郭建崴

自組織-生命-進(jìn)化

“組織”可以定義為系統(tǒng)內(nèi)的有序結(jié)構(gòu)或有序結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程。德國(guó)理論物理學(xué)家赫爾曼·哈肯（H. Haken）將其分為他組織和自組織兩類。

他組織是一個(gè)系統(tǒng)靠外部指令而形成的組織；如果外部指令不存在，系統(tǒng)以相互默契的某種規(guī)律使內(nèi)部各要素（或子系統(tǒng)）各盡其責(zé)而又協(xié)調(diào)地自動(dòng)形成有序結(jié)構(gòu)，這就是自組織。

各種生物如果是上帝創(chuàng)造的，那就是他組織的系統(tǒng)；如果是經(jīng)由最初的自然發(fā)生并逐漸進(jìn)化而來(lái)，那就是自組織系統(tǒng)。如是，“神創(chuàng)論”、“特創(chuàng)論”應(yīng)該完全被科學(xué)的發(fā)展所摒棄了！

無(wú)論在自然界還是在人類社會(huì)中自組織現(xiàn)象都普遍存在。一個(gè)系統(tǒng)自組織屬性越強(qiáng)，其保持和產(chǎn)生新功能的能力也就越強(qiáng)。一個(gè)有目共睹的案例就是，人類社會(huì)比動(dòng)物界其他物種群體的自組織能力強(qiáng)，人類社會(huì)比其他物種群體的系統(tǒng)功能就高級(jí)得多。

自組織理論是20世紀(jì)60年代末期開(kāi)始建立并發(fā)展起來(lái)的一種系統(tǒng)理論，其研究對(duì)象主要是復(fù)雜自組織系統(tǒng)（例如生命系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)）的形成和發(fā)展機(jī)制，即系統(tǒng)是如何在一定條件下，自動(dòng)地由無(wú)序走向有序、進(jìn)而由低級(jí)有序走向高級(jí)有序。

自組織是現(xiàn)代非線性科學(xué)和非平衡態(tài)熱力學(xué)最激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)之一。其理論主要由三個(gè)部分組成：耗散結(jié)構(gòu)理論（Dissipative Structure）、協(xié)同學(xué)（Synergetics）和突變論（Catastrophe Theory）。自組織理論的發(fā)展，有助于探究生命是如何自組織起來(lái)的問(wèn)題。

耗散結(jié)構(gòu)可以包括一系列遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的開(kāi)放的有序系統(tǒng)，既可以是力學(xué)的、物理的、化學(xué)的、生物學(xué)的系統(tǒng)，也可以是社會(huì)的和經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)。耗散結(jié)構(gòu)理論的提出，對(duì)于自然科學(xué)和包括哲學(xué)在內(nèi)的社會(huì)科學(xué)的很多領(lǐng)域都產(chǎn)生了巨大影響。著名未來(lái)學(xué)家阿爾文·托夫勒認(rèn)為，這一理論可能代表了一次科學(xué)革命。

但也有一些學(xué)者認(rèn)為不應(yīng)夸大它的影響，只有把它與一般系統(tǒng)論、信息論、控制論、協(xié)同學(xué)、突變論等系統(tǒng)科學(xué)的其他理論結(jié)合起來(lái)，才能充分發(fā)揮其作用。

實(shí)際上，耗散結(jié)構(gòu)理論對(duì)一般系統(tǒng)論中的開(kāi)放系統(tǒng)思維是認(rèn)同并沿用的。一般系統(tǒng)論是研究系統(tǒng)的一般模式、結(jié)構(gòu)和規(guī)律的學(xué)科，研究各種系統(tǒng)的共同特征，用數(shù)學(xué)和邏輯定量描述其功能，尋求并確立適用于所有系統(tǒng)的原理、原則和數(shù)學(xué)模型。一般系統(tǒng)論源于生物學(xué)家對(duì)生命機(jī)體運(yùn)行機(jī)制的思考，而生命活動(dòng)也是耗散結(jié)構(gòu)理論的研究對(duì)象之一。

