河工研究生《自然辯證法》第四章

第四章自然界的演化規(guī)律自然界演化發(fā)展的歷史，也是自然規(guī)律發(fā)揮作用的歷史。自然界的演化究竟受哪些規(guī)律的影響和支配？這是需要運(yùn)用多學(xué)科的認(rèn)識(shí)成果，從多角度進(jìn)行分析總結(jié)的。從演化的過程看，它受時(shí)間之箭的影響和支配，具有可逆與不可逆的對(duì)立統(tǒng)一性；從演化的動(dòng)因方面看，它受系統(tǒng)內(nèi)外條件的影響和制約，具有線性與非線性、自組織與他組織的協(xié)同性；從演化的狀態(tài)和形式看，它表現(xiàn)為進(jìn)化與退化、有序與無序、循環(huán)與超循環(huán)的多種形式的復(fù)雜性。本章對(duì)這些基本規(guī)律將作進(jìn)一步考察。第一節(jié)自然界演化的時(shí)間性自然界的演化與時(shí)間的關(guān)系，直接的表現(xiàn)形式是隨著時(shí)間的推移，自然界物質(zhì)的存在方式發(fā)生了變化。但在經(jīng)典物理學(xué)中（如牛頓力學(xué)和愛因斯坦的相對(duì)論）時(shí)間的作用卻被忽視了，牛頓引入時(shí)間概念來解釋運(yùn)動(dòng)，將運(yùn)動(dòng)定義為位置隨時(shí)間的變化，但時(shí)間這個(gè)基本概念是什么，卻缺乏界定。

對(duì)時(shí)間和物質(zhì)存在方式的之間的關(guān)系的討論，使愛因斯坦提出了相對(duì)論，可是相對(duì)論本身并不能對(duì)時(shí)間進(jìn)行方向性區(qū)別，把正的時(shí)間換成負(fù)的時(shí)間時(shí)，度規(guī)結(jié)構(gòu)（它決定了時(shí)空的幾何性質(zhì)）以及由它而來的運(yùn)動(dòng)方程都保持不變；給出在任一時(shí)空坐標(biāo)上的條件后，宇宙的整個(gè)歷史和將來都可以計(jì)算出來，但人們運(yùn)用相對(duì)論思想研究宇宙起源時(shí)卻發(fā)現(xiàn)存在奇點(diǎn)的困難，也就是說相對(duì)論在解釋自然界的最初狀態(tài)和演化的方向等方面仍是無效的。

但現(xiàn)實(shí)世界中，無論是熱力學(xué)的熵增現(xiàn)象，還是生物學(xué)的進(jìn)化現(xiàn)象，都表明自然演化具有時(shí)間性的特征。如何將傳統(tǒng)理論中包含的可逆性和不可逆性協(xié)調(diào)起來，一直是科學(xué)界和哲學(xué)界普遍關(guān)注的問題。一、可逆與不可逆可逆性是指事物在經(jīng)過變化之后，仍能回復(fù)到以前的狀態(tài)，因此系統(tǒng)科學(xué)長將可逆性稱為回歸性。嚴(yán)格的回歸性要求完全回復(fù)到初始狀態(tài)，一般的回歸性只要求回到該狀態(tài)的附近。有限次回歸后便逃逸掉的狀態(tài)，仍不能算是具有回歸性，只有在t→∝過程中無限次的回歸到其附近的狀態(tài)，即永不逃逸的狀態(tài)，才真正具有回歸性。從這個(gè)要求來看，世界上根本沒有絕對(duì)的真正的可逆變化。

傳統(tǒng)科學(xué)為了將復(fù)雜性的問題簡(jiǎn)單化處理，常常將不可逆性因素舍棄不予考慮。這樣就出現(xiàn)了上面我們所說的經(jīng)典物理學(xué)和相對(duì)論都沒有討論時(shí)間反演狀況下的物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的變化。

現(xiàn)代物理學(xué)在這方面進(jìn)行了極其艱苦的探索，使這一狀況獲得了明顯的突破。狄拉克的正電子在時(shí)間上具有向后退行的特征，費(fèi)曼的電子理論需要不同的時(shí)間方向同時(shí)存在。呂德斯（G-Luders）于1954年，泡林于1955年分別提出了CPT定理，該定理對(duì)物質(zhì)與反物質(zhì)、空間對(duì)稱性和時(shí)間的方向性作了最理想的處理和解釋。這個(gè)定理來源于一些定律的對(duì)稱性，把任何過程中的粒子換成反粒子、把該過程換成它的鏡像、以及把時(shí)間倒轉(zhuǎn)這三個(gè)變換同時(shí)操作的情況下，這些定律保持不變。即C電荷共軛，它把物質(zhì)轉(zhuǎn)換成反物質(zhì)；P空間反演，它把空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成它的鏡像；T時(shí)間反演，它把時(shí)間方向倒轉(zhuǎn)。CPT定理斷言，物理規(guī)律預(yù)言了在一種“泛鏡像”世界中的等量但相反的事件；它同時(shí)可以說明，時(shí)間對(duì)稱性是如何可能被破壞從而產(chǎn)生出時(shí)間箭頭。在微觀基本粒子物理世界中，有一個(gè)奇特的現(xiàn)象，被認(rèn)為是破壞了時(shí)間兩個(gè)方向之間的對(duì)稱性，這就是克羅寧（J-W-Cronin）和(V-L-Fitch)發(fā)現(xiàn)的長壽K介子的衰變過程。（他們因此獲得1980年諾貝爾獎(jiǎng)）在大多數(shù)衰變中，K介子生成一個(gè)負(fù)的π介子、一個(gè)正電子和一個(gè)中微子，這一過程的CP對(duì)稱性被證明是保持不變的；然而K介子同樣也可以衰變?yōu)椋ù蠹s在10億次衰變中有一次）一個(gè)正的π介子、一個(gè)電子和一個(gè)反中微子，這時(shí)候CP對(duì)稱性就會(huì)受到破壞。按照CPT定理，T對(duì)稱性在這罕見的過程中也同樣受到破壞：時(shí)間可逆的事件被禁止，過程成為不可逆的，時(shí)間箭頭便顯現(xiàn)出來

