自然界的自組織課件

第四章自然界的自組織第四章自然界的自組織第一節(jié)時(shí)間之矢的和自然界演化的方向性一、時(shí)間之矢的凸現(xiàn)1。動(dòng)力學(xué)中的時(shí)間：牛頓力學(xué)方程中，時(shí)間以平方的形式出現(xiàn)，因此方向性被抹掉了。相對(duì)論、量子力學(xué)在時(shí)間問題上都是反演對(duì)稱的，因此也沒有方向性。第一節(jié)時(shí)間之矢的和自然界演化的方向性一、時(shí)間之矢的凸現(xiàn)2。熱力學(xué)中的時(shí)間：1822年傅里葉方程指出，只要存在著溫度差，總有熱流從高溫物體傳到低溫物體，時(shí)間t反演不對(duì)稱。1824年卡諾原理：一定熱量作功的上限是兩個(gè)熱源的溫度差?？藙谛匏梗簾崃坎豢赡茏詣?dòng)地從較冷的物體轉(zhuǎn)移到較熱的物體。湯姆遜：從單一熱源吸取熱量使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ划a(chǎn)生其它影響是不可能的。2。熱力學(xué)中的時(shí)間：熱力學(xué)第二定律：所有能量的轉(zhuǎn)化都是不可逆的，孤立系統(tǒng)的熵總是趨于最大。波爾茲曼關(guān)于熵的定義：S=klnW愛丁頓：熱力學(xué)第二定律“在自然定律中占有至高無上的地位”熱力學(xué)第二定律：所有能量的轉(zhuǎn)化都是不可逆的，孤立系統(tǒng)的熵總是二、可逆與不可逆“可逆性佯謬”——?jiǎng)恿W(xué)的時(shí)間是可逆的，而熱力學(xué)的時(shí)間是不可逆的——誰反映了客觀世界的本質(zhì)？波爾茲曼：熱力學(xué)第二定律只存在于宏觀領(lǐng)域，是對(duì)大量粒子統(tǒng)計(jì)平均的結(jié)果。量子力學(xué)：微觀層次的隨機(jī)性是客觀存在的。普里戈津：非平衡態(tài)熱力學(xué)，發(fā)現(xiàn)時(shí)間內(nèi)稟性——自然界中實(shí)際發(fā)生的過程都是不可逆的，可逆性只是相對(duì)的，有條件的。二、可逆與不可逆三、不可逆與進(jìn)化克勞修斯與達(dá)爾文的矛盾：概率論對(duì)熵進(jìn)行的分析：系統(tǒng)的熵與對(duì)應(yīng)的微觀狀態(tài)出現(xiàn)的概率成正比，熵值最大對(duì)應(yīng)的就是對(duì)稱性最大的狀態(tài)，也是最無序的狀態(tài)。而生命現(xiàn)象是高度不對(duì)稱的，即最有序的狀態(tài)。生命的演化是不對(duì)稱逐漸增加，有序性不斷提高的過程。

物理學(xué)怎樣解答進(jìn)化過程？三、不可逆與進(jìn)化第二節(jié)自組織的概念一、自組織現(xiàn)象：1。貝納特對(duì)流：水平容器中的薄層液體在加熱到一定程度后產(chǎn)生規(guī)則的多邊形圖案。1）加熱導(dǎo)致有序運(yùn)動(dòng)2）對(duì)流狀態(tài)下液體分子形成統(tǒng)一行動(dòng)3）有序狀態(tài)是突現(xiàn)而非逐漸形成。第二節(jié)自組織的概念一、自組織現(xiàn)象：自然界的自組織課件2。激光：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation即受激輻射的光放大。受激幅射是產(chǎn)生激光的首要條件。工作物質(zhì)必須具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。這是產(chǎn)生激光的第二個(gè)條件。有些物質(zhì)的電子被激發(fā)以后，處于第二能級(jí)E2的時(shí)間較長(zhǎng)，僅次于基態(tài)能級(jí)E1。這個(gè)能級(jí)就叫做亞穩(wěn)能級(jí)。形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激發(fā)射多于吸收。這是產(chǎn)生激光的第三個(gè)條件。振蕩腔是產(chǎn)生激光的第四個(gè)條件。其作用是使輻射頻率單純，方向集中。光子在振蕩腔中振蕩具有放大效應(yīng)，即一次產(chǎn)生的光子數(shù)多于損耗的光子數(shù)是產(chǎn)生激光的第五個(gè)條件。

