《Progress in Physical Geography: Earth and Environment》：Complexity, selectivity, and evolution in Earth surface systems: towards a unified framework
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地球表层系统展现出持续的模式、定向变化以及形态的差异化存续，这些现象与演化过程相似。复杂性科学和地球系统理论的最新进展为理解这些动态提供了基础，而无需诉诸生物目的论。本文综合了关于非生物变异–选择–保留（VSR）过程的新兴研究，并论证了复杂性为选择压力的运行提
地球表层系统展现出持续的模式、定向变化以及形态的差异化存续，这些现象与演化过程相似。复杂性科学和地球系统理论的最新进展为理解这些动态提供了基础，而无需诉诸生物目的论。本文综合了关于非生物变异–选择–保留（VSR）过程的新兴研究，并论证了复杂性为选择压力的运行提供了生成背景。地球表层系统具有数量众多、多相性、等级组织、反馈和非线性等特征，从而产生自组织的涌现结构以及多重稳定状态。在此框架下，四种非生物选择模式——梯度选择、抗阻选择、网络选择和热力学选择——青睐高效、稳定或持久的配置。将这些选择机制与吸引子、目标函数和历史偶然性等概念相整合，形成了对地球表层演化的统一解释。该综合阐明了景观和环境系统如何随时间生成、过滤和保留形态，并为生物与非生物演化思维之间提供了概念桥梁，对地貌学、土壤学、水文学、生态学和气候科学具有启示意义。
引言
传统上，演化概念与生物系统相关联，然而许多非生命的地球表层系统表现出类似行为：它们产生变异，表现出形态的差异化存续，并经历定向变化。复杂性科学加强了将演化思维扩展至地貌、气候、水文、土壤和生态系统的理由。许多地球表层系统符合“组织复杂性”——处于简单性（少数变量）与无组织复杂性（大量变量）中间的系统。中间系统常涉及非线性动力学，由混沌理论和复杂性科学研究。地球表层系统具有开放性、多相性、交互性、自组织性、等级性以及紧密耦合的反馈和非线性关系，这些特征为类似于自然选择的非生物选择性提供了条件。非生物选择认为变异、选择和保留（VSR）过程广泛运行于非生命系统中，产生高效、稳定或具有其他优势的持续配置。此外，历史偶然性（过去状态、继承结构和路径依赖的影响）的新观点更新了关于过程与历史在塑造地球表层系统中相对作用的争论。总之，复杂性为选择性提供了架构，没有众多交互组分、非线性反馈和自组织倾向，就没有可供选择的配置多样性，也没有形态差异化存续的机制。
复杂性作为选择性的背景
为什么地球表层系统是复杂的
地球表层系统被视为复杂系统，因为它们涉及大量个体组分相互作用并自组织以创造稳定大尺度结构。复杂性科学研究的系统由大量不同性质的组分或子系统组合产生多尺度涌现现象。地球表层系统的构成属性包括数量众多（numerosity，许多交互的物理、化学和生物组分）和多相性（multiphasicity，固体、液体、气体和生物组分的混合物）。结构属性包括等级组织（hierarchical organization），具有从微观到巨观的嵌套尺度。动态属性包括开放性（openness）、交互性与反馈（interactivity and feedback）、非线性（nonlinearity）、自组织（self-organization）和涌现（emergence）。非线性关系尤为重要，产生振荡、混沌和多重稳定状态（multiple stable states）。复杂性为选择性提供了背景：没有众多交互组分、非线性反馈和自组织倾向，就没有变异可供选择，没有配置的差异化存续，也没有定向变化的机制。
适应性