按照基本粒子物理學(xué)的對(duì)稱自發(fā)破缺規(guī)則，規(guī)范場(chǎng)的對(duì)稱自發(fā)破缺的后果就是規(guī)范場(chǎng)量子獲得了質(zhì)量。在物理上一個(gè)簡(jiǎn)單例子是鐵磁體的有序無序相變，在溫度高于居里溫度時(shí)，鐵磁體的分子磁距是無規(guī)則的；如將其溫度降至居里溫度之下，分子磁距在單疇范圍內(nèi)取某一方向有序排列。經(jīng)過對(duì)稱破缺的宇宙，開始了一個(gè)新的相邊過程，即進(jìn)入暴漲時(shí)代。在這樣的物質(zhì)世界中，系統(tǒng)的演化具有完全不可復(fù)原的特征，就是我們所討論的不可逆性。現(xiàn)實(shí)的自然過程嚴(yán)格的說都是不可逆過程。不僅熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴(kuò)散、粘滯流動(dòng)、功熱轉(zhuǎn)化、化學(xué)反應(yīng)、生命發(fā)育、物種進(jìn)化是不可逆的，即使經(jīng)典物理所研究的單擺、彈性碰撞、等溫過程、絕熱平衡過程等在考慮摩擦、輻射等因素時(shí)也是不可逆的。由此看來，可逆性是相對(duì)的,不可逆性是絕對(duì)的。但對(duì)于具體的過程來說，不可逆過程也往往包含著某些可逆的因素,功熱轉(zhuǎn)化在能量品位上是不可逆的，但轉(zhuǎn)化能力卻有可逆性；化學(xué)反應(yīng)在總體上是不可逆的，但生成物依然可以復(fù)原為反應(yīng)物；生長發(fā)育和衰老是不可逆過程，但機(jī)體的協(xié)調(diào)性和組織性卻經(jīng)歷著由低到高和由高到低的過程

也許是基于這種考慮，普里戈津強(qiáng)調(diào)，無論可逆或不可逆都不是唯一普適的過程，在一個(gè)多元化的世界中，可逆性與不可逆性是并存于現(xiàn)實(shí)之中的。因此，對(duì)我們來說，重要的不是找出簡(jiǎn)單純粹的可逆性與不可逆性，而是要探討現(xiàn)實(shí)事物中究竟包含哪些可逆與不可逆的因素，它們對(duì)物質(zhì)世界的演化發(fā)展起著怎樣的作用。二、熱力學(xué)的時(shí)間之箭：熵增加在卡諾的熱機(jī)理論中，沒有不可逆的熱損失；在邁耶和焦?fàn)柕哪芰渴睾闩c轉(zhuǎn)化定律中，能量的損耗也被忽略了；但在克勞修斯的熱力學(xué)第二定律中，熱轉(zhuǎn)化為功時(shí)，總有一部分熱能被耗散掉了，這意味著能量轉(zhuǎn)化具有不可逆的特征。在這個(gè)基礎(chǔ)上，克勞修斯提出了“熵”的概念，它表示一個(gè)系統(tǒng)在一定過程中所吸收（或耗散）的熱量的狀態(tài)函數(shù)。在一個(gè)孤立的系統(tǒng)中，熵隨著時(shí)間的增加而不停地增長，當(dāng)所有的能量都耗盡時(shí)，它就達(dá)到了極大值。因而熵給所有孤立系統(tǒng)提供了一個(gè)時(shí)間箭頭，當(dāng)熵達(dá)到極大值時(shí)，孤立系統(tǒng)的時(shí)間演化就停止了，該系統(tǒng)就處于它最無序的狀態(tài)

克勞修斯將宇宙當(dāng)成一個(gè)孤立系統(tǒng)，并預(yù)言宇宙的總熵是在無情地朝著它的極大值增長，即宇宙熱寂說。在克勞修斯看來，熵增加是一個(gè)自發(fā)的不可逆過程，因?yàn)樽匀幌到y(tǒng)很難有絕對(duì)的熱平衡態(tài)，這樣在現(xiàn)實(shí)世界中，熵的意義可以有以下兩種理解：第一，熵的宏觀意義是系統(tǒng)能量分布均勻程度的衡量標(biāo)志，能量分布越不均勻，熵越??；能量分布越均勻，熵越大；能量分布從不均勻趨向于均勻，則熵增加。第二，熵的微觀意義是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部粒子的無序化程度的標(biāo)志，熵值越大，無序化程度越高，反之，熵值越小，系統(tǒng)內(nèi)部的有序化程度增大。隨著非平衡態(tài)熱力學(xué)的興起，人們對(duì)不可逆性的理解又走向更為深刻地討論之中。非平衡態(tài)熱力學(xué)分成兩個(gè)分支：線性分支描述接近平衡的系統(tǒng)行為，非線性分支處理系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡時(shí)的情況。普里高津發(fā)現(xiàn)，在線性表現(xiàn)良好的區(qū)域，熱力學(xué)耗散降到它可能的最低點(diǎn)。這樣，系統(tǒng)熵的變化率，也就是內(nèi)稟的熵產(chǎn)生將會(huì)減?。合到y(tǒng)在通常情況下演化到一個(gè)穩(wěn)定的或不變的狀態(tài)時(shí)，耗散處于極小值；在熱擴(kuò)散的情況下，總的熵可能是增加的，但是當(dāng)氣體最終的濃度梯度已經(jīng)建立以后，內(nèi)稟熵的產(chǎn)生率就處在它的最低值。普里高津的最小耗散圖像比起最大熵的平衡概念來對(duì)我們更為有用，因?yàn)樗c實(shí)際世界的關(guān)系更為密切——在實(shí)際世界中，沒有什么是真正處于平衡態(tài)的。