2。激光：LightAmplificationbySt3。貝洛索夫—薩波金斯基反應(yīng)：1）鈰離子催化檸檬酸的溴酸氧化反應(yīng)：容器內(nèi)混合物的顏色周期性在黃色與無色之間變換?！瘜W(xué)鐘2）鈰離子催化丙二酸的溴酸氧化反應(yīng)：容器內(nèi)混合物的顏色周期性在紅色與籃色之間變換。容器的不同部位各種成分濃度不均勻分布?！瘜W(xué)波3。貝洛索夫—薩波金斯基反應(yīng)：自然界的自組織課件二、自組織（Self-organization)概念：組織：1）事物內(nèi)部（及其與外部）按照一定的規(guī)則形成的特定結(jié)構(gòu)和功能。2）系統(tǒng)中的要素按照某種指令形成特定結(jié)構(gòu)和功能的過程?！M織化組織化的必要條件：——信息

自組織：系統(tǒng)的要素通過彼此的相干性、協(xié)同性或某種默契而形成的特定結(jié)構(gòu)和過程。二、自組織（Self-organization)概念：自然界的自組織課件自組織作為過程：1）自創(chuàng)生：由非組織發(fā)展為有序組織，或低層次躍變高層次。其特點(diǎn)是過程的間斷性。2）自會(huì)聚：維持相同層次但復(fù)雜性不斷增加。其特點(diǎn)是過程的連續(xù)性。自組織作為過程：自組織系統(tǒng)：1）自我維持穩(wěn)定型：復(fù)雜性不增加，也不產(chǎn)生新層次。2）自我增長(zhǎng)型：層次不變但復(fù)雜性增加。3）自創(chuàng)生型：新物質(zhì)層次形成，而且新物質(zhì)層次在起點(diǎn)上復(fù)雜性被簡(jiǎn)化。自組織系統(tǒng)：三、自組織理論的產(chǎn)生及發(fā)展1。耗散結(jié)構(gòu)(DissipativeStructure)理論：耗散結(jié)構(gòu)：遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，通過不斷與外界交換物質(zhì)和能量，在外界條件達(dá)到一定閾值時(shí)，形成并維持下來的有序結(jié)構(gòu)。第一次使用自組織的概念；用三分子反應(yīng)器模擬廣泛的自組織行為。三、自組織理論的產(chǎn)生及發(fā)展AXB+XY+D2X+Y3XXE三分子反應(yīng)器（布魯塞爾器）AX三分子反應(yīng)器（布魯塞爾器）該反應(yīng)中，A、B是反應(yīng)物，不斷得到外界的補(bǔ)充；而D、E一經(jīng)生成，即刻取走。其中，第三步反應(yīng)尤其值得強(qiáng)調(diào)：該反應(yīng)的特點(diǎn)：1。X既是反應(yīng)物，又是生成物，其本身數(shù)量在反應(yīng)過程中增加。（自催化）2。有三個(gè)變量分子同時(shí)參加一個(gè)反應(yīng)。（三分子反應(yīng)）3。該反應(yīng)在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生出X分子的速率正比于。該反應(yīng)中，A、B是反應(yīng)物，不斷得到外界的補(bǔ)充；而D、E一經(jīng)生2。協(xié)同學(xué)（Synergetics）：序參量：支配系統(tǒng)演化狀態(tài)，反應(yīng)系統(tǒng)有序程度變化的狀態(tài)參量，取代“熵”作為處理自組織問題的一般判據(jù)。自組織是系統(tǒng)內(nèi)部大量子系統(tǒng)協(xié)同的結(jié)果。