或缺的资源。   1、为什么要关注水环境综合治理市场   1.1困境一:中国水资源短缺且分布不均   中国水资源短缺。我国目前水资源总量为27962.6亿立方米,为全球水资源的6%,但是除以我国庞大的人口基数,人均水资源只有约2000立方米/人,仅为全世界人均水资源平均水平的1/4,在世界范围内排在105位。虽达到人均最低需求量1000立方米,但对比一些发达国家如美国人均8800立方米,瑞典人均17000立方米,差距十分明显。   我国水资源分布非常不均匀。长江流域及其以南地区占了全国81%的水资源,但是土地面积却只占全国不到40%,长江流域以北地区63.5%的土地却只有不到20%的水资源。各省份面临的稀缺程度也因人口数而异。根据不同地区供用水量,北京,河北,河南,辽宁,宁夏,山东,山西,上海,天津属于极度缺水,而福建,广西,贵州,青海,西藏,云南水资源丰富,人均量为前者的6倍以上。同时还需要扣除难以利用的洪水径流和散布在西部等地球的地下水,我国可实现利用的淡水资源仅剩11000亿立方米。若按照可利用的淡水资源人均水平,中国属于严重缺水状态。   根据水利部统计,全国669座城市中,有400座常年供水不足,110座严重缺水;在32个百万级人口以上的特大城市中,95%的城市长期受缺水困扰,不仅是干净的可饮用水,还包括灌溉、景观、消防等各类水源。   从水的需求端来说,主要有两大方面的短缺。一方面是符合标准的水来满足城市的四项基本用水需求,包括生产和生活等各个方面,特别是城市水源地以及主要水资源流域。另一方面是保证城市良好水环境的景观类生态水,不仅需要对城市整体水环境进行自净调节,更对地下水和外来水等有很好的平衡作用。 1.2困境二:水资源污染严重亟待治理   随着我国经济的高速发展,全社会用水量也在不断上升,农业用水比重较大但基本平稳,生活生态用水量及生产用水量在逐渐增加。分析GDP的不同产业来源,第三产业增长迅速,一二产业平稳增长。总体来看,随着GDP的增加,用水总量也呈波浪型增加。   工业加工产生的废水以及人们生活产生的污水排放量已不容小视,其中生活污水排放一直以较高速增长,工业废水近年略有下降但仍处于较高水平。根据国家统计局到2015年的数据,2015年排放的废水污水加起来达到715亿吨,比黄河一年总流量还多。未经处理的污水对江河湖海会造成巨大的污染,不仅携带着有毒化学物质,还会破坏水生态系统,甚至成为“臭黑水”。污水废水排放增多,对环保的要求也越来越高。尽管城镇污水处理率在缓慢上升,但仍有大量未处理污水直接排入自然界。虽然污水处理率已经逐步提高到70%以上,每年没有经过处理的污废水仍超过200亿吨。   我国的地表水执行的是《地表水环境质量标准》(GB3838-83),根据环境功能和保护目标分为5类。根据国家水利部公布的《2014年中国水资源公报》披露的数据,2014年对全国21.6万km的河流水质状况进行了评价。全年Ⅰ类水河长占评价河长的5.9%,Ⅱ类水河长占43.5%,Ⅲ类水河长占23.4%,Ⅳ类水河长占10.8%,Ⅴ类水河长占4.7%,劣Ⅴ类水河长占11.7%,其中东部地区的水质相对较差。而湖泊的测评结果也不乐观,全国开发利用程度较高和面积较大的121个主要湖泊共2.9万km2水面中,全年总体水质为Ⅰ——Ⅲ类的湖泊有39个,Ⅳ——Ⅴ类湖泊57个,劣Ⅴ类湖泊25个,分别占评价湖泊总数的32.2%、47.1%和20.7%。对上述湖泊进行营养状态评价,大部分湖泊处于富营养状态。处于中营养状态的湖泊有28个,占评价湖泊总数的23.1%;处于富营养状态的湖泊有93个,占评价湖泊总数的76.9%。   除生活污水,工业废水排放以外,我国本就稀缺的水资源还存在农业污染,水土流失等问题,且包含了难以利用的洪水径流和分散在土壤深层的地下水。水资源短缺和污染不可忽视,水环境治理迫在眉睫。 