對(duì)于遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非線性系統(tǒng)，普里高津和布魯塞爾學(xué)派的另一位系統(tǒng)科學(xué)家格蘭斯多夫給出了一個(gè)新判據(jù)——格蘭斯多夫-普里高津判據(jù)。它的意思是：遠(yuǎn)離平衡的開放系統(tǒng)，能量和質(zhì)量都可以變動(dòng)，系統(tǒng)的行為由非常復(fù)雜的非線性關(guān)系所支配，當(dāng)系統(tǒng)偏離平衡態(tài)太遠(yuǎn)時(shí)，這種穩(wěn)恒狀態(tài)就變得不穩(wěn)定了。此時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”，或者稱作“分差點(diǎn)”，系統(tǒng)在此處會(huì)偏離穩(wěn)恒態(tài)，而演化到某種其他狀態(tài)。對(duì)于在第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后會(huì)發(fā)生什么情況，進(jìn)一步研究將顯示系統(tǒng)出現(xiàn)的多種可能性或“分叉”。它可能預(yù)示著系統(tǒng)將出現(xiàn)多種狀況，在整體熵快速增長的同時(shí)，卻可能觀察到極其有序行為的出現(xiàn)。對(duì)于一個(gè)化學(xué)家，這可能意味著一只周期性改變顏色的化學(xué)鐘或者試管里顯現(xiàn)的彩色圖案；對(duì)于一個(gè)生態(tài)學(xué)家，可能意味著動(dòng)物種群中新的穩(wěn)恒態(tài)或交替變化；對(duì)于一個(gè)醫(yī)生，也許意味著一次心臟病發(fā)作

也就是說遠(yuǎn)離平衡態(tài)可能出現(xiàn)的是一種令人驚異的有序狀態(tài)，此時(shí)無數(shù)個(gè)分子在時(shí)間和空間中的行為達(dá)到協(xié)調(diào)一致。普里高津?qū)⒋朔Q為“耗散結(jié)構(gòu)”，因?yàn)樗鼈儼l(fā)生在系統(tǒng)和外界之間有物質(zhì)和能量交換的情況下，同時(shí)伴有系統(tǒng)的熵產(chǎn)生（耗散）。這些導(dǎo)致耗散結(jié)構(gòu)生成的復(fù)雜而相互依賴的過程，共同的名稱叫做“自組織”。

怎樣使耗散結(jié)構(gòu)與“宇宙熱寂”的思想統(tǒng)一呢？如果我們不具體研究非平衡系統(tǒng)的演化，就會(huì)看著無序性的增長，最終一切變化停止而達(dá)到熱平衡。但是對(duì)于非平衡過程的研究證明，一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)演化的宇宙，是不能如此簡(jiǎn)單處理的。在這樣的宇宙中，不可逆的非平衡態(tài)熱力學(xué)允許產(chǎn)生自發(fā)的自組織結(jié)構(gòu)，使得星系、行星直到細(xì)胞、生物得以出現(xiàn)。三、進(jìn)化論的時(shí)間之箭：負(fù)熵增加對(duì)生物起源的解釋，在很大程度上，人們都依賴進(jìn)化論。但要從簡(jiǎn)單的物質(zhì)形式演化出復(fù)雜的生命形態(tài)，是需要漫長的時(shí)間的?？墒且勒諢崃W(xué)第二定律，隨著時(shí)間的推移，自然系統(tǒng)的熵值會(huì)不斷增大，無序化趨勢(shì)是在所難免，這樣的自然界怎么可能允許出現(xiàn)有序化程度越來越高的生命現(xiàn)象存在呢？薛定諤在《生命是什么》一書中說：“自然界中正在進(jìn)行著每一件事，都意味著它在進(jìn)行的那部分世界的熵的增加。因此，一個(gè)生命體在不斷地增加它的熵，并趨于接近最大值的熵的危險(xiǎn)狀態(tài)，那就是死亡。要擺脫死亡，就是說要活著，唯一的辦法就是從環(huán)境里不斷地吸取負(fù)熵。有機(jī)體就是依賴負(fù)熵為生的。或者更確切地說，新陳代謝中的本質(zhì)東西，乃是使有機(jī)體成功地消除了當(dāng)它自身站著的時(shí)候不得不產(chǎn)生的負(fù)熵?！?/p>

那么，什么是負(fù)熵呢？在熱力學(xué)中，熵值只有在絕對(duì)零度時(shí)才為零而第三定律表明絕對(duì)零度不可能達(dá)到，所以，熵值根本不是指負(fù)的熵值，而是對(duì)與熵完全相反的一種情況的一種描述，如負(fù)熵是指能促進(jìn)系統(tǒng)增加其秩序或組織性的一種特性。而玻爾茲曼的H函數(shù)是隨著時(shí)間而減小的，這個(gè)函數(shù)為熵的箭頭提供了一個(gè)互補(bǔ)的箭頭，熵在系統(tǒng)向平衡態(tài)演化過程中是隨時(shí)間增加的，這樣他就通過“分子混沌”假設(shè)在分子層次上解釋了不可逆性的根源。