2。協(xié)同學(xué)（Synergetics）：3。超循環(huán)理論（Hypercycle）對(duì)核酸與蛋白質(zhì)的相互作用關(guān)系和對(duì)生物學(xué)中多樣性與統(tǒng)一性的的關(guān)系進(jìn)行控討，為生命起源的信息耦合、多樣性的展開、必然性與偶然性的關(guān)系進(jìn)行了解釋。反應(yīng)循環(huán)：酶的循環(huán)——自再生。催化循環(huán)：反應(yīng)循環(huán)的耦合，如DNA復(fù)制——自催化、自我復(fù)制。超循環(huán)：催化循環(huán)的耦合，如噬菌體感染細(xì)胞——整合性，子系統(tǒng)的協(xié)同性，產(chǎn)物增長(zhǎng)的快速性。3。超循環(huán)理論（Hypercycle）4。突變論。自創(chuàng)生的形式——突變的若干數(shù)學(xué)形式及相變的臨界理論。5。分形（Fractal）和混沌（Chaos）。自組織復(fù)雜結(jié)構(gòu)的共同特征，如自相似性、分形、維數(shù)與進(jìn)化的關(guān)聯(lián)。4。突變論。第二節(jié)產(chǎn)生自組織的條件一、系統(tǒng)的開放性孤立系統(tǒng)中的熵變化dS=diS。開放系統(tǒng)中的熵變化dS=diS+deS，只要系統(tǒng)向外輸出熵的速率等于或大于系統(tǒng)的熵產(chǎn)生，系統(tǒng)的有序狀態(tài)就能維持或增長(zhǎng)。在不影響系統(tǒng)的自身的規(guī)定性的前提下，充分開放是自組織的必要條件。第二節(jié)產(chǎn)生自組織的條件一、系統(tǒng)的開放性二、遠(yuǎn)離平衡態(tài)：系統(tǒng)的演化是新陳代謝，遠(yuǎn)離平衡使原有的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，新結(jié)構(gòu)才能產(chǎn)生。熱力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)離平衡態(tài)條件下，系統(tǒng)內(nèi)部各要素的關(guān)聯(lián)度增大，呈現(xiàn)出非線性。二、遠(yuǎn)離平衡態(tài)：三、非線性機(jī)制由多種相互作用耦合而成的一種整體效應(yīng)，用數(shù)學(xué)語言表述就是描述系統(tǒng)狀態(tài)的微分方程中有二次以上的函數(shù)項(xiàng)。1。非線性機(jī)制是一種穩(wěn)定機(jī)制。正反饋是新結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的觸發(fā)器，而非線性機(jī)制使正反饋過程不至于無限發(fā)散。2。非線性機(jī)制是復(fù)雜性的根源。非線性方程的多解性對(duì)應(yīng)著系統(tǒng)不同演化態(tài)，具體選擇哪一種狀態(tài)則是由偶然性決定的。三、非線性機(jī)制第三節(jié)自組織演化的內(nèi)在根據(jù)一、漲落和正反饋漲落是對(duì)既定狀態(tài)的唯小偏離，在平衡態(tài)及近平衡態(tài)，漲落會(huì)逐漸衰減以至于完全消失，因此是一種消極的干擾。但在臨界點(diǎn)附近，漲落被正反饋所放大，而決定全局的結(jié)果?！巴ㄟ^漲落達(dá)到有序”第三節(jié)自組織演化的內(nèi)在根據(jù)一、漲落和正反饋