耗散結(jié)構(gòu)理論是解釋生命過(guò)程的熱力學(xué)現(xiàn)象和生物進(jìn)化的熱力學(xué)理論基礎(chǔ)之一。普利高津曾對(duì)耗散結(jié)構(gòu)形成的條件作過(guò)如下簡(jiǎn)單通俗的描述：“生物和社會(huì)組織包含著一種新型的結(jié)構(gòu),……社會(huì)和生物結(jié)構(gòu)的一個(gè)共同特征是它們產(chǎn)生于開(kāi)放系統(tǒng),而且這種組織只有與周圍環(huán)境的介質(zhì)進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換才能維持生命力。然而,只是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)并沒(méi)有充分的條件保證實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)。只有在系統(tǒng)保持‘遠(yuǎn)離平衡’和在系統(tǒng)內(nèi)的不同元素之間存在著‘非線性’的機(jī)制的條件下,耗散結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)”。

協(xié)同學(xué)這一名稱由赫爾曼·哈肯在1969年首次提出；1971年，哈肯與格雷厄姆合作撰文介紹了協(xié)同學(xué)；1972年，第一屆國(guó)際協(xié)同學(xué)會(huì)議在前聯(lián)邦德國(guó)埃爾姆召開(kāi)，這次國(guó)際會(huì)議論文集《協(xié)同學(xué)》在1973年出版，標(biāo)志協(xié)同學(xué)的誕生。1979年前后，前聯(lián)邦德國(guó)生物物理學(xué)家艾根將協(xié)同學(xué)的研究對(duì)象拓展到生物分子方面。

協(xié)同或協(xié)同作用是協(xié)同學(xué)最基本的概念。一個(gè)系統(tǒng)通常由許多子系統(tǒng)構(gòu)成，如果子系統(tǒng)之間相互配合產(chǎn)生協(xié)同作用和合作效應(yīng)，整個(gè)系統(tǒng)就處于自組織狀態(tài)，在宏觀上和整體上呈現(xiàn)有序，具有一定的結(jié)構(gòu)或功能。雖然不同的系統(tǒng)性質(zhì)各異，但新結(jié)構(gòu)取代舊結(jié)構(gòu)的質(zhì)變行為在機(jī)理上卻類似甚至相同。協(xié)同學(xué)與耗散結(jié)構(gòu)理論有相通之處，但它認(rèn)為系統(tǒng)從無(wú)序到有序轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵，在于組成系統(tǒng)的各子系統(tǒng)之間的協(xié)同作用。

突變論的創(chuàng)始人是法國(guó)數(shù)學(xué)家雷內(nèi)托姆，他在1972年發(fā)表的《結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和形態(tài)發(fā)生學(xué)》一書(shū)中闡述了突變理論，榮獲國(guó)際數(shù)學(xué)界的最高獎(jiǎng)——菲爾茲獎(jiǎng)?wù)?。此突變論與荷蘭植物學(xué)家和遺傳學(xué)家德弗里斯根據(jù)月見(jiàn)草實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，于1901年提出生物進(jìn)化起因于驟變的“突變論”可不是一回事。

此突變論是用數(shù)學(xué)模型來(lái)描述和預(yù)測(cè)事物的連續(xù)性中斷的質(zhì)變過(guò)程的一個(gè)理論，認(rèn)為質(zhì)變既可以經(jīng)由突變的方式、也可以經(jīng)由漸變的方式而實(shí)現(xiàn)——在一定情況下，改變控制條件可以使一個(gè)突變過(guò)程轉(zhuǎn)化為漸變，也可以使一個(gè)漸變過(guò)程轉(zhuǎn)化為突變。當(dāng)嚴(yán)格控制條件時(shí)，如果質(zhì)變經(jīng)歷的中間過(guò)渡狀態(tài)不穩(wěn)定，就呈現(xiàn)為突變過(guò)程；如果中間狀態(tài)穩(wěn)定，就呈現(xiàn)為漸變過(guò)程。