适应性概念在地球表层科学中仍存在争议。地球及其子系统能以不同方式响应内外强迫。一些学者将地球表层系统描述为复杂适应系统（CAS），但该命名并不简单。主要分歧在于适应性定义：Ladyman和Wiesner认为适应性行为需要修改行为以依赖环境状态和预测，将此术语保留给生命系统或生命体创造的系统；其他学者采用更广泛的非认知定义，只要交互代理产生系统级属性且不能从单个组分理解，地球表层系统就可视为CAS。这种张力反映了更深层的概念问题：适应性是否需要意向性还是仅需要功能响应。地球表层系统显然缺乏有机体的预测能力，但它们确实通过反馈和交互调整以适应内外强迫。这种功能适应性（functional adaptivity）与强调涌现、反馈和系统级调整而非预见的CAS定义一致。因此，地球表层系统可被视为功能适应性的，即使它们不是认知适应性的。它们重组、转移动态机制或定居于新吸引子的能力是其复杂性（开放性、反馈、非线性和自组织）的产物，而非有意行为。
选择性
选择性指特定系统配置优先存续。尽管人类代理能预测，所有其他系统代理（生命和非生命）不能，但它们能通过变异、选择和保留过程适应潜在变化。选择一词因与达尔文生物学关联而带有概念负担，但演化逻辑向生物领域外的扩展有悠久脉络。近期，Phillips阐明了非生物选择的基本逻辑：变异发生；一些变异更高效、稳定、持久或其他方面有利，因此被选择；被选择的变异比其他变异更可能被保留，通过优先保存、增强或复制。这套条件足以使选择发生，称为变异–选择–保留（VSR）逻辑。非生物系统中的选择性往往是收敛的，因为物理定律约束了调整的自由度，许多形态在多地独立重复出现。Phillips确定了四种主要的非生物选择模式：梯度选择（gradient selection）强化沿陡梯度最大化通量的路径；抗阻选择（resistance selection）保留更耐久的材料或结构；网络选择（network selection）青睐分支树状结构以优化传输效率；热力学选择（thermodynamic selection）驱动系统趋向最有效耗散能量梯度的状态。这些模式共同提供了理解为何特定配置出现并跨地球表层系统存续的框架，选择性作为一种定向变化的机制，塑造系统演化而无需目的或生物目的论。
非生物系统中的演化
非生物演化也受历史偶然性塑造。尽管物理定律约束系统行为，系统遵循的具体轨迹取决于继承结构、初始条件和偶然事件。小扰动可重定向系统路径，尤其在存在阈值和临界点的非线性机制中。VSR框架为理解非生物演化提供了连贯机制：变异通过物理过程产生；选择压力青睐特定配置；保留通过优先保存、正反馈或复制发生。随时间推移，这些过程产生累积的定向变化，即使没有基因、繁殖或生物动因，也可被识别为演化。非生物演化将复杂性、选择性和历史偶然性联系成统一解释，将景观、土壤、水文网络、生态系统和气候机制重新框架为动态演化系统，由作用于多样可能状态的选择性过滤塑造。
一个具有挑战性的问题是何种“引导”此演化。Phillips使用了“目标函数”（goal functions）和“吸引子”（attractors）术语，目标函数作为标准的总称，用于支配系统运行和发展，吸引子作为系统趋向演化状态或条件。需注意：目标函数最初用于生态学描述生态系统发展方向，不意味着预定目标；吸引子可作为总称，也广泛用作由自组织过程在系统状态空间内产生的区域，系统随时间趋向该区域，不意味着演化是预定的。根据系统稳态数量，目标函数和吸引子主要分为两类：单稳态系统（single-path, single-outcome）和多稳态系统（包括双稳态 bistable 和多稳态 multistable）。单稳态框架如生态系统向顶极群落发展、土壤向成熟状态发展、景观向准平原发展，虽大多被取代，但部分有观测支持。双稳态和多稳态术语在生态学中流行，用于描述生态系统可存在于多于一种配置，扰动跨越阈值导致状态转移。气候模型揭示气候系统状态空间更复杂，存在多于两个吸引子，例如雪球地球（Snowball Earth）和温室状态（hothouse state）的双稳性，以及近期研究发现的五个共存吸引子（雪球、温水带、冷态、热态等）。生态系统中的双稳态例子如河口沙坝开闭导致的无脊椎动物群落转换，多稳态在捕食者-猎物食物网和微生物群落中也有报道。
历史偶然性与路径依赖
