《超循环论》

　　作者：M．艾根等（德）

　　成书时间：1979年

　　推荐版本：上海译文出版社1990年版

　　【作者简介】

　　M．艾根（Manfred Eigen,1929-），德国知名的科学家，诺贝尔化学奖得主。艾根曾经获得本生学会的波登坦奖、奥托·哈恩化学奖、美国化学会的林纳斯·鲍林奖章等10多项科学成就奖。他曾经担任英国的法拉第学会、美国国家艺术和科学院、奥地利科学院、丹麦皇家科学院和苏联科学院的成员或荣誉成员。同时，艾根还得到了许多国际知名大学授予的荣誉职位和学位。

　　1929年5月9日，艾根出生在德国波鸿的一个音乐家庭中。艾根曾经在格丁根大学学习物理学和化学。第二次世界大战期间辍学，二战后他重返格丁根大学继续学业，并于1951年获得博士学位。同年，他也成为该大学物理化学研究所的助理员。1958年他成为马克斯·普朗克物理化学研究所的研究员，1962年开始担任该所的生物化学动力学室主任，1964年又担任了该研究所的所长。

　　艾根早年的研究工作主要集中在快速化学反应动力学及其反应机理方面。后来，艾根通过他自己的工作总结，并受到当时分子生物学、非平衡热力学、自组织现象研究、信息论和博奕论等的深刻影响，使自己的研究逐渐从实验和理论两方面进入了探索生命起源的领域。到1970年，艾根就在讲演中提出了超循环论的思想。后来，他通过一系列作品正式建立了超循环理论。

　　艾根的主要作品有：《生物信息的起源》（论文）、《博奕论———偶然性的自然选择》、《超循环：一个自然的自组织原理》、《物质的自组织和生物大分子的进化》等。

　　【内容提要】

　　在当代众多的系统理论中，既有比较严密的数学、物理学理论基础，又有事实上的实验依据，并在自然科学领域和社会经济文化生活中得到广泛应用的，当首推耗散结构理论、协同学和超循环理论。这三种关于非平衡系统的自组织理论在70年代前后相继建立不是偶然的，它们是当代科学在探索复杂性、建立系统科学的过程中的重要进展。超循环理论探讨了生命起源的一个关键问题，即生物信息起源问题，提出了一个自然界演化的自组织原理———超循环。这一理论也可以用来讨论社会、思维领域中的自组织现象。本书收集了作者创立超循环理论的一系列原始文献：《物质的自组织和生物大分子的进化》，《生物信息的起源》和《超循环：一个自然的自组织原理》。

　　作者指出，20世纪以来，科学前沿的探索主要在无穷大和无穷小的方面，研究宇宙之初，粒子之渺，以及高温、深冷等等各种极端条件下的自然现象。人们普遍认为，我们对自身及周围世界的规律似乎已经认识得比较清楚了，因此没有什么新的学说能使我们惊奇了，以致有人又一次宣布了“理论物理学的终结”。但是，第二次世界大战，特别是50（20世纪，下同———编者注）年代以来，人们发现，不仅在微观和宇观领域，而且就是在宏观领域，都仍然充满着许多意想不到的事情。对于生命的起源，生物的进化，人体的功能，思维的奥秘，乃至社会经济文化的变革这样一些复杂性事物的演化发展规律，人们实际上是知之甚少的，有许多新的奇妙现象无法用现有的科学去解释。在这种情况下，探索复杂性成了科学研究的另一个发展方向。在探索复杂性的征途上，系统科学的出现和发展特别引人注目。40年代中相继建立了系统论、控制论和信息论，它们将自然、社会现象作为系统来研究其信息传递、控制反馈等方面的问题，这在理论和应用上都取得了很大成功。自此之后，又出现了许多以系统为研究对象的理论。作者认为，超循环论就是其中之一。

　　作者说，达尔文在19世纪中叶建立了生物进化论以后，仍然没有使生命起源的问题得到很好的解决。恩格斯在19世纪70年代曾经预言：“生命的起源必然是通过化学的途径实现的。”50年代诞生了分子生物学以后，人们又在模拟原始地球的条件下，在实验室合成了构成生命的基础有机物———蛋白质和核酸。但是，在理解核酸和蛋白质的关系上，又遇到了新的困难，这就是“先有核酸还是先有蛋白质”的问题，或者更抽象地说即“先有信息还是先有功能”的问题。这使人想起了古老的“蛋、鸡”之争。超循理论探讨了这一问题。作者指出，在生物信息起源上的这种“在先”，不是指时间顺序，而是指因果关系；事实上，提出“在先”的问题，不是提出了一个科学问题，而是一个伪问题。这里有一种双向的因果关系，或者说是一种互为因果的封闭圈。核酸和蛋白质的相互作用，相当于“封闭圈”即“循环”的一个复杂的等级组织。从反应循环，到催化循环，再到超循环就构成了一个从低级到高级的循环组织。