但是一些科學(xué)家設(shè)想如果運(yùn)用“粗?；狈椒?，可以對(duì)玻爾茲曼的不可逆性問題重新解釋，如物理學(xué)家杰恩斯（EdJaynes）說我們之所以對(duì)億萬個(gè)分子構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)無法追蹤認(rèn)識(shí)，“不是因?yàn)槲锢磉^程本身不可逆，而是因?yàn)槲覀冏费锢磉^程的能力有限?！币簿褪钦f，如果我們的感覺足夠靈敏，我們就可以看到分子的單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，從而可以去證實(shí)，所有的過程在這種微觀層次上是可逆的。這種思想經(jīng)過信息論的處理變成了現(xiàn)實(shí)。申儂認(rèn)為從伴隨噪音而接收下來的一切信號(hào)中，可以獲得有用的信息。噪音的本質(zhì)是無序的，這與信息的有序性形成對(duì)照，信號(hào)中的信息量越大，它的熵就越小。

這樣信息與熵之間構(gòu)成了一種相反的關(guān)系，所以，維納、布里淵、貝塔朗菲等多位科學(xué)家都將信息與負(fù)熵視為同義語。

生物的進(jìn)化過程，是生物分子有序化程度不斷提高的歷史，也就是不斷吸取負(fù)熵，提高自組織能力的歷史。現(xiàn)在的生物化學(xué)表明，氨基酸、類蛋白、類核酸等生物分子都可以通過人工合成的途徑得到，但是在沒有人工控制的原始自然條件下是如何完成這樣嚴(yán)格的要求的呢？生物化學(xué)研究開始了對(duì)自然系統(tǒng)的自組織機(jī)制的探索。人們發(fā)現(xiàn)：不僅蛋白質(zhì)使酶作為催化劑具有專一性，保證催化核酸使其完成自我復(fù)制及遺傳變異，而且新近研究發(fā)現(xiàn)RNA高分子也具有自催化功能，它是細(xì)胞形成以前的第一推動(dòng)者。

此種功能的發(fā)現(xiàn)使耶魯大學(xué)的阿爾特曼SidneyAltman和科羅拉多大學(xué)的捷克ThomasCech榮獲1989年的諾貝爾獎(jiǎng)）生物分子一旦具備了自組織的功能，非線性反應(yīng)所需要的反饋機(jī)制也就形成了，這樣就會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜分子在時(shí)間和空間上的演化。奧帕林（AlexanderOparin）的“凝聚模型”、?？怂梗⊿-W-Fox）的“團(tuán)聚體”、哥岱科(RichardGoldaacre)的“類脂雙層體”模型都用相近的方式解釋了這個(gè)原理。DNA和RNA的演化變異被看成一個(gè)分子生物鐘，高能輻射和復(fù)制過程中的錯(cuò)誤都是導(dǎo)致突變的原因，在更復(fù)雜的范圍內(nèi)可以運(yùn)用英國數(shù)學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家圖靈的思想加以分析。圖靈在把一個(gè)描述精神的簡(jiǎn)單機(jī)械圖像和純數(shù)學(xué)結(jié)合起來，說明了機(jī)器可以模擬思想，他力圖找出生物學(xué)的形態(tài)來源，即細(xì)胞是如何構(gòu)成有機(jī)體的，他發(fā)現(xiàn)在這個(gè)過程中信息的改變是導(dǎo)致細(xì)胞球體對(duì)稱性破缺的重要因素

圖靈運(yùn)用數(shù)學(xué)方程給定了系統(tǒng)偏離均勻狀態(tài)而進(jìn)入遠(yuǎn)離平衡態(tài)的“臨界點(diǎn)”?？傊?，在各種生命形式里，生物信息對(duì)生物的進(jìn)化發(fā)揮著重要作用。蛋白質(zhì)作為催化劑時(shí)的高度專一性，保證了自己和其祖先核酸之間有一個(gè)共生關(guān)系。基因的遺傳密碼遵循生物中心法則逐級(jí)傳遞，在這個(gè)過程中基因的重組和基因的突變都有可能導(dǎo)致外部生物顯性性狀的改變。對(duì)生物基因變異的原動(dòng)力的解釋是歷來各派生物學(xué)爭(zhēng)議的一個(gè)焦點(diǎn)，它們就是迄今為止形成的各種進(jìn)化理論。傳統(tǒng)的拉馬克和達(dá)爾文的進(jìn)化論以獲得性遺傳為基本構(gòu)架，強(qiáng)調(diào)環(huán)境所引起的適應(yīng)性變異是進(jìn)化的根本原因，二十世紀(jì)美國摩爾根學(xué)派側(cè)重于從基因突變、重組和染色體畸變等不定變異等方面解釋生物進(jìn)化的機(jī)制，他們的觀點(diǎn)后經(jīng)過發(fā)展形成了“中性突變進(jìn)化論

其主要思想是：突變大部分是中性的，它不會(huì)影響核酸和蛋白質(zhì)的功能，對(duì)生物個(gè)體既無害也無利；在分子水平的進(jìn)化上自然選擇不起作用，“遺傳漂變”通過在群體中的固定和逐漸積累，實(shí)現(xiàn)種群分化，形成新種；生物進(jìn)化的速率由中性突變的速率所決定，它對(duì)于所有的生物幾乎是恒定的，即同一分子的進(jìn)化速度在不同的物種是相同的。據(jù)說，依照他們的定量分析可以估算出物種進(jìn)化的時(shí)間表，它與化石研究所確定的進(jìn)化時(shí)間比較接近。但因其完全排斥自然選擇在進(jìn)化過程中的作用，與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)觀察分析難以吻合，也影響了其說服力，這樣以耗散結(jié)構(gòu)理論為依托的廣義進(jìn)化論就作為一種綜合的理論出世了。