历史偶然性和路径依赖对理解地球表层系统演化至关重要。尽管物理定律约束可能行为范围，系统遵循的具体轨迹受其历史塑造。小变化可能导致方向重大改变，这是非线性动力学的标志，其中阈值、分岔和反馈将小扰动放大为不同结果。历史偶然性指过去状态对现在和未来系统行为的影响。景观、土壤、水文网络和气候机制都带有早期配置的印记。路径依赖捕捉了系统一旦开始沿特定轨迹移动，反馈和约束使替代路径越来越难访问。二者共同解释了地球表层系统为何表现出方向性和不可逆性。即使外部条件回到早期状态，系统可能不重溯先前轨迹，因为其内部结构已变。这种不对称性是非生物系统演化动态的定义特征：演化不仅是外部强迫的响应，还是由系统自身历史塑造的累积过程。这些概念也阐明了非生物演化与生物演化的区别：生物演化由遗传继承驱动，非生物演化由结构继承（structural inheritance）驱动——形式、材料和配置的存续约束未来可能性。然而逻辑类似：过去状态影响当前变异；选择压力作用于变异；保留机制保存特定配置。历史偶然性和路径依赖提供了VSR框架的时间维度，解释了为何相似选择压力在不同地点产生不同结果，为何某些系统状态比其他状态更易访问，以及为何地球表层系统沿独特的、依赖背景的轨迹演化。
历史偶然性
多个术语用于捕捉地球表层系统对其过去的依赖，包括历史偶然性、历史依赖、路径依赖、继承、遗留效应和记忆。历史偶然性有时作为总称，其他术语表示其不同形式。虽然普适物理定律约束系统行为，系统遵循的具体轨迹严重依赖其历史。复杂性科学提供了理解内在性（immanence，定律支配过程）与构型（configuration，历史塑造状态）如何交互的框架。历史偶然性源于三种普遍现象：继承、路径依赖和动力不稳定性，后两者可归为历史依赖。继承是过去系统状态的存储或记忆影响当前状态，在地球和环境科学中称为遗留效应（legacy effects），如冰川遗留、大气滞后、土壤记忆、生物和生态遗留。历史依赖更广泛指过去事件和状态对系统未来状态的影响，常聚焦于路径依赖。路径依赖发生在初始接近的动态系统轨迹因非线性过程作用于初始条件微小差异而发散，或作为对特定事件的响应。非线性过程产生动力不稳定性，使小扰动或变异的影响随时间持续或增长。路径依赖通过自增强机制（正反馈）使系统沿特定路径发展越来越根深蒂固，或当扰动或跨越阈值将系统推向不同路径。路径依赖在土壤发育中表现为多路径现象，如美国北卡罗来纳州沿海平原砂质母质上灰化与淀积两种路径的分异或收敛。气候模拟也显示过去300万年Plio-Pleistocene冰川演化的强路径依赖和滞后，由火山二氧化碳逐渐减少驱动。
结论
选择性和演化是地球表层系统的基本属性，但它们仅在复杂性更广泛背景中运行。地球表层系统是非线性、开放、多相、交互、自组织、等级的系统，这些特征创造了VSR过程可发生的条件。复杂性提供生成环境：它产生变异，实现反馈，并创造高维状态空间，使多路径成为可能。在此框架内，选择性提供定向变化的机制。梯度、抗阻、网络和热力学选择过滤系统配置的多样性，青睐在现行条件下更稳定、高效或 resilient 的配置。这些选择过程解释了为何某些形态（如树枝状网络、优先流径、新月形沙丘）跨环境重复出现，也解释了为何地球表层演化可以是定向的而无需诉诸目的或生物目的论。历史偶然性提供叙事维度。系统演化不仅因为普适定律运行，还因为它们在历史上塑造的配置上运行。继承、路径依赖和动力不稳定性确保系统遵循的轨迹依赖其过去：小扰动可能重定向发展，继承结构约束未来可能性，反馈可巩固特定路径。这种内在性与构型的交互呼应了Simpson的区分，并有助于解决地貌学和地球系统科学中过程与历史相对作用的长期争论。总之，复杂性、选择性和历史偶然性形成理解地球表层演化的连贯三元组：复杂性创造多可能路径；选择性决定哪些路径被强化；历史偶然性决定哪些路径被采取。这一综合解释了为何地球表层系统既展现收敛形态（如沙丘、河道、图案地面）又展现分异历史（如土壤时序、生态轨迹、气候路径），并将过程-历史争论重新框架为单一演化框架的互补维度而非竞争范式。
