進化論系列講座（三十二） 進化論進入“廣義綜合”時代

郭建崴

自組織-生命-進化

“組織”可以定義為系統內的有序結構或有序結構的形成過程。德國理論物理學家赫爾曼·哈肯（H. Haken）將其分為他組織和自組織兩類。

他組織是一個系統靠外部指令而形成的組織；如果外部指令不存在，系統以相互默契的某種規律使內部各要素（或子系統）各盡其責而又協調地自動形成有序結構，這就是自組織。

各種生物如果是上帝創造的，那就是他組織的系統；如果是經由最初的自然發生并逐漸進化而來，那就是自組織系統。如是，“神創論”、“特創論”應該完全被科學的發展所摒棄了！

無論在自然界還是在人類社會中自組織現象都普遍存在。一個系統自組織屬性越強，其保持和產生新功能的能力也就越強。一個有目共睹的案例就是，人類社會比動物界其他物種群體的自組織能力強，人類社會比其他物種群體的系統功能就高級得多。

自組織理論是20世紀60年代末期開始建立并發展起來的一種系統理論，其研究對象主要是復雜自組織系統（例如生命系統、社會系統）的形成和發展機制，即系統是如何在一定條件下，自動地由無序走向有序、進而由低級有序走向高級有序。

自組織是現代非線性科學和非平衡態熱力學最激動人心的發現之一。其理論主要由三個部分組成：耗散結構理論（Dissipative Structure）、協同學（Synergetics）和突變論（Catastrophe Theory）。自組織理論的發展，有助于探究生命是如何自組織起來的問題。

耗散結構可以包括一系列遠離平衡狀態的開放的有序系統，既可以是力學的、物理的、化學的、生物學的系統，也可以是社會的和經濟的系統。耗散結構理論的提出，對于自然科學和包括哲學在內的社會科學的很多領域都產生了巨大影響。著名未來學家阿爾文·托夫勒認為，這一理論可能代表了一次科學革命。

但也有一些學者認為不應夸大它的影響，只有把它與一般系統論、信息論、控制論、協同學、突變論等系統科學的其他理論結合起來，才能充分發揮其作用。

實際上，耗散結構理論對一般系統論中的開放系統思維是認同并沿用的。一般系統論是研究系統的一般模式、結構和規律的學科，研究各種系統的共同特征，用數學和邏輯定量描述其功能，尋求并確立適用于所有系統的原理、原則和數學模型。一般系統論源于生物學家對生命機體運行機制的思考，而生命活動也是耗散結構理論的研究對象之一。

耗散結構理論是解釋生命過程的熱力學現象和生物進化的熱力學理論基礎之一。普利高津曾對耗散結構形成的條件作過如下簡單通俗的描述：“生物和社會組織包含著一種新型的結構,……社會和生物結構的一個共同特征是它們產生于開放系統,而且這種組織只有與周圍環境的介質進行物質和能量的交換才能維持生命力。然而,只是一個開放系統并沒有充分的條件保證實現這種結構。只有在系統保持‘遠離平衡’和在系統內的不同元素之間存在著‘非線性’的機制的條件下,耗散結構才能實現”。

協同學這一名稱由赫爾曼·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同學；1972年，第一屆國際協同學會議在前聯邦德國埃爾姆召開，這次國際會議論文集《協同學》在1973年出版，標志協同學的誕生。1979年前后，前聯邦德國生物物理學家艾根將協同學的研究對象拓展到生物分子方面。

協同或協同作用是協同學最基本的概念。一個系統通常由許多子系統構成，如果子系統之間相互配合產生協同作用和合作效應，整個系統就處于自組織狀態，在宏觀上和整體上呈現有序，具有一定的結構或功能。雖然不同的系統性質各異，但新結構取代舊結構的質變行為在機理上卻類似甚至相同。協同學與耗散結構理論有相通之處，但它認為系統從無序到有序轉化的關鍵，在于組成系統的各子系統之間的協同作用。