突變論認(rèn)為，系統(tǒng)所處的狀態(tài)可以用一組參數(shù)來(lái)描述。雷內(nèi)托姆指出：“系統(tǒng)從一種穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，隨參數(shù)的再變化，又使不穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)入另一種穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)狀態(tài)就在這瞬間發(fā)生了突變?！?/p>

《協(xié)同學(xué)》中譯本

突變論與耗散結(jié)構(gòu)論、協(xié)同論一起，從無(wú)序與有序的轉(zhuǎn)化機(jī)制上把系統(tǒng)的形成、結(jié)構(gòu)和發(fā)展聯(lián)系起來(lái)。

時(shí)至今日，隨著對(duì)物種起源、生物進(jìn)化、社會(huì)發(fā)展過(guò)程以及技術(shù)進(jìn)步（尤其是信息技術(shù)的進(jìn)步）等過(guò)程的深入觀察和研究，各個(gè)學(xué)科從不同的角度對(duì)“自組織”的概念給予了解讀：

依系統(tǒng)論的解讀，“自組織”是指一個(gè)系統(tǒng)因內(nèi)在機(jī)制的驅(qū)動(dòng)，自行從簡(jiǎn)單向復(fù)雜、從粗放向精細(xì)方向發(fā)展，逐漸使自身的復(fù)雜度和精細(xì)度提高的過(guò)程；

依熱力學(xué)的解讀，“自組織”是指一個(gè)系統(tǒng)經(jīng)由與外界交換物質(zhì)、能量和信息，不斷地降低自身的熵、使有序度增高的過(guò)程；

依進(jìn)化論的解讀，“自組織”是指一個(gè)生命系統(tǒng)在“遺傳”、“變異”和“自然選擇”機(jī)制的作用下，其組織結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制不斷地自我完善，從而逐步提高其適應(yīng)環(huán)境能力的過(guò)程。從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，達(dá)爾文對(duì)人類思想的最大突破性貢獻(xiàn)就是排除了外因（上帝）的主宰作用，第一次從內(nèi)在變異的自然選擇過(guò)程中來(lái)闡明物種的起源和生物的進(jìn)化；

依結(jié)構(gòu)論-泛進(jìn)化理論的觀點(diǎn)解讀，“自組織”是指一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)從低層次向高層次的構(gòu)造過(guò)程，因系統(tǒng)的物質(zhì)、能量和信息量度的增加，而形成生物系統(tǒng)的分子系統(tǒng)、細(xì)胞系統(tǒng)、組織器官系統(tǒng)到個(gè)體系統(tǒng)乃至種群系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)的組織化度增加，基因數(shù)量和種類自組織化以及基因時(shí)空表達(dá)調(diào)控等導(dǎo)致生物的進(jìn)化與發(fā)育（Evo-Dev）過(guò)程。

自組織系統(tǒng)的普遍特性表現(xiàn)如下：

1、 開(kāi)放性。從熱力學(xué)分支到耗散結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變是一種非平衡相變。非平衡相變和平衡相變的最大區(qū)別就在于它需要從外界輸入或向外界輸出物質(zhì)、能量和熵來(lái)維持。任何自組織系統(tǒng)都必須是開(kāi)放系統(tǒng)。有機(jī)體如何通過(guò)改變自己來(lái)適應(yīng)變化著的環(huán)境，形成最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這是生命自組織的一個(gè)基本問(wèn)題。

