进化论系列讲座（三十二） 进化论进入“广义综合”时代

郭建崴

自组织-生命-进化

“组织”可以定义为系统内的有序结构或有序结构的形成过程。德国理论物理学家赫尔曼·哈肯（H. Haken）将其分为他组织和自组织两类。

他组织是一个系统靠外部指令而形成的组织；如果外部指令不存在，系统以相互默契的某种规律使内部各要素（或子系统）各尽其责而又协调地自动形成有序结构，这就是自组织。

各种生物如果是上帝创造的，那就是他组织的系统；如果是经由最初的自然发生并逐渐进化而来，那就是自组织系统。如是，“神创论”、“特创论”应该完全被科学的发展所摒弃了！

无论在自然界还是在人类社会中自组织现象都普遍存在。一个系统自组织属性越强，其保持和产生新功能的能力也就越强。一个有目共睹的案例就是，人类社会比动物界其他物种群体的自组织能力强，人类社会比其他物种群体的系统功能就高级得多。

自组织理论是20世纪60年代末期开始建立并发展起来的一种系统理论，其研究对象主要是复杂自组织系统（例如生命系统、社会系统）的形成和发展机制，即系统是如何在一定条件下，自动地由无序走向有序、进而由低级有序走向高级有序。

自组织是现代非线性科学和非平衡态热力学最激动人心的发现之一。其理论主要由三个部分组成：耗散结构理论（Dissipative Structure）、协同学（Synergetics）和突变论（Catastrophe Theory）。自组织理论的发展，有助于探究生命是如何自组织起来的问题。

耗散结构可以包括一系列远离平衡状态的开放的有序系统，既可以是力学的、物理的、化学的、生物学的系统，也可以是社会的和经济的系统。耗散结构理论的提出，对于自然科学和包括哲学在内的社会科学的很多领域都产生了巨大影响。著名未来学家阿尔文·托夫勒认为，这一理论可能代表了一次科学革命。

但也有一些学者认为不应夸大它的影响，只有把它与一般系统论、信息论、控制论、协同学、突变论等系统科学的其他理论结合起来，才能充分发挥其作用。

实际上，耗散结构理论对一般系统论中的开放系统思维是认同并沿用的。一般系统论是研究系统的一般模式、结构和规律的学科，研究各种系统的共同特征，用数学和逻辑定量描述其功能，寻求并确立适用于所有系统的原理、原则和数学模型。一般系统论源于生物学家对生命机体运行机制的思考，而生命活动也是耗散结构理论的研究对象之一。

耗散结构理论是解释生命过程的热力学现象和生物进化的热力学理论基础之一。普利高津曾对耗散结构形成的条件作过如下简单通俗的描述：“生物和社会组织包含着一种新型的结构,……社会和生物结构的一个共同特征是它们产生于开放系统,而且这种组织只有与周围环境的介质进行物质和能量的交换才能维持生命力。然而,只是一个开放系统并没有充分的条件保证实现这种结构。只有在系统保持‘远离平衡’和在系统内的不同元素之间存在着‘非线性’的机制的条件下,耗散结构才能实现”。

协同学这一名称由赫尔曼·哈肯在1969年首次提出；1971年，哈肯与格雷厄姆合作撰文介绍了协同学；1972年，第一届国际协同学会议在前联邦德国埃尔姆召开，这次国际会议论文集《协同学》在1973年出版，标志协同学的诞生。1979年前后，前联邦德国生物物理学家艾根将协同学的研究对象拓展到生物分子方面。

协同或协同作用是协同学最基本的概念。一个系统通常由许多子系统构成，如果子系统之间相互配合产生协同作用和合作效应，整个系统就处于自组织状态，在宏观上和整体上呈现有序，具有一定的结构或功能。虽然不同的系统性质各异，但新结构取代旧结构的质变行为在机理上却类似甚至相同。协同学与耗散结构理论有相通之处，但它认为系统从无序到有序转化的关键，在于组成系统的各子系统之间的协同作用。