突變論的創始人是法國數學家雷內托姆，他在1972年發表的《結構穩定性和形態發生學》一書中闡述了突變理論，榮獲國際數學界的最高獎——菲爾茲獎章。此突變論與荷蘭植物學家和遺傳學家德弗里斯根據月見草實驗的結果，于1901年提出生物進化起因于驟變的“突變論”可不是一回事。

此突變論是用數學模型來描述和預測事物的連續性中斷的質變過程的一個理論，認為質變既可以經由突變的方式、也可以經由漸變的方式而實現——在一定情況下，改變控制條件可以使一個突變過程轉化為漸變，也可以使一個漸變過程轉化為突變。當嚴格控制條件時，如果質變經歷的中間過渡狀態不穩定，就呈現為突變過程；如果中間狀態穩定，就呈現為漸變過程。

突變論認為，系統所處的狀態可以用一組參數來描述。雷內托姆指出：“系統從一種穩定狀態進入不穩定狀態，隨參數的再變化，又使不穩定狀態進入另一種穩定狀態，系統狀態就在這瞬間發生了突變?！?/p>

《協同學》中譯本

突變論與耗散結構論、協同論一起，從無序與有序的轉化機制上把系統的形成、結構和發展聯系起來。

時至今日，隨著對物種起源、生物進化、社會發展過程以及技術進步（尤其是信息技術的進步）等過程的深入觀察和研究，各個學科從不同的角度對“自組織”的概念給予了解讀：

依系統論的解讀，“自組織”是指一個系統因內在機制的驅動，自行從簡單向復雜、從粗放向精細方向發展，逐漸使自身的復雜度和精細度提高的過程；

依熱力學的解讀，“自組織”是指一個系統經由與外界交換物質、能量和信息，不斷地降低自身的熵、使有序度增高的過程；

依進化論的解讀，“自組織”是指一個生命系統在“遺傳”、“變異”和“自然選擇”機制的作用下，其組織結構和運行機制不斷地自我完善，從而逐步提高其適應環境能力的過程。從這一點來說，達爾文對人類思想的最大突破性貢獻就是排除了外因（上帝）的主宰作用，第一次從內在變異的自然選擇過程中來闡明物種的起源和生物的進化；

依結構論-泛進化理論的觀點解讀，“自組織”是指一個開放系統的結構穩態從低層次向高層次的構造過程，因系統的物質、能量和信息量度的增加，而形成生物系統的分子系統、細胞系統、組織器官系統到個體系統乃至種群系統、生態系統的組織化度增加，基因數量和種類自組織化以及基因時空表達調控等導致生物的進化與發育（Evo-Dev）過程。

自組織系統的普遍特性表現如下：

1、 開放性。從熱力學分支到耗散結構的轉變是一種非平衡相變。非平衡相變和平衡相變的最大區別就在于它需要從外界輸入或向外界輸出物質、能量和熵來維持。任何自組織系統都必須是開放系統。有機體如何通過改變自己來適應變化著的環境，形成最穩定的結構，這是生命自組織的一個基本問題。

2、 歷史性。普里高津把耗散結構的出現看作是從無序到有序的轉變，隨機漲落在這一轉變中起著特殊的重要作用，是漲落把系統推向新的有序結構。普里高津和尼科里斯說：“許許多多塑造著自然之形的基本過程是不可逆的和隨機的，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：“不可逆是非對稱和信息之源”。進而，如果考慮控制參數的不斷變化，系統在出現耗散結構的第一次分岔后，還會出現新的不穩定性和新的分岔，產生二級、三級等高級分岔。由于高級分岔以及每次分岔中對稱性自發破缺，使得體系演化越來越多樣，并且與歷史有關，與演化路徑有關。物理學和化學中已經有很多“記憶”材料和“記憶”元件，而生物學則完全是一門歷史科學。每一細胞，每一機體都是個體發生和種系發生的歷史產物，并且在歷史形成的特定的途徑上繼續演化，現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物。高級分岔的研究提供了一種自組織系統歷史性的機理的說明。