2、 歷史性。普里高津把耗散結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)看作是從無(wú)序到有序的轉(zhuǎn)變，隨機(jī)漲落在這一轉(zhuǎn)變中起著特殊的重要作用，是漲落把系統(tǒng)推向新的有序結(jié)構(gòu)。普里高津和尼科里斯說(shuō)：“許許多多塑造著自然之形的基本過(guò)程是不可逆的和隨機(jī)的，那些描述基本相互作用的確定性的和可逆性的定律，不能告訴人們自然界的全部真情?！庇终f(shuō)：“不可逆是非對(duì)稱和信息之源”。進(jìn)而，如果考慮控制參數(shù)的不斷變化，系統(tǒng)在出現(xiàn)耗散結(jié)構(gòu)的第一次分岔后，還會(huì)出現(xiàn)新的不穩(wěn)定性和新的分岔，產(chǎn)生二級(jí)、三級(jí)等高級(jí)分岔。由于高級(jí)分岔以及每次分岔中對(duì)稱性自發(fā)破缺，使得體系演化越來(lái)越多樣，并且與歷史有關(guān)，與演化路徑有關(guān)。物理學(xué)和化學(xué)中已經(jīng)有很多“記憶”材料和“記憶”元件，而生物學(xué)則完全是一門歷史科學(xué)。每一細(xì)胞，每一機(jī)體都是個(gè)體發(fā)生和種系發(fā)生的歷史產(chǎn)物，并且在歷史形成的特定的途徑上繼續(xù)演化，現(xiàn)在地球上觀察到的蕓蕓眾生可能就是不斷分岔和演化的產(chǎn)物。高級(jí)分岔的研究提供了一種自組織系統(tǒng)歷史性的機(jī)理的說(shuō)明。

3、 整體性。自組織系統(tǒng)的子系統(tǒng)間存在著緊密的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系和協(xié)同作用，使得它成為無(wú)法分割的整體。特別在相變點(diǎn)或臨界態(tài)附近，子系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度變得越來(lái)越大，一個(gè)子系統(tǒng)和系統(tǒng)的全部其他子系統(tǒng)相聯(lián)系，因而一個(gè)微小的擾動(dòng)就可通過(guò)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)引起巨大的整體反應(yīng)，而且其結(jié)果無(wú)法預(yù)測(cè)。和通常相變點(diǎn)不同，這種自組織臨界態(tài)具有條件成熟時(shí)必然出現(xiàn)但對(duì)細(xì)節(jié)不敏感的“魯棒性”。對(duì)于線性系統(tǒng)，小的擾動(dòng)只能引起小的效果；但對(duì)于非線性系統(tǒng)，輸出的效果并不和輸入的擾動(dòng)成正比。在研究自組織系統(tǒng)的整體性時(shí)必須牢記隨機(jī)性在其中起到的重要作用。生命作為一個(gè)高度自組織系統(tǒng)，處處受著隨機(jī)規(guī)律的支配。正如控制論創(chuàng)建人維納所說(shuō)：“在一個(gè)一切都是必然，沒(méi)有什么偶然的世界，不可能得出一個(gè)有意義的組織觀念。”

協(xié)同學(xué)特別強(qiáng)調(diào)自組織系統(tǒng)的整體性和子系統(tǒng)間的協(xié)同作用。哈肯提出的伺服原理（也稱支配原理）認(rèn)為，在臨界點(diǎn)附近，自組織系統(tǒng)的宏觀行為可以用少數(shù)集體模式來(lái)描述，這些集體模式稱為序參量，支配著子系統(tǒng)使它們協(xié)同動(dòng)作，導(dǎo)致系統(tǒng)呈現(xiàn)出有序性。

伺服原理可以推廣為高層次變量控制低層次變量的變化，這被稱為層次伺服原理，對(duì)于研究生物這類多層次自組織系統(tǒng)具有指導(dǎo)意義。

自組織理論的發(fā)展給生物學(xué)打開(kāi)了一扇新的窗口。復(fù)雜的生物系統(tǒng)問(wèn)題——新陳代謝、個(gè)體發(fā)育、種系發(fā)育、生態(tài)演替乃至進(jìn)化，都將有可能從自組織理論的觀點(diǎn)用物理學(xué)的、數(shù)學(xué)的方法予以解決。