普利高津認(rèn)為獲得性遺傳說和中性突變說兩種思想都具有局部的合理性，但如果各執(zhí)一端，就會(huì)流于片面，不能真實(shí)地揭示生物的進(jìn)化根源。他指出處于非平衡態(tài)的生物系統(tǒng)“不僅對(duì)它們的內(nèi)部活動(dòng)所產(chǎn)生的漲落敏感，而且對(duì)從它們的環(huán)境中來的漲落敏感”。（普利高津：《從混沌到有序》，第221頁，上海譯文出版社，1987年版。）在此基礎(chǔ)上，拉茲洛根據(jù)古爾德（Gould）和埃爾德里奇（Etdredge）的“間斷平衡理論”闡述了進(jìn)化的宏觀過程，

他說：“進(jìn)化之所以發(fā)生，是由于有其他物種或亞種偶然闖進(jìn)了邊緣并打破了占支配地位的循環(huán)圈，從而使在進(jìn)化枝中占支配地位的種群在自己的環(huán)境中失穩(wěn)了。在這個(gè)時(shí)期，長期的靜態(tài)穩(wěn)定被破壞了，出現(xiàn)了從原先占支配地位而受到滅絕威脅的種群向處在邊緣的物種或亞種的進(jìn)化性飛躍。”（拉茲洛：《廣義綜合理論》，第79頁，社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社，1988年版。）這樣關(guān)于生物進(jìn)化的基本機(jī)制和時(shí)間箭頭就能很好地統(tǒng)一起來，同時(shí)它也在跨學(xué)科的意義上解決了熱力學(xué)與進(jìn)化論的對(duì)立局面，為我們構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的自然圖景作出了重要貢獻(xiàn)。

二、有序與無序序是標(biāo)志系統(tǒng)從宏觀到微觀的不同層次上可辯識(shí)性的范疇，是指某些確定的參量按規(guī)律取值的確定程度，能夠按規(guī)律取確定值的是有序，無法按規(guī)律取確定值的是無序。有序和無序是從系統(tǒng)的不同存在狀態(tài)方面對(duì)系統(tǒng)所作的一種描述方式，就象進(jìn)化與退化對(duì)生物現(xiàn)象進(jìn)行分析一樣，它具有自然系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)依據(jù)。如熱力學(xué)中所說的熵、信息論中的信息量、協(xié)同學(xué)中的序參量，都是從特定角度對(duì)有序和無序問題的研究。系統(tǒng)的有序性首先指結(jié)構(gòu)的有序性，系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間的聯(lián)系方式是規(guī)則的、確定的。如簡(jiǎn)單有序，既可以表示要素在空間分布上的規(guī)則性排列，象晶體點(diǎn)陣即是；也可以是系統(tǒng)在時(shí)間延續(xù)中的規(guī)則性變化，如周期運(yùn)動(dòng)等。其次，系統(tǒng)的有序性還表現(xiàn)為行為的有序和功能的有序。系統(tǒng)的行為與功能是作為過程而展開的，包括多個(gè)階段、步驟、程序等，它們經(jīng)過有序地協(xié)調(diào)安排，才能使系統(tǒng)行為和功能優(yōu)化。

行為和功能直接表現(xiàn)的是系統(tǒng)與環(huán)境的相互聯(lián)系，聯(lián)系方式有規(guī)則的與不規(guī)則的、較強(qiáng)的規(guī)則性與較弱的規(guī)則性的差別，但究其根源而言，都可以從系統(tǒng)要素的構(gòu)成方面得到解釋。復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部的線性和非線性相互作用使系統(tǒng)的秩序問題也顯得很復(fù)雜，有序與無序，高序與低序常常是互相交替，難以界定。系統(tǒng)的無序性通常可視為系統(tǒng)的無規(guī)則性的聯(lián)系。它也既有結(jié)構(gòu)上的，也有行為和功能方面的表現(xiàn)形式。簡(jiǎn)單無序，指的是系統(tǒng)要素在空間分布上的無規(guī)則堆積，如垃圾堆；或是在時(shí)間延續(xù)中的任意變化，如隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。無序和有序之間的界限可以通過發(fā)生對(duì)稱性破缺的臨界點(diǎn)加以區(qū)分，系統(tǒng)處于平衡結(jié)構(gòu)時(shí)，其表現(xiàn)特征基本是有序的，系統(tǒng)突破了原有平衡，而進(jìn)入非平衡結(jié)構(gòu)，其有序性特征在減少，逐漸被無序化特征所取代。其實(shí)，純粹的有序或無序只是理論抽象，真實(shí)系統(tǒng)的有序和無序是相對(duì)的，它們相比較而存在，相排斥而演變。晶體的有序排列中總有缺陷，四季交替中也難免反常，行星繞太陽周期性公轉(zhuǎn)也有攝動(dòng)；而在雜亂無章的堆積物中也總能發(fā)現(xiàn)局部的規(guī)則性聯(lián)系，隨機(jī)運(yùn)動(dòng)中也有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的確定性；至于復(fù)雜系統(tǒng)，有序和無序更是相互依存，相互制約，相互促進(jìn)?？臻g排列上的分形結(jié)構(gòu)，時(shí)間演化中的混沌行為，都是有許中包含無序，或無序中嵌套著有序。三、系統(tǒng)自組織的條件一個(gè)系統(tǒng)在什么情況下會(huì)產(chǎn)生自組織，首先要看這個(gè)系統(tǒng)是不是開放性系統(tǒng)。如果該系統(tǒng)與環(huán)境之間具有物質(zhì)、能量和信息等方面的交換，則該系統(tǒng)具備了開放性，它才有可能產(chǎn)生自組織行為；否則，一個(gè)與環(huán)境沒有任何交換的封閉系統(tǒng)是不可能出現(xiàn)自組織行為的。普里高津運(yùn)用一個(gè)總熵變公式，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部熵的變化作了具體分析。即：dS=diS+deS這里的dS是系統(tǒng)總熵的改變，diS是系統(tǒng)內(nèi)部混亂性產(chǎn)生的熵，熱力學(xué)第二定律保證熵產(chǎn)生為非負(fù)量，即diS≥0；deS是系統(tǒng)通過與環(huán)境相互作用而交換來的熵，稱為交換熵，可正可負(fù)

