[科普]大自然和人类社会的一种普遍自组织形式—金字塔（1)

                     方锦清

          (中国原子能科学研究院，北京)

古今中外，自然界和人类社会的组织结构，丰富多彩，千姿百态，无人不晓。一提起金字塔，也无人不知，它们的广泛性和普遍性存在于我们周围的大千世界中，几乎已经熟视无睹。科学家研究发现，金字塔结构实际上是复杂系统的一种共同的典型的自组织形式,这种金字塔结构具有一些优点和特殊性，比如，具有稳定性等。现实世界上著名的金字塔结构要数埃及金字塔，例如，玛雅金字塔、阿兹特克金字塔或太阳金字塔、月亮金字塔等，不过这些古代金字塔先民们把它作为重要的纪念性建筑，如陵墓、祭祀地、寺庙各种塔等。人类史上金字塔的最闻名和最大之谜是埃及金字塔,如图1所示，它的神奇远远超过了人类的想象。

     图1古埃及胡夫金字塔内部结构示意图

在埃及共计大约110座大小金字塔中，最著名的就是吉萨高地的三大金字塔。这些大大小小的雄奇建筑，分布于尼罗河两岸，其中最高大最著名的就是胡夫金字塔(图1)，耸立于开罗以西10 千米外的吉萨高原，那里荒砂遍地、碎石裸露，是一片不毛之地，金字塔充分显示出之无比坚固和稳定，令人赞叹！它修筑于4500 年以前，是人类有史以来最大的单个人工建筑物。古埃及设计金字塔的初衷是什么？为什么这座金字塔可以在风沙弥漫中继续存在10万年而不会损坏？ 至今它们的神秘的面纱还没有完全揭开！探秘一直在进行中.金字塔在建筑结构学上说，它系指角锥体建筑物，一般来说基座为正三角形或四方形等的正多边形，侧面由多个三角形或接近三角形的面相接而成，顶部面积非常小，甚至成尖顶状，像一个“金”字，因此称为金字塔。历史上出现金字塔时代，持它续了1000年（大约公元前2700年至1750年），属于早期的法老文明。对应于现代历史学家所称的古王国和中王国时期。而贯穿整个金字塔时代的一条线索就是法老的葬礼：他们的坟墓是作为永恒权力象征的巨大石砌金字塔，数量众多，散落于沙漠之中。法老统治下的早期埃及被认为标志着一个黄金时代的到来，埃及许多地方的圣殿之内，教士供奉着多位神灵。正是依靠这些神灵的保佑，古埃及人才得以维持宇宙秩序，避免重返混乱状态。将作为一个制高点和范本永存于人们的记忆之中。它从地中海到非洲内陆，古埃及绵延630英里，据估计金字塔时代的埃及面积将近3100平方英里。从一开始就成为多民族的摇篮。这种多样性特征源于公元前四世纪的几次人口迁徙。多种民族特征的融合最终形成了一个与众不同的古埃及“样式”，并以金字塔形式表现的淋漓尽致。

值得注意的是，现代的金字塔含义已经被广泛延伸了，不仅有现实世界的金字塔建筑形式，而且有隐喻各种各样的多层次组织形式的金字塔，也就是出现了描述一大类复杂系统的网络金字塔。例如，各国行政组织机构的多层次权利结构金字塔，中国从中央人民政府即国务院到基层的乡镇人民政府，从国务院各部、委、行、署到市县的职能局、办，构成了一个完整统一多层次的行政组织系统，虽然有不同的结构模式，但是最重要的是全国各级人民政府的排列，呈现一种金字塔式权利结构。

需要指出的是，在探索大自然和人类社会的复杂系统的组织形式及其奥秘中，科学家也提出和构建了多种形式的网络金字塔，我们也发表了《多种类型的网络复杂性金字塔》论文，揭开了描述复杂系统和复杂网络的金字塔不同层次性质及其相互转变特点。下面就大自然和人类社会中的若干金字塔作一简单介绍。

生态或生命系统中的能量金字塔、食品营养金字塔、人类需求金字塔等。特别是，国际上网络科学的领军人物、物理学家巴拉巴西与生命科学家佐尔坦（Zoltan）在2001年共同提出了生命复杂性金字塔^【1】，在他们的启发下，随后2004年-2008年期间，我们在国家自然科学基金第一个网络科学的重点项目支持下，中国原子能科学研究院与上海交通大学及北京师范大学合作开展了“非线性动态网络动力学的复杂性研究”。我们原子能网络科学小组发现网络金字塔是一大类型复杂系统的组织形式，分别提出了多种网络金字塔^【1-10】，包括：七大层次的网络模型复杂性金字塔、四大层次的高科技网络金字塔以及多种多样的广义Farey网络金字塔，从而丰富和揭示了对于复杂网络金字塔奥秘的认识。本文让我们来领略多姿多彩的网络金字塔及其复杂性。

1 生态网络能量金字塔

图2 生态网络系统中的能量金字塔

2.人类互联网需求金字塔

网友们经常上网，特别是青少年们，想过对于世界上最大的两个人工网络互联网和万维网，你们有什么需求吗？也就是，你们通过上网想达到什么目的呢？70多年前，美国科学家马斯洛（Abraham H. Maslow 1908 -1970）就提出了人类需求的“马斯洛”金字塔，你们不妨把它与自己的需求比较一下。如图3所示.