廣義綜合

起初，進(jìn)化這個(gè)概念常常被作為達(dá)爾文理論的同義詞用于宏觀生物學(xué)領(lǐng)域。盡管有斯賓塞等人包羅萬(wàn)象的進(jìn)化哲學(xué)，以及社會(huì)達(dá)爾文主義者們力圖把它演繹成一種階級(jí)斗爭(zhēng)和社會(huì)統(tǒng)治的學(xué)說(shuō)，但是直到一組被統(tǒng)稱為“復(fù)雜性科學(xué)”的新學(xué)科出現(xiàn)之前，它仍然僅限于是一種生物學(xué)理論。這組新學(xué)科發(fā)起于20世紀(jì)中期，包括一般系統(tǒng)論、控制論、信息和通訊理論、動(dòng)力學(xué)和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論以及數(shù)學(xué)領(lǐng)域的突變理論和混沌理論，當(dāng)然最重要的還有非平衡態(tài)熱力學(xué)。這些新學(xué)科以嚴(yán)格的方式來(lái)研究種種變化的不可逆過(guò)程，其結(jié)論適用于范圍異常廣闊的領(lǐng)域，從物理學(xué)到化學(xué)，從生物學(xué)到生態(tài)學(xué)，從歷史學(xué)到心理學(xué)、社會(huì)學(xué)以及社會(huì)科學(xué)中一些相互密切關(guān)聯(lián)的分支，如組織管理理論和國(guó)際關(guān)系理論，等等。研究發(fā)現(xiàn)，不但人類和社會(huì)發(fā)展在某些方面的變化是不可逆的，而且自然界的變化同樣是不可逆的；這些變化發(fā)生在看起來(lái)截然不同的領(lǐng)域，但卻都呈現(xiàn)出相似的動(dòng)態(tài)型式和相似的構(gòu)型效果。

從20世紀(jì)中期起，一般系統(tǒng)論和控制論就積極研究復(fù)雜系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)方面和形式方面的不變性，聚焦于運(yùn)用自我糾正的負(fù)反饋手段達(dá)到自我保持的過(guò)程。而最基本的不可逆變化，即自我形態(tài)變化過(guò)程，到了60年代才成為研究的中心，當(dāng)時(shí)普里高津等人開(kāi)始發(fā)表他們開(kāi)創(chuàng)性的理論。大約在這同時(shí)，在沙普利、溫伯格、霍金等人的著作中，一種基于“大爆炸”的新宇宙學(xué)初露端倪，而蔡森證實(shí)這種新宇宙學(xué)是探討宇宙中物質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)化和地球上生物結(jié)構(gòu)進(jìn)化之間連續(xù)性的一個(gè)領(lǐng)域。不可逆變化的研究還受到拓?fù)鋵W(xué)理論和混沌理論等數(shù)學(xué)領(lǐng)域新成果的推動(dòng)，后者是隨著愛(ài)德華·洛倫茨在伯克霍夫、羅斯勒爾、亞伯拉罕和肖等人裝備電子計(jì)算機(jī)的研究室里寫出開(kāi)拓性著作（揭示“蝴蝶效應(yīng)”）之后出現(xiàn)的。

因此，當(dāng)普里高津的布魯塞爾學(xué)派開(kāi)始把以耗散結(jié)構(gòu)理論為旗幟的不可逆形態(tài)變化理論推廣到生物和社會(huì)領(lǐng)域時(shí)，各種條件都成熟了，學(xué)者們開(kāi)始對(duì)從宇宙到文化的所有進(jìn)化現(xiàn)象作詳盡考察。進(jìn)化于是真正開(kāi)啟了在更廣泛意義上的使用；進(jìn)化論至此意指廣義綜合，或一般進(jìn)化論。