有四種可能性：（1）deS=0，系統(tǒng)是封閉的，與外界沒有交換，內(nèi)部的熵增使系統(tǒng)混亂程度不斷增加，不可能出現(xiàn)自組織，只可能導(dǎo)致組織的退化。（2）deS>0，與外界交換得到的是正熵，總熵變dS>0，系統(tǒng)以比封閉狀態(tài)下更快的速度增加混亂程度，不會(huì)發(fā)生自組織。（3）deS<0，但|deS|<diS，通過對(duì)外開放從環(huán)境中取得負(fù)熵，但從環(huán)境得到的負(fù)熵不足以克服內(nèi)部熵的增加，總熵變dS=diS+deS≥0，系統(tǒng)也不會(huì)發(fā)生自組織。（4）deS<0，且|deS|>diS，從環(huán)境中得到的負(fù)熵大于內(nèi)部的熵增加，總熵變dS<0，系統(tǒng)出現(xiàn)減熵過程，即自組織過程?？梢?，對(duì)外開放是系統(tǒng)自組織的必要條件，封閉系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)減熵運(yùn)動(dòng)；開放系統(tǒng)如果從外界獲得的仍然是正熵，或者獲得的負(fù)熵不足以抵消自身的熵增趨勢(shì)，都不可能出現(xiàn)自組織行為，只有正確的開放獲得了足夠遏制熵增趨勢(shì)的負(fù)熵，而且負(fù)熵的補(bǔ)給是源源不斷的，才能維持系統(tǒng)的自組織。就自然現(xiàn)象而言，貝納德對(duì)流、激光的受激輻射、B-Z反應(yīng)都是開放系統(tǒng)；宏觀上的生命個(gè)體、生物群落、地球環(huán)境都是開放系統(tǒng)，嚴(yán)格意義上的封閉系統(tǒng)也許不存在，否則，就很難說明宇宙的演化。其次，非平衡結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)自組織的狀態(tài)性前提。在系統(tǒng)內(nèi)部各要素相互作用的過程中，如果各方面的勢(shì)力處于均衡，系統(tǒng)就處于平衡狀態(tài)，這時(shí)的系統(tǒng)不會(huì)隨著時(shí)間而變化，也就不會(huì)出現(xiàn)具有自組織特征的耗散結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)只有在失去內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性狀態(tài)下，才有可能產(chǎn)生內(nèi)部的隨機(jī)性運(yùn)動(dòng)，才會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部的重組。如在貝納德花樣中，流體上下溫差與密度差以及熱傳輸?shù)拇嬖冢刮⑿◇w積元的隨機(jī)漲落有被放大的可能；在激光現(xiàn)象中，高能級(jí)原子和輻射的激活性，使隨機(jī)性的光子有按幾何級(jí)數(shù)增長的可能；

在B-Z反應(yīng)中，化學(xué)親和勢(shì)以及正反化學(xué)反應(yīng)速度之差的存在，使介質(zhì)濃度的隨機(jī)漲落有被放大為一種宏觀的周期性變化的可能性。非平衡結(jié)構(gòu)有兩種狀況，一是近平衡態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)部主要是線性因素起作用，系統(tǒng)具有較為穩(wěn)定的特征，系統(tǒng)不可能出現(xiàn)從無序到有序的進(jìn)化。然而，等到系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)非線性作用時(shí)，局部的漲落可能被放大，進(jìn)而影響到整個(gè)系統(tǒng)，強(qiáng)迫系統(tǒng)向著某個(gè)新的秩序進(jìn)化，這就是遠(yuǎn)離平衡態(tài)，在近平衡態(tài)和遠(yuǎn)離平衡態(tài)之間存在著一個(gè)臨界的閾值，在沒有達(dá)到該臨界點(diǎn)之前，是近平衡態(tài)，突破該點(diǎn)就是遠(yuǎn)離平衡態(tài)。第三，非線性相互作用是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自組織的基本依據(jù)。普里高津說：“對(duì)于耗散結(jié)構(gòu)所必須的另一個(gè)基本特征是在系統(tǒng)的各個(gè)元素之間的相互作用中存在著一種非線性的機(jī)制?！卑J(rèn)為：“只有非線性系統(tǒng)才能提供開始自組織所需要的全部性質(zhì)，并允許系統(tǒng)繼續(xù)向高水平進(jìn)化，直至能夠逃脫它起源時(shí)的特定前提?！保ò骸冻h(huán)論》，第18頁，上海譯文出版社，1990年版。）非線性相互作用與線性相互作用相比具有兩個(gè)重要特征：