3、 整體性。自組織系統的子系統間存在著緊密的網絡聯系和協同作用，使得它成為無法分割的整體。特別在相變點或臨界態附近，子系統間的關聯長度變得越來越大，一個子系統和系統的全部其他子系統相聯系，因而一個微小的擾動就可通過鏈式反應引起巨大的整體反應，而且其結果無法預測。和通常相變點不同，這種自組織臨界態具有條件成熟時必然出現但對細節不敏感的“魯棒性”。對于線性系統，小的擾動只能引起小的效果；但對于非線性系統，輸出的效果并不和輸入的擾動成正比。在研究自組織系統的整體性時必須牢記隨機性在其中起到的重要作用。生命作為一個高度自組織系統，處處受著隨機規律的支配。正如控制論創建人維納所說：“在一個一切都是必然，沒有什么偶然的世界，不可能得出一個有意義的組織觀念?！?/p>

協同學特別強調自組織系統的整體性和子系統間的協同作用。哈肯提出的伺服原理（也稱支配原理）認為，在臨界點附近，自組織系統的宏觀行為可以用少數集體模式來描述，這些集體模式稱為序參量，支配著子系統使它們協同動作，導致系統呈現出有序性。

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，對于研究生物這類多層次自組織系統具有指導意義。

自組織理論的發展給生物學打開了一扇新的窗口。復雜的生物系統問題——新陳代謝、個體發育、種系發育、生態演替乃至進化，都將有可能從自組織理論的觀點用物理學的、數學的方法予以解決。

廣義綜合

起初，進化這個概念常常被作為達爾文理論的同義詞用于宏觀生物學領域。盡管有斯賓塞等人包羅萬象的進化哲學，以及社會達爾文主義者們力圖把它演繹成一種階級斗爭和社會統治的學說，但是直到一組被統稱為“復雜性科學”的新學科出現之前，它仍然僅限于是一種生物學理論。這組新學科發起于20世紀中期，包括一般系統論、控制論、信息和通訊理論、動力學和動態系統理論以及數學領域的突變理論和混沌理論，當然最重要的還有非平衡態熱力學。這些新學科以嚴格的方式來研究種種變化的不可逆過程，其結論適用于范圍異常廣闊的領域，從物理學到化學，從生物學到生態學，從歷史學到心理學、社會學以及社會科學中一些相互密切關聯的分支，如組織管理理論和國際關系理論，等等。研究發現，不但人類和社會發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；這些變化發生在看起來截然不同的領域，但卻都呈現出相似的動態型式和相似的構型效果。

從20世紀中期起，一般系統論和控制論就積極研究復雜系統在動態方面和形式方面的不變性，聚焦于運用自我糾正的負反饋手段達到自我保持的過程。而最基本的不可逆變化，即自我形態變化過程，到了60年代才成為研究的中心，當時普里高津等人開始發表他們開創性的理論。大約在這同時，在沙普利、溫伯格、霍金等人的著作中，一種基于“大爆炸”的新宇宙學初露端倪，而蔡森證實這種新宇宙學是探討宇宙中物質結構進化和地球上生物結構進化之間連續性的一個領域。不可逆變化的研究還受到拓撲學理論和混沌理論等數學領域新成果的推動，后者是隨著愛德華·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算機的研究室里寫出開拓性著作（揭示“蝴蝶效應”）之后出現的。

因此，當普里高津的布魯塞爾學派開始把以耗散結構理論為旗幟的不可逆形態變化理論推廣到生物和社會領域時，各種條件都成熟了，學者們開始對從宇宙到文化的所有進化現象作詳盡考察。進化于是真正開啟了在更廣泛意義上的使用；進化論至此意指廣義綜合，或一般進化論。