正反饋是一種關(guān)聯(lián)放大的過程，如自然界的雪崩、抗體的形成、核裂變過程中的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。它使整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，使隨機(jī)出現(xiàn)的序參量迅速支配全局。正反饋是一種關(guān)聯(lián)放大的過程，如自然界的雪崩、抗體的形成二、競(jìng)爭(zhēng)和協(xié)同競(jìng)爭(zhēng)是指系統(tǒng)內(nèi)各要素間相互爭(zhēng)奪，力圖取得支配和主導(dǎo)地位的活動(dòng)與過程。只要系統(tǒng)內(nèi)存在差異就會(huì)有競(jìng)爭(zhēng)，系統(tǒng)越復(fù)雜，競(jìng)爭(zhēng)越激烈。協(xié)同是指系統(tǒng)中要素之間聯(lián)接、合作、協(xié)調(diào)與同步的過程。協(xié)同是系統(tǒng)整體性、相干性的內(nèi)在根據(jù)。系統(tǒng)越復(fù)雜，協(xié)同作用越多樣化。競(jìng)爭(zhēng)反映矛盾的斗爭(zhēng)性，協(xié)同反映了矛盾的同一性。二、競(jìng)爭(zhēng)和協(xié)同在演化過程中，競(jìng)爭(zhēng)與協(xié)同相互依存，互相轉(zhuǎn)化。通過競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生信息，但是競(jìng)爭(zhēng)中要素之間彼此摩擦，碰撞，增加了轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)恼系K。而協(xié)同能減少這些障礙，產(chǎn)生秩序，從無序走向有序。競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致協(xié)同，協(xié)同又會(huì)引發(fā)更高層次的競(jìng)爭(zhēng)。在演化過程中，競(jìng)爭(zhēng)與協(xié)同相互依存，互相轉(zhuǎn)化。通過競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)三、序參量和支配

協(xié)同效應(yīng)的產(chǎn)生在于序參量的支配過程序參量是微觀要素或子系統(tǒng)集體運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物，是系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)同效應(yīng)的表征和度量。在相變過程中，系統(tǒng)原有結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，要素之間的競(jìng)爭(zhēng)加劇，有的要素變化快，衰減也快，有的變化慢，衰減也慢，在臨界狀態(tài)時(shí)還會(huì)被放大，成為系統(tǒng)演化的主導(dǎo)因素，支配其他要素的行為。三、序參量和支配

支配理論豐富和發(fā)展了哲學(xué)中的矛盾理論。序參量在臨界狀態(tài)下代表著主要矛盾或矛盾的主要方面，但在演化的普通狀態(tài)下，各種矛盾或矛盾的各個(gè)方面的地位與作用相差無幾。支配理論豐富和發(fā)展了哲學(xué)中的矛盾理論。第四節(jié)自組織演化的形式一、突變突變是指漸進(jìn)過程的中斷，是飛躍。

在自組織過程中，突變的主要貢獻(xiàn)就是在進(jìn)化中造成了“分叉”。在通往復(fù)雜性的道路上，分叉意味著信息倍增。在分叉點(diǎn)以前，系統(tǒng)的演化只有唯一解，而在分叉點(diǎn)上系統(tǒng)的演化卻有多重解，意味著不確定性。復(fù)雜系統(tǒng)是經(jīng)過多次分叉而產(chǎn)生的，每一次分叉都意味著復(fù)雜性增長(zhǎng)。第四節(jié)自組織演化的形式一、突變二、循環(huán)