一是這種相互作用使各要素見產(chǎn)生相干效應(yīng)與協(xié)調(diào)動(dòng)作，從而可以使系統(tǒng)從雜亂無章變?yōu)榫挥行?。如果系統(tǒng)內(nèi)各要素間的相互作用是線性的，那么它們的組合就只有量的增長，而不會(huì)有質(zhì)的突變。例如，雜亂的發(fā)光原子線性疊加，仍然只能雜亂地發(fā)出自然光，不可能向有序的激光轉(zhuǎn)變；只有發(fā)光原子產(chǎn)生非線性的相干效應(yīng)，才有可能形成相位、頻率一致的激光。二是非線性的相互作用還會(huì)使系統(tǒng)的演化產(chǎn)生多個(gè)可能的分支，即會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)果。這種過程反復(fù)進(jìn)行就導(dǎo)致了類似“生物進(jìn)化樹那樣的分支系統(tǒng)，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能趨于豐富多樣。第四，內(nèi)部漲落是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自組織的直接誘因。一般來說，表征系統(tǒng)某種屬性的量度并不嚴(yán)格精確地處于平均狀態(tài)，而是有或多或少、或大或小的偏離，這種偏離或偏差就叫漲落。漲落可由系統(tǒng)內(nèi)部的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起，也可由環(huán)境不可控的干擾引起，其大小、形態(tài)、范圍等變化在宏觀上是無法預(yù)見的。漲落的存在是一切實(shí)際系統(tǒng)的固有特征，而它對(duì)系統(tǒng)的影響則視具體情況而定。通常情況下，漲落會(huì)被系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的約束力所平息，并不引起重要結(jié)果。只有當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)處于臨界點(diǎn)上，微小的漲落才會(huì)得以放大，變成具有宏觀尺度的“巨漲落”，從而推動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生質(zhì)變，形成有序結(jié)構(gòu)。漲落在決定系統(tǒng)向哪個(gè)方向分支進(jìn)化方面起著重要作用。

換句話說，系統(tǒng)中的非線性相互作用雖然規(guī)定了多種可能的途徑，但究竟哪一種途徑成為現(xiàn)實(shí)，是由漲落隨機(jī)選擇的。漲落的這種作用表明自然界的演化是偶然性與必然性相互影響的過程。在上述四個(gè)條件之中，開放性是必要條件，但不是充分條件；只有系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)非平衡結(jié)構(gòu)、非線性相互作用和隨機(jī)漲落等條件時(shí)，才有可能發(fā)生自組織過程

這正如普里高津所說：“這使我們對(duì)于物質(zhì)世界有了一個(gè)多元論的觀點(diǎn)，在這個(gè)世界里，各種現(xiàn)象作為影響體系的條件一個(gè)挨一個(gè)地共處其中，而這條件本身又是變化的。也就是說對(duì)系統(tǒng)自組織的規(guī)律的理解應(yīng)從多角度、全范圍的去考察，同時(shí)它們各種因素之間的關(guān)系也是互為因果的，因此，自然界的演化才變得錯(cuò)綜復(fù)雜，進(jìn)化與退化，有序與無序，周期性與超循環(huán)性同時(shí)并舉。第三節(jié)自然界演化的循環(huán)性自然界物質(zhì)系統(tǒng)的不斷演化，必然導(dǎo)致自然界物質(zhì)演化的另一種基本特征——循環(huán)發(fā)展性，即這種特征一方面表現(xiàn)為自然界的演化具有周期性，另一方面又具有非重復(fù)性的超循環(huán)性，就是說自然界的整個(gè)演化過程是由一系列彼此交替的螺旋式循環(huán)構(gòu)成的，同時(shí)也是演化的方向性、多樣性與無限性等相互交織的辯證否定規(guī)律得到充分證實(shí)的歷程。一、演化的周期性與超循環(huán)性自然界物質(zhì)系統(tǒng)的演化，經(jīng)過產(chǎn)生、發(fā)展和消亡的辯證否定過程，完成了一個(gè)周期。周期性的表現(xiàn)形式是自然界經(jīng)過一定的演化歷程之后有著向原來出發(fā)點(diǎn)回歸的傾向。物質(zhì)系統(tǒng)演化的周期性現(xiàn)象，在自然界已是一個(gè)普遍的客觀事實(shí)。從當(dāng)代科學(xué)發(fā)展的成果看，宇宙中的微觀世界和宏觀世界都具有周期性的規(guī)律。俄國著名化學(xué)家門捷列夫的元素周期表，在微觀的意義上揭示了物質(zhì)世界的基本構(gòu)成元素具有周期性的內(nèi)在聯(lián)系，經(jīng)過后人的進(jìn)一步完善，元素周期律更為全面地表達(dá)了這種特征。元素的性質(zhì)是隨著原子的核電荷數(shù)的遞增而呈現(xiàn)周期性變化，無論是元素化合價(jià)的遞變，或是元素金屬性和非金屬性的遞變都是如此。周期表上每一周期的元素，從左到右是非金屬性逐漸增加、金屬性逐漸減弱，但從上到下則相反。而且，不論是從上到下，或是從左到右，后一周期都不是前一周期同族元素性質(zhì)變化的再現(xiàn)。在有生命的世界，這種周期性也是顯而易見的。脫氧核糖核酸DNA的自我復(fù)制具有周期性，生物細(xì)胞的新陳代謝具有自己的生命周期，植物的生根發(fā)芽、開花結(jié)果與氣候的季節(jié)性變化存在著很大的對(duì)應(yīng)關(guān)系；動(dòng)物的孕育成長直至衰老都具有周期性特點(diǎn)。呼吸周期、體液循環(huán)、心跳節(jié)律、神經(jīng)活動(dòng)的興奮抑制周期更是成為人的生命節(jié)律的周期性表現(xiàn)形式。在宏觀世界，地質(zhì)的演化、冰川的活動(dòng)也都具有周期性；慧星、衛(wèi)星、行星、恒星、星系的運(yùn)轉(zhuǎn)也具有周期性，地震、火山、地球板塊碰撞、太陽風(fēng)、耀斑、黑子、脈沖星、超新星爆發(fā)等地質(zhì)活動(dòng)和天文現(xiàn)象都具有周期性變化特征，暴漲宇宙模型在解釋宇宙演化時(shí)，也是將恒星、宇宙都看成是一個(gè)具有固定的生命周期的存在物，我們現(xiàn)在的宇宙膨脹到某一最大體積后，有可能發(fā)生收縮，溫度也隨之升高，終于又恢復(fù)到“原始火球”狀態(tài)。然后在一定條件下，宇宙又一次進(jìn)行大爆炸，這樣交替循環(huán)；恒星是由彌漫星際物質(zhì)凝聚而成，其后它在燃燒的過程中因物質(zhì)能量衰退而變?yōu)榧t巨星、白矮星直至新的星際物質(zhì)，如此循環(huán)不已。但是，值得注意的是，任何物質(zhì)系統(tǒng)的循環(huán)都不是對(duì)過去的行為和狀態(tài)的簡(jiǎn)單重復(fù)，而是有所突破、有所變異，從而使自然界的演化具有不可逆性和超循環(huán)的特征。關(guān)于自然界的這種特征的研究最早是在化學(xué)中的貝魯索夫——扎孛廷斯基（簡(jiǎn)稱B—Z）反應(yīng)而引起人們重視的，貝魯索夫發(fā)現(xiàn)，在控制檸檬酸、溴酸鉀、硫酸等反應(yīng)物濃度的條件下，催化劑鈰離子的濃度隨時(shí)間作周期性的變化，會(huì)造成混合物液體的顏色在無色和黃色之間來回振蕩，就象變化的時(shí)鐘一樣很有規(guī)則。