　　超循环理论的提出，也是对生物学中多样性和统一性关系深入思考的结果。地球上的生物有数百万种之多，其形态结构、生理机制和生态习性各异，因而存在着多样性。然而，在它们的细胞中又只有一种基本的分子机构，即普适的遗传密码以及基本一致的翻译机构和一种大分子属性，其中翻译过程的实现又要求数百种分子的配合，因而又存在着统一性。作者指出，这种统一性很难想像是一下子形成的，除非是一次巨大的创世行动的结果。他认为，在生命起源和发展中的化学进化阶段和生物学进化阶段之间，有一个分子自组织过程。

　　在分子自组织进化阶段，既要产生、保持和积累信息，又要能选择、复制和进化，从而形成统一的细胞机构，因此这个自组织过程只有采取超循环的组织形式。

　　作者认为，超循环组织和一般的自组织一样，它必定起源于随机过程，开始于随机事件，但是，只要条件具备，它的出现虽然不是决定论的，但却是不可避免的。在超循环自组织过程中，也包含了许多随机事件，但是，这些随机效应能反馈它们的起点，使得它们本身变成某种放大作用的原因。经过因果的多重循环、自我复制和选择，功能不断完善，信息不断积累，从而向有序的宏观组织进化。他认为，“上帝不掷骰子”和“绝对偶然”的观点在此都是不正确的。

　　作者指出，达尔文自然选择原理不仅是生物学进化的原理，而且也是研究超循环自组织的指导性原理。达尔文原理强调“物竞天择，适者生存”，作者在对超循环的研究中指出，不仅“生存竞争”、“空间隔离”是重要的，而且“协同作用”、“整合作用”同样是重要的。超循环组织，作为一个远离平衡的开放系统，既竞争又协同，既隔离又整合，从而选择和进化。因此，作者的超循环理论在分子水平上把竞争和协同结合起来，发展了达尔文原理。

　　作者强调，他之所以提出超循环理论，是想把物理学普遍原理推广到生物学并与生物学成果相结合，对经验事实进行抽象，从现存中追踪历史的遗迹，从而用模型反映现实的结果。正是在建立抽象模型的基础上，他运用了包括非线性微分方程、概率论、博奕论、不动点分析等数学工具对模型进行了定量的处理，从而得出定量的、规律性的富有意义的结果。作者提出的超循环理论，虽然有一定的实验事实支持，但还有待于进一步改进和完善。他希望他的理论能够“激起……进行新的实验，从而有助于更深刻地理解作为‘自然规则’的生命以及生命的起源”。

　　作者还特别指出，在神经组织和社会组织中，也存在超循环的组织形式，超循环理论的许多结论，不仅具有自然科学意义，而且具有社会科学意义。

　　他指出任何其他种类组织，诸如仅有空间隔离的组织或者非循环网络，都不可能同时满足如下3个条件：1、为保存它们的信息，要在每一自复制体的野生型分布中保持竞争；2、允许几种（除了竞争的）实体及其突变体分布共存；3、把这些实体统一成某个相干的进化单元，其中每一个体的优势都能够被所有成员加以利用，而且这个单元在此作为一个整体，在与任何可选择的组分单元的激烈竞争中都得以继续存在。

　　超循环可以当作一类特殊的反应网络加以分析，因为它们表现出“规则的”行为。所以在第二部分中进行了这种一般的分析。它们表现出独特的、其他类型耦合不具备的性质，从而可作为“抽象的超循环”加以统一处理。对这题材作如此解释表明它是一种很好的描述。

　　作者认为，另一方面，超循环决不仅仅是我们心灵的抽象产物。该原理在PNA噬菌体的感染过程中仍然被保留着，尽管在此它被运用于宿主细胞的封闭世界中。此噬菌体基因组对翻译提供了一个因子，用作复制酶复合体的一个亚单元；复合体的其余部分由宿主因子来补充。这个噬菌体编码因子是该酶具有绝对的噬菌体专一性。不考虑来自宿主源的全部PNA，噬菌体专一的复制酶复合物现在代表了噬菌体基因组的自催化放大的一个重叠反馈环路。我们希望，对于进化难题研究，本书有助于提出正确的问题。理论不能只满足于解释实验事实，还必须提供更多的东西。正如爱因斯坦所说的：只有理论才能告诉我们哪些实验是有意义的。

　　精彩语录

　　1、超循环是一个自然的自组织原理，它使一组功能上耦合的自复制体整合起来并一起进化。

　　2、“选择价值”，表征了信息载体的实施性质，以评价它们的生存变化，并使之保持最稳定的（或最适宜的）状态。

　　3、超循环是一种工具，它把那些长度有限的自复制体整合到某种新的稳定序中，从而能够相干地进化。

　　4、常有人说，进化的指导原理是最经济地利用自由能。这并非是普遍正确的。在自由能供给过量的地方，系统将利用任何选择优势而不顾其“代价”如何。然而，如果能的利用由选择价值的影响而变成次要的约束时，则系统将作出相应的反响。与高“选择价值”相联系，而不是与最经济地消耗自由能相联系的信息利用，是进化中的决定性因素。