循環(huán)是周期性運(yùn)動(dòng)，而周期的嵌套和耦合不僅是運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化的體現(xiàn)，也是形成層次結(jié)構(gòu)的重要機(jī)制。使系統(tǒng)的發(fā)展在總的趨勢(shì)上呈現(xiàn)出上升的特征。循環(huán)是系統(tǒng)聯(lián)系的形式，也是系統(tǒng)發(fā)展的形式。二、循環(huán)反應(yīng)循環(huán)：酶的循環(huán)——自再生。催化循環(huán)：反應(yīng)循環(huán)的耦合，如DNA復(fù)制——自催化、自我復(fù)制。超循環(huán)：催化循環(huán)的耦合，如噬菌體感染細(xì)胞——整合性，子系統(tǒng)的協(xié)同性，產(chǎn)物增長(zhǎng)的快速性。反應(yīng)循環(huán)：酶的循環(huán)——自再生。自然界的自組織課件三、混沌遠(yuǎn)離平衡態(tài)的系統(tǒng)經(jīng)過無數(shù)次分叉就進(jìn)入了決定性混沌。與平衡態(tài)混沌不同的是它是一種宏觀無序而微觀高度有序的狀態(tài)。它是由系統(tǒng)內(nèi)部的非線性機(jī)制自發(fā)產(chǎn)生的混沌。三、混沌自然界的自組織課件自然界的自組織課件吸引子是相空間中的一些點(diǎn)，或點(diǎn)的集合，它對(duì)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡具有吸引作用。1。定點(diǎn)吸引子。例如受精卵的發(fā)育。2。極限環(huán)吸引子。例如ATP、ADP此消彼長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。3。奇異吸引子。對(duì)初始條件極為敏感的相空間中的分維體。自相似性是其典型特征。吸引子是相空間中的一些點(diǎn)，或點(diǎn)的集合，它對(duì)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的自然界的自組織課件進(jìn)入混沌的道路有三種：1。倍周期分叉——周期加倍走向混沌2。陣發(fā)性混沌——在臨界條件下周期運(yùn)動(dòng)與混沌交替出現(xiàn)最后完全混沌3。茹勒—泰肯斯道路——系統(tǒng)內(nèi)不同頻率的振蕩互相耦合進(jìn)入混沌混沌學(xué)和分形研究表明，復(fù)雜性寓于簡(jiǎn)單性之中。隨機(jī)性既包括外在隨機(jī)性，也包括內(nèi)在隨機(jī)性。而內(nèi)在隨機(jī)性蘊(yùn)含著某種必然性。進(jìn)入混沌的道路有三種：第五節(jié)自組織理論的

自然觀意義一、進(jìn)化與退化的辯證統(tǒng)一1。進(jìn)化和退化都是自然界自我運(yùn)動(dòng)、自我否定的表現(xiàn)。2。進(jìn)化與退化相互包含。在低層次系統(tǒng)形成高層次系統(tǒng)時(shí)，一方面有序程度提高，別一方面是低層次系統(tǒng)的活動(dòng)空間縮小。3。進(jìn)化與退化同存共生。是一個(gè)過程的兩個(gè)方面。系統(tǒng)有序程度的提高是以環(huán)境的某些退化為代價(jià)的。第五節(jié)自組織理論的