關(guān)于自然界的這種特征的研究最早是在化學(xué)中的貝魯索夫——扎孛廷斯基（簡(jiǎn)稱B—Z）反應(yīng)而引起人們重視的，貝魯索夫發(fā)現(xiàn)，在控制檸檬酸、溴酸鉀、硫酸等反應(yīng)物濃度的條件下，催化劑鈰離子的濃度隨時(shí)間作周期性的變化，會(huì)造成混合物液體的顏色在無色和黃色之間來回振蕩，就象變化的時(shí)鐘一樣很有規(guī)則。扎孛廷斯基又以鈰離子作催化劑，讓丙二酸被溴酸氧化，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)物出現(xiàn)紅藍(lán)相間的空間構(gòu)型以及紅藍(lán)相間的擴(kuò)散波。普里高津和勒菲弗（ReneLefever）也在幾乎同時(shí)構(gòu)造了一個(gè)具有空間自組織必需條件的、起化學(xué)反應(yīng)的模型系統(tǒng)，（這就是后來由弗吉尼亞大學(xué)的泰森JohnTyson所說的布魯塞爾振子）他們證明了該準(zhǔn)則具有與熱力學(xué)第二定

律不矛盾的特點(diǎn)。B—Z反應(yīng)的一個(gè)重要特征是：在整個(gè)反應(yīng)過程中，兩種不同的產(chǎn)物相互催化對(duì)方的合成物，這種交叉催化反應(yīng)被艾根稱為超循環(huán)。在此核酸的自我復(fù)制本身就是一種循環(huán)，蛋白質(zhì)是其催化劑，而這些催化劑又構(gòu)成經(jīng)核酸翻譯的循環(huán)，這種催化循環(huán)的循環(huán)就是超循環(huán)。它不僅局限于化學(xué)或生物制品中的交叉催化反應(yīng)，而是一種具有相當(dāng)意義的普遍性，它表明自然系統(tǒng)在一定的外界條件作用下，通過自組織過程完成系統(tǒng)的進(jìn)化。艾根說：“超循環(huán)是一個(gè)自然的自組織原理，它使一組功能上耦合的自復(fù)制體整合起來并一起進(jìn)化?！保ò骸冻h(huán)論》，第3頁，上海譯文出版社，1988年版。）

一些科學(xué)家也指出：“我們不可能忽略BZ反應(yīng)和有機(jī)世界中許多我們熟悉的組織之間的關(guān)系?；瘜W(xué)鐘里的螺旋波與心臟病發(fā)作時(shí)的波動(dòng)、原始粘菌、旋渦星系、颶風(fēng)等等之間大有相似之處?！保ㄓ说每挛哪崃_杰海菲爾德《時(shí)間之箭》，第200頁，湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1995年版。）由此可見，自然界的演化一方面具有周期性的特征，但在周期性的發(fā)展中具有不可逾越的超循環(huán)特征，否則，就不能解釋自然界的演化在宏觀上具有不可逆的和進(jìn)化的趨勢(shì)?？傊?，沒有天體演化的周期性，就沒有絢麗奪目的夜空；沒有生命過程的周期性，生物就不會(huì)有新老交替、生生不息；沒有季節(jié)變換、滄海桑田就談不上變化發(fā)展。當(dāng)然，自然界的任何變化都不可能是單調(diào)的前進(jìn)，或者是單調(diào)的衰退，而是相互貫穿、迂回曲折、辯證發(fā)展的，周期性和超循環(huán)性在自然界的螺旋式演進(jìn)中得到了高度的統(tǒng)一。二、演化的方向性自然界物質(zhì)系統(tǒng)的演化總是具有一定的趨向，或是進(jìn)化或是退化，或是向上或是向下，或是朝著有序演進(jìn)或是朝著無序衰退。這些都是自然演化成的方向性的表現(xiàn)形式。進(jìn)化與退化是自然界辯證發(fā)展的典型形式。它們代表著兩個(gè)截然不同的演化方向

進(jìn)化是指在物質(zhì)演化中由無序到有序的過程，它是通過提高自然系統(tǒng)的自組織方式實(shí)現(xiàn)的。在自然界中存在著大量的進(jìn)化事實(shí)。達(dá)爾文的進(jìn)化論揭示了生物領(lǐng)域里的進(jìn)化性演變過程，天文學(xué)和天體物理學(xué)的研究表明，宇宙星體的演化也具有逐步演進(jìn)的特征。自然，無論是生物進(jìn)化還是天體演化都不