图3 人类需求互联网“马斯洛”金字塔

根据马斯洛的理论提出的广大网民对于互联网的不同层次的需要金字塔,从上到下包括五个层次:第5层为最高层，这层次的网民不仅要浏览和享受网络的快乐，并且希望自己在网络上应有所作为，能够对网络作出自己的贡献，这一层次是很有抱负的网民；第4层次上，这个层次的网民期望个人在网上能够获得网友的应有尊重;也就是在网上保持应有的个人尊严，不被别人凌辱和看不起；第3层是大家在网上同样需要现实世界的人间关爱和温暖;第2层次网民需要在网络上获得安全方面的保证，有一种安全感;第1层次上网民要求是起码要满足自己上网享受的生理或心理的需要和欲望。不难发觉，对于这些层次的需求大家在不同程度上都有一定的愿望，只不过需求的强烈和程度不同罢了。

确实，每个人都隐含上述的需求，特别是，青少年在学校受教育是为了什么？当然，首先就是树立远大的理想和志向，为了将来给国家作出大的贡献，可以肯定的每人都有一个出彩的中国梦，将来能够成为国家栋梁之才，这正是国家和个人的最高层次的需求；同样青少年在学校受教育需要获得安全、关爱和尊重，大家能够健康成长。这些需求实际上也体现在我国各行各业里。例如，我国企业界把“马斯洛需求金字塔” 推广应用到企业管理方面，金字塔式自下至上是，生理需要，安全需要，社交需要，尊重需要，安全需要。问题是：如何把这个金字塔与企业职工积极性和企业发展联系起来？对于生理需要和安全需要,首先要了解员工目前处于什么需求状态，应该怎么办，需要改善企业的硬环境来给员工一个有家的温馨的环境。社交需要：看员工目前的需求和状态，然后考虑怎么办，例如多组织各类社团活动，让员工与员工之间沟通感情。尊重需要：看员工目前是什么需求状态，怎么进行人性化管理，完善申诉及建议渠道，例如工会，职工代表大会，员工自治，让员工得到应有的尊重，发挥主人翁的精神。自我实现需要：了解员工目前的实际需求，然后怎么完善员工晋升渠道，人尽其才，发挥他（她）们的才能，为员工设计职业生涯规划，提供广阔的发展空间。请去看我在科学网上的博客：“令人惊叹的超一流办公室！”如果说，世界上最好的办公室觉得是非谷歌的办公室莫属，他们最懂得员工的需求，完全把人类 “马斯洛”需求金字塔表现得淋漓尽致。整个办公室区域充满了设计感与科技化的装饰、躺椅、按摩床、洗浴区、健身房、游戏区，办公区内有免费的吃不完的美食餐厅，零食区、甚至还有麦当劳、电影院等等。这里就像是一个迷你城市，你完全可以在这里找到另一半，不出办公室就已经能够满足你生活的全部需求。谷歌这么做就是想让自己的员工能够充分的自由发挥自己的想象力与主动性。让员工最大程度上增加自己工作的满意度以及在办公室驻留的时间。从外面看也许看不出什么来。但是一旦进入内部就发现装修的非常谷歌风格了。谷歌公司很好地满足人类需要传递正能量和分享人生智慧的马斯洛金字塔，请参看微信号zwj2007。

生命复杂性金字塔是何时由谁提出来的？最早在2002年由全球复杂网络研究权威巴拉巴西（Barabasi）与生命科学家奥特崴（Oltvai）共同提出了生命复杂性金字塔^【1】，如图4所示.

图4生命复杂性金字塔

生命复杂性金字塔集中粮科学家对生命系统研究成果之大成，整个生命复杂性金字塔从上到下复杂性与多样性增加了，而从下到上则是普适性越来越增强了。具体说，金字塔的底部第一层次代表生命系统的细胞功能的传统组织：基因、转录组、蛋白质和新陈代谢，在规则性和结构层次两方面都存在各种层面的不平凡集成；当把细胞看为由功能连接而成的复杂网络时，能够从网络观点对细胞组织的逻辑提供物理图象的理解；在底层向上的第二层次里这些组分形成调控基因识别和新陈代谢路线, 接着第三层次依次是功能模块的建筑社区，第四层次是那些社区被嵌套而产生一个无尺度的大标度组织的网络结构. 虽然对于一个给定的生物体独立组分都犹如每一块镶嵌的砖块，但是他们的研究发现：从细胞功能网络的拓扑性质与自然界和社会的网络有着惊人的共同的相似性,能够完成从信息存储、处理到执行的全工程。因此，生命系统复杂性金字塔深刻地揭示了：人类身体内从细胞功能网络到万维网（WWW）都存在着一个普遍的自组织原则，那就是说，从微观网络到宏观网络世界的组织原则都是非常相似的，普遍性存在着网络结构的不均匀性即无尺度特性。