4。進(jìn)化與退化往往交替性相互轉(zhuǎn)化。自然界物質(zhì)的演化是一個(gè)曲折的過程，直線化的演化圖景原則上是不會(huì)成功的。5。進(jìn)化與退化具有一些共同的基本特點(diǎn)。表現(xiàn)為過程的離散性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性重建。4。進(jìn)化與退化往往交替性相互轉(zhuǎn)化。自然界物質(zhì)的演化是一個(gè)曲折二、認(rèn)識(shí)復(fù)雜性的方法論意義1、什么是復(fù)雜性：構(gòu)成要素的多元性、多層次性行為的不確定性和非周期性屬性，狀態(tài)的多樣性和奇異性運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性和不可逆性二、認(rèn)識(shí)復(fù)雜性的方法論意義2、復(fù)雜性思維正在改變我們的提問方式自組織理論對(duì)科學(xué)界所帶來的震撼，不僅是理論層次的革命，而且對(duì)其背后的哲學(xué)觀也提出質(zhì)疑。我們思考問題的方式?？蓺w于某些哲學(xué)觀。有時(shí)候有些問題找不到適合的答案，其實(shí)乃是源自問題本身的不恰當(dāng)。問題本非客觀獨(dú)立的存在，而是主觀意識(shí)思考的產(chǎn)物。往往提出問題的方式，就已經(jīng)限制了我們所能看到的答案。2、復(fù)雜性思維正在改變我們的提問方式近代科學(xué)以線性方式發(fā)問，以追求簡(jiǎn)單性為崇高使命，從本原簡(jiǎn)單性到邏輯的簡(jiǎn)單性，從自然的簡(jiǎn)單性到學(xué)科的簡(jiǎn)單性，又從概念系統(tǒng)的簡(jiǎn)單性推定自然界是簡(jiǎn)單的。近代科學(xué)的思維方式主要有以下三性：1).連續(xù)性或無斷裂性，否認(rèn)自然界存在著飛躍。在方法論上導(dǎo)致片面強(qiáng)調(diào)邏輯否定非邏輯因素的積極意義。2).可分性，否認(rèn)事物間的關(guān)聯(lián)性和系統(tǒng)的整體性。在方法論上導(dǎo)致各種形式的還原論。3).確定性，否定隨機(jī)性和偶然性，否定事物的突現(xiàn)與生成。在方法論上導(dǎo)致形形色色的決定論。自然界的自組織課件例如，愛因斯坦曾說：“從那些看來同直接可見的真理十分不同的各種復(fù)雜現(xiàn)象中認(rèn)識(shí)到它們的統(tǒng)一性，那是一種壯麗的感覺”。他所說的統(tǒng)一性就是指自然規(guī)律的內(nèi)在一致性和邏輯簡(jiǎn)單性。他說，科學(xué)最偉大的目標(biāo)就是“要從盡可能少的假說和公理出發(fā)，通過邏輯的演繹，概括盡可能多的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)”，“要得到那些普遍的基本定律，由此世界體系就能用單純的演繹法建立起來”。例如，愛因斯坦曾說：“從那些看來同直接可見的真理十分不同的各然而，世界本來就是非線性的，簡(jiǎn)單性只是復(fù)雜性海洋中的一個(gè)個(gè)孤島，復(fù)雜性方法才能揭示世界的本質(zhì)。自然界的自組織課件3、在還原論與目的論之間保持必要的張力還原論和決定論的觀點(diǎn)應(yīng)有所修正，但并不該是被全盤推翻或取代。不可否認(rèn)，我們今日所享的科學(xué)成就絕大多數(shù)還是拜它們所賜。但今天在許多領(lǐng)域之中，它們?cè)撟尳o目的論或整體論（holism）觀點(diǎn)的，恐怕已是遠(yuǎn)不只一席之地了。3、在還原論與目的論之間保持必要的張力注：E·邁爾將還原論的內(nèi)涵分為三種：1）組成性還原論，主張生物界的事態(tài)與過程與原子、分子層次的物理學(xué)——化學(xué)過程一致。這一觀點(diǎn)為現(xiàn)代生物學(xué)家所接受。

2）解釋的還原論，主張整體就必須將其分解為組成部分，一直到等級(jí)結(jié)構(gòu)的最低層次。這取決于一定的條件，即高層次過程大多與低層次過程無關(guān)。

3）學(xué)說的還原論，主張某一學(xué)科的學(xué)說和定律可以看作是另一學(xué)科學(xué)說和定律的特殊事例。這種還原論從末成功過。注：E·邁爾將還原論的內(nèi)涵分為三種：1）組成性還原論，主張生目的論的內(nèi)涵也可分為以下幾種：1）本體目的性，亞里士多德提出，將自然界的和諧有序歸因于“目的因”。2）系統(tǒng)目的性，是現(xiàn)代科學(xué)用以解釋生命機(jī)體及有機(jī)系統(tǒng)的自組織規(guī)律的一個(gè)基本概念。目的性被歸結(jié)為負(fù)反饋。3）結(jié)構(gòu)目的性，雅克·莫諾認(rèn)為生物結(jié)構(gòu)目的性起源于生物自主的形態(tài)發(fā)生，并且正是生物的目的性器官使得生物中高度有序的結(jié)構(gòu)得以維持、復(fù)制和增殖。4）程序目的性。這一概念為美國(guó)生物學(xué)家Ｅ·邁爾所提出：“程序目的性過程或行為是由于某種程序的運(yùn)行而（按）目標(biāo)定向