1.3水环境综合治理≠污水处理   过去的水环境治理的概念多局限于污水处理。污水处理是指将污水通过物理、化学或者生物的方法处理后以达到市政污水排放的标准,污水处理率的提升成为各地政府的考核标准,也催生了大量的污水处理公司。但是需要注意的是现行市政污水排放标准与地表水标准差距较大,致使处理后排出的水质无法达到功能区域的水质要求,也就是说污水处理率上升只会减缓环境恶化,但并不能改善。   从污水处理到水生态修复的升级是必要的。水体不同于水,水体是个复杂的、相互作用的系统。过去单纯的污水处理可以在短期达到污染物清理达标、水质标准上升等目的,但因为水体的生态系统没有发生根本改变。在封闭环境内,一段时间后水体还会回到治理前的状态。而过去的水体恢复处理工程的一些方案,如利用水葫芦吸收水中污染物,表面上解决了污染问题,其实是有害于水生态系统的,因为引进新的物种是比污染更加严重的状况。只有在多层的生态修复技术的调控下,才能重新建立起健康的水生态系统。以污水处理作为第一步,水生态修复的完整过程能起到“治标更治本”的作用。   2、政策驱动+需求升级,市场空间将逾千亿   2.1“水十条”吹起治理号角,各省市积极落实治理细则   水环境综合治理行业的最大助力来自国家及地方政府的重视,这也反映在近几年密集出台的法规政策中。从2015年二季度的《水污染防治行动计划》,到十三五规划,再到2017年政府工作报告,水环境是最关心的话题之一。   2015年4月,国务院出台了《水污染防治行动计划》(水十条),提出了以改善水环境质量为核心,按照“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”原则,系统推进水污染防治、水生态保护和水资源管理。对十三五期间水治理的工作制定了要求:定调了要推进生态文明建设,以改善水环境质量为核心。并提出了明确的工作目标,到2020年,全国水环境质量得到阶段性改善,污染严重水体较大幅度减少,饮用水安全保障水平持续提升,地下水超采得到严格控制,地下水污染加剧趋势得到初步遏制,近岸海域环境质量稳中趋好,京津冀、长三角、珠三角等区域水生态环境状况有所好转。   在城市水体和相关流域水治理方面的要求有:   (1)到2020年,长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河等七大重点流域水质优良(达到或优于Ⅲ类)比例总体达到70%以上,地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内,地级及以上城市集中式饮用水水源水质达到或优于Ⅲ类比例总体高于93%,全国地下水质量极差的比例控制在15%左右,近岸海域水质优良(一、二类)比例达到70%左右。京津冀区域丧失使用功能(劣于V类)的水体断面比例下降15个百分点左右,长三角、珠三角区域力争消除丧失使用功能的水体。   (2)到2030年,全国七大重点流域水质优良比例总体达到75%以上,城市建成区黑臭水体总体得到消除,城市集中式饮用水水源水质达到或优于Ⅲ类比例总体为95%左右。   (3)到2020年,组织完成市、县域水资源、水环境承载能力现状评价。(环境保护部牵头,住房城乡建设部、水利部、海洋局等参与)   (4)开展饮用水水源规范化建设,依法清理饮用水水源保护区内违法建筑和排污口。单一水源供水的地级及以上城市应于2020年底前基本完成备用水源或应急水源建设,有条件的地方可以适当提前。   (5)地级及以上城市建成区应于2015年底前完成水体排查,公布黑臭水体名称、责任人及达标期限;于2017年底前实现河面无大面积漂浮物,河岸无垃圾,无违法排污口;于2020年底前完成黑臭水体治理目标。直辖市、省会城市、计划单列市建成区要于2017年底前基本消除黑臭水体。   