突变论的创始人是法国数学家雷内托姆，他在1972年发表的《结构稳定性和形态发生学》一书中阐述了突变理论，荣获国际数学界的最高奖——菲尔兹奖章。此突变论与荷兰植物学家和遗传学家德弗里斯根据月见草实验的结果，于1901年提出生物进化起因于骤变的“突变论”可不是一回事。

此突变论是用数学模型来描述和预测事物的连续性中断的质变过程的一个理论，认为质变既可以经由突变的方式、也可以经由渐变的方式而实现——在一定情况下，改变控制条件可以使一个突变过程转化为渐变，也可以使一个渐变过程转化为突变。当严格控制条件时，如果质变经历的中间过渡状态不稳定，就呈现为突变过程；如果中间状态稳定，就呈现为渐变过程。

突变论认为，系统所处的状态可以用一组参数来描述。雷内托姆指出：“系统从一种稳定状态进入不稳定状态，随参数的再变化，又使不稳定状态进入另一种稳定状态，系统状态就在这瞬间发生了突变。”

《协同学》中译本

突变论与耗散结构论、协同论一起，从无序与有序的转化机制上把系统的形成、结构和发展联系起来。

时至今日，随着对物种起源、生物进化、社会发展过程以及技术进步（尤其是信息技术的进步）等过程的深入观察和研究，各个学科从不同的角度对“自组织”的概念给予了解读：

依系统论的解读，“自组织”是指一个系统因内在机制的驱动，自行从简单向复杂、从粗放向精细方向发展，逐渐使自身的复杂度和精细度提高的过程；

依热力学的解读，“自组织”是指一个系统经由与外界交换物质、能量和信息，不断地降低自身的熵、使有序度增高的过程；

依进化论的解读，“自组织”是指一个生命系统在“遗传”、“变异”和“自然选择”机制的作用下，其组织结构和运行机制不断地自我完善，从而逐步提高其适应环境能力的过程。从这一点来说，达尔文对人类思想的最大突破性贡献就是排除了外因（上帝）的主宰作用，第一次从内在变异的自然选择过程中来阐明物种的起源和生物的进化；

依结构论-泛进化理论的观点解读，“自组织”是指一个开放系统的结构稳态从低层次向高层次的构造过程，因系统的物质、能量和信息量度的增加，而形成生物系统的分子系统、细胞系统、组织器官系统到个体系统乃至种群系统、生态系统的组织化度增加，基因数量和种类自组织化以及基因时空表达调控等导致生物的进化与发育（Evo-Dev）过程。

自组织系统的普遍特性表现如下：

1、 开放性。从热力学分支到耗散结构的转变是一种非平衡相变。非平衡相变和平衡相变的最大区别就在于它需要从外界输入或向外界输出物质、能量和熵来维持。任何自组织系统都必须是开放系统。有机体如何通过改变自己来适应变化着的环境，形成最稳定的结构，这是生命自组织的一个基本问题。

2、 历史性。普里高津把耗散结构的出现看作是从无序到有序的转变，随机涨落在这一转变中起着特殊的重要作用，是涨落把系统推向新的有序结构。普里高津和尼科里斯说：“许许多多塑造着自然之形的基本过程是不可逆的和随机的，那些描述基本相互作用的确定性的和可逆性的定律，不能告诉人们自然界的全部真情。”又说：“不可逆是非对称和信息之源”。进而，如果考虑控制参数的不断变化，系统在出现耗散结构的第一次分岔后，还会出现新的不稳定性和新的分岔，产生二级、三级等高级分岔。由于高级分岔以及每次分岔中对称性自发破缺，使得体系演化越来越多样，并且与历史有关，与演化路径有关。物理学和化学中已经有很多“记忆”材料和“记忆”元件，而生物学则完全是一门历史科学。每一细胞，每一机体都是个体发生和种系发生的历史产物，并且在历史形成的特定的途径上继续演化，现在地球上观察到的芸芸众生可能就是不断分岔和演化的产物。高级分岔的研究提供了一种自组织系统历史性的机理的说明。