《水污染防治行动计划》政策指导下,中央财政还专门安排设立了用于支持水污染防治和水生态环境保护方面的资金,并于2015年7月公布了《水污染防治专项资金管理办法》。专项资金重点支持范围包括:(一)重点流域水污染防治;(二)水质较好江河湖泊生态环境保护;(三)饮用水水源地环境保护;(四)地下水环境保护及污染修复;(五)城市黑臭水体整治;(六)跨界、跨省河流水环境保护和治理;(七)国土江河综合整治试点;(八)其他需要支持的有关事项。其中,办法中说明地方财政对采用政府和社会资本合作(PPP)模式的项目予以倾斜支持,并主要采取因素法、竞争性等方式分配,采用奖励等方式予以支持。   随着“水十条”的出台,各省市地方政府也相继推出地方水污染防治工作方案,积极响应国务院号召并提出地方具体的目标和治理要求。其中,消除黑臭水及提升饮用水安全水平,恢复水生态系统被绝大多数地区列为防治目标,并且设立了分年度及分流域的指标,明确了牵头单位与责任单位,细化了水环境治理的具体措施和目标清单。此外,一些省市如湖南,江苏,山西,上海等提出的主要指标甚至超过国家指标要求或规划提前完成阶段目标。还有地区设立专项工程,如河南省“碧水工程”并设立了9个实施方案,可见地方政府坚决治理水环境的决心。   密集的政策带动资本积极投向相关领域。而传统的EPC/BT/BOT模式也迎来升级。   2.2新商态:PPP模式带起社会投资热潮   从2014年开始,中国PPP模式的制度化建设正式提上日程,顶层设计从法律法规、管理机构、操作指引、标准化工具和专业培新等方面构成了完整的PPP框架。根据使用者是否付费以及付费是否可以覆盖投资,PPP主要可以分为三种模式,适用于不同的行业。水环境综合治理大部分属于政府付费模式。   水环境综合整治的投入原来主要依赖政府的财政收入,项目主要以EPC/BT/BOT的模式进行。而引入PPP模式可以把政府从资金链中摘出来,变成项目提供方和监督方;引入社会资金实现利益共享、风险共担以及长期合作。   从2014年12月开始,财政部陆续公布了三批PPP示范项目,总项目数达到715个,其中涉及水环境治理项目一共有62个,项目数量占比达到8.7%,总项目投资额达到1111.8亿。具体的项目包括通州区北运河流域水环境治理(总投资64.3亿)、荆门市竹皮河流域水环境综合治理(总投资34.1亿)、大理州洱海流域生态修复和综合整治(总投资77.9亿)等全国重大水环境治理项目。68%的项目属于政府付费模式,并且合作年限以11-20年区间为主。 从2015年开始,发改委在国家部委层面上的PPP项目库里,目前已经发布了超过5000个项目,其中约7%的项目涉及水环境治理,预计总投资额超过1200亿。随着这些项目的逐步审核实施,将带动大批社会资金投入到水环境治理行业中。   2.3水源地修复+黑臭水体治理市场空间将逾1200亿   我们对于实施“水十条”将带动的水生态修复的市场空间进行测算。有别于现在环保市场主要关注的污水处理市场,水生态修复市场主要面对的是已经被污染的水体环境,是整个环境的生态平衡再建。   首先在饮用水水源地的治理方面,根据环保部正式推出的三批全国重要饮用水水源地名录,175个水源地(有些大的城市不止有一个水源地),其中水库水源地66个,地下水水源地32个,河道水源地77个。在“水十条”中明确规定到2020年底单一水源地供水的地级及以上城市需要完成备用水源或应急水源地的建设,所以预计这个名单将会扩展50%左右。以水库水源地的治理为例,如果一个中等大小的水库水源地的水质由于受污染等原因低于Ⅲ类,但是高于等于Ⅴ类。那么根据现有的市场物价和手段,综合投资大约在30亿,其中约9%专门用于水生态恢复。假设全国20%的水源地有治理需求,那么整个水源地生态恢复投资的市场空间将达到356亿。   