3、 整体性。自组织系统的子系统间存在着紧密的网络联系和协同作用，使得它成为无法分割的整体。特别在相变点或临界态附近，子系统间的关联长度变得越来越大，一个子系统和系统的全部其他子系统相联系，因而一个微小的扰动就可通过链式反应引起巨大的整体反应，而且其结果无法预测。和通常相变点不同，这种自组织临界态具有条件成熟时必然出现但对细节不敏感的“鲁棒性”。对于线性系统，小的扰动只能引起小的效果；但对于非线性系统，输出的效果并不和输入的扰动成正比。在研究自组织系统的整体性时必须牢记随机性在其中起到的重要作用。生命作为一个高度自组织系统，处处受着随机规律的支配。正如控制论创建人维纳所说：“在一个一切都是必然，没有什么偶然的世界，不可能得出一个有意义的组织观念。”

协同学特别强调自组织系统的整体性和子系统间的协同作用。哈肯提出的伺服原理（也称支配原理）认为，在临界点附近，自组织系统的宏观行为可以用少数集体模式来描述，这些集体模式称为序参量，支配着子系统使它们协同动作，导致系统呈现出有序性。

伺服原理可以推广为高层次变量控制低层次变量的变化，这被称为层次伺服原理，对于研究生物这类多层次自组织系统具有指导意义。

自组织理论的发展给生物学打开了一扇新的窗口。复杂的生物系统问题——新陈代谢、个体发育、种系发育、生态演替乃至进化，都将有可能从自组织理论的观点用物理学的、数学的方法予以解决。

广义综合

起初，进化这个概念常常被作为达尔文理论的同义词用于宏观生物学领域。尽管有斯宾塞等人包罗万象的进化哲学，以及社会达尔文主义者们力图把它演绎成一种阶级斗争和社会统治的学说，但是直到一组被统称为“复杂性科学”的新学科出现之前，它仍然仅限于是一种生物学理论。这组新学科发起于20世纪中期，包括一般系统论、控制论、信息和通讯理论、动力学和动态系统理论以及数学领域的突变理论和混沌理论，当然最重要的还有非平衡态热力学。这些新学科以严格的方式来研究种种变化的不可逆过程，其结论适用于范围异常广阔的领域，从物理学到化学，从生物学到生态学，从历史学到心理学、社会学以及社会科学中一些相互密切关联的分支，如组织管理理论和国际关系理论，等等。研究发现，不但人类和社会发展在某些方面的变化是不可逆的，而且自然界的变化同样是不可逆的；这些变化发生在看起来截然不同的领域，但却都呈现出相似的动态型式和相似的构型效果。

从20世纪中期起，一般系统论和控制论就积极研究复杂系统在动态方面和形式方面的不变性，聚焦于运用自我纠正的负反馈手段达到自我保持的过程。而最基本的不可逆变化，即自我形态变化过程，到了60年代才成为研究的中心，当时普里高津等人开始发表他们开创性的理论。大约在这同时，在沙普利、温伯格、霍金等人的著作中，一种基于“大爆炸”的新宇宙学初露端倪，而蔡森证实这种新宇宙学是探讨宇宙中物质结构进化和地球上生物结构进化之间连续性的一个领域。不可逆变化的研究还受到拓扑学理论和混沌理论等数学领域新成果的推动，后者是随着爱德华·洛伦茨在伯克霍夫、罗斯勒尔、亚伯拉罕和肖等人装备电子计算机的研究室里写出开拓性著作（揭示“蝴蝶效应”）之后出现的。

因此，当普里高津的布鲁塞尔学派开始把以耗散结构理论为旗帜的不可逆形态变化理论推广到生物和社会领域时，各种条件都成熟了，学者们开始对从宇宙到文化的所有进化现象作详尽考察。进化于是真正开启了在更广泛意义上的使用；进化论至此意指广义综合，或一般进化论。