而另一个治理重点是黑臭水的治理。根据“水十条”要求到2020年中国地级市及以上城市的城市建成区黑臭水体均控制在10%以内的要求。目前登记的黑臭水体数量在2082个,其中已经完成整治的比例在34.9%、正在整治的比例为28.4%。我们假设平均单条黑臭河治理长度为3km,每千米的投资成本约为3500万。我们测算到2020年,整个城市建成区的黑臭水体的投资总额将达到1205亿。   3、借鉴+总结,水生态修复树立行业标准   3.1他山之石:借鉴国外成熟的治理经验   国外对水污染治理的重视较早,因此也累积部分先进的治理方法和措施,也有很多经典的案例,比如英国对泰晤士河、瑞士对日内瓦河、日本对琵琶湖、德国、法国、荷兰等九个欧洲国家对莱茵河的成功治理,主要措施包括:政策强制征收污染税、跨区域合作、普及污水处理厂和土地处理系统。这些积极经验和主要措施能够为我国在治理水污染方面提供借鉴作用。   点面结合,日本琵琶湖的三十年蜕变分析:点源污染控制(超高净度污水处理系统)和面源污染控制(下水道普及与生态修复)   流域点源污染控制:琵琶湖流域水污染控制的核心是大型集中式污水处理净化中心,从1970年开始,政府将湖区分为四个处理区,并建立了4个大型集中式污水处理净化中心,并在较远区域建立了5个较小的污水处理厂。所有的污水处理厂均采用超高度处理技术,TP及CODmn的去除率高达99.4%及97.1%以上,最大限度地使排放水接近自然湖体的水质。同时对产生的污泥也进行最大限度的回收和资源利用,避免二次污染。   流域面源污染控制:主要包括四种处理方式(1)净化槽和下水道,净化槽用于处理一家一户或楼房排放的生活污水,而下水道则实现了全面的管网收集;(2)农业集落排水处理设施,即农村下水道,能有效地防止农业用水水质污染,与公共下水道一样,在二级水处理的基础上增加了脱氮除磷的高度处理;(3)环境生态修复,在琵琶湖的周边以及湖区进行生态修复,包括水生植物和周边植被的种植,恢复湖区作为生态系统的自我净化能力。   3.2水环境综合治理的核心:控源+生态修复   “三河三湖”是指流经我国人口稠密聚集地的淮河、海河、辽河和太湖、巢湖、滇池,这些重点流域的水污染治理事关我国接近半数的省市社会经济发展,以及人民群众的生活质量,是我国水污染防治工作的重中之重。根据几十年“三河三湖”的治理经验,治理的核心是控源和生态修复,控源主要包括建立污水处理机制、减少排放、技术革新实现生态农业等,而更重要的措施落在综合治理修复水质上面。包括采取清淤、坡岸治理、生态植物群落重构等各种措施来实现湖水体的综合整治。   所以我们认为在目前这个阶段,中国的污水处理率已经接近80%,综合整治的核心应该落在生态修复上。国际上已在使用的或已进入中试阶段的污染水域治理与生态修复技术可分为物理法、化学法和生物/生态法三大类。但是每种单列的方法只能解决水体部分的问题。   水生态修复是以恢复或重建受损生态系统结构为目的的技术,依靠修复水体原有结构从而恢复原有的主要生态功能。与利用某些生物的特性解决水体中某一特定问题的技术不同,水生态修复是一个系统的规划。只有从诊断污染受损水体生态系统出发,制定外源污染控制、内源污染治理和生态修复工程,才能达到治理目标。   生态恢复的重点就是对生态系统施加多种手段以实现浊水稳态向清水稳态的转换。主要的驱动力包括:   (1)降低水中营养盐浓度,控源截污是前提。   (2)提高水体透明度,透明度是浮游植物量与无极悬浮物量的综合反映。   (3)清楚杂食性与草食性鱼类,主要是保证沉水植物在恢复初期不被牧食。   (4)重污染底泥疏浚与基底恢复,底泥疏浚是保证内源磷释放的有效措施,基底修复有利于不同水生植物类型的构建。   (5)采用软围隔营造静水环境,可以有效地防止因风浪的影响而引起的底质再悬浮等。