自然演化的自组织机制

二、自然演化的自组织机制

当代的非平衡态系统自组织理论不仅成功地揭示出自然界的演化是靠自组织进行的，是自然界自行运动的结果，而且初步地揭示了自然界演化的自组织机制。这一理论指出，自然系统之所以具有自组织、自我调节控制的能力，是由于它是开放的、非平衡态的、各构成要素处于非线性相互作用的相干状态，存在着导致有序的涨落。

1.“自组织”概念

“自组织”（self‐organization），是指自然界物质系统自主的或自发的组织化、有序化和系统化的运动过程，即系统在没有任何外部指令或外力干预下自发地形成一定结构和功能的过程和现象。德国科学家H·哈肯在《协同学》一书中曾经举过一个通俗的比喻说明了“自组织”与“组织”概念的差别，他写道：“比如说有一群工人，如果每个工人在工头发出的外部命令下按完全确定的方式行动，我们称之为组织，或更严格一点，称它为有组织的行为。”“如果没有外部指令，而是靠某种相互默契，工人们协同工作，各尽职责来生产产品，我们把这种过程称为自组织。”⁽²⁶⁾“如果系统在获得空间的、时间的或功能的结构过程中，没有外界的特定干预，我们便说系统是自组织的。这里的‘特定’一词是指那种结构和功能并非外界强加给系统的，而且外界是以非特定的方式作用于系统的。”⁽²⁷⁾

实际上，从逻辑上讲，组织是一个总概念，它是朝向结构、有序程度增强的方向演化的过程和结果。按其致序的方式，可以划分为两种：一是“自组织”，即自发、自主地走向有序化；二是“他组织”（heter‐organiation），是在外部驱动下走向有序化。其区别在于组织力或组织指令到底是来自系统内部，还是来自系统外部。在哈肯那里，“组织”实际上等同于“他组织”。最典型的“他组织”，是人工设计、制造、操纵、控制的系统。如机器是人按照特定的方式和需要设计和制造，绵羊“多利”是英国科学家用克隆技术人工复制出来的，都是“他组织”。

对人们来说，神秘的不是组织，而是组织的自发地生成、演化。早在18世纪，德国著名哲学家I·康德就认识到从混沌到有序是自然界本身之所为。他在《宇宙发展史概论》（1755年）一书中写道：“物质是能从它的完全分解和分散状态中自然而然地发展成为一个美好而有秩序的整体的。”⁽²⁸⁾自然界具有“一种能自行从混沌变成完善的宇宙体系的神奇本领”⁽²⁹⁾。并指出由于引力和斥力相互作用的结果，决定了各种天体系统之间的相互联系，形成了宇宙的有规则的结果。这是讲内部矛盾是自然界的运动和发展的内因，也是对组织的生成和演化的概括。但由于时代的限制，这种概括尚未揭示自组织的具体过程和机制。

自组织概念，作为一种过程演化的哲学上的概念抽象，它包含着三类过程：（a）由非组织到组织的过程演化；（b）由组织程度低到组织程度高的过程演化；（c）在相同组织层次上由简单到复杂的过程演化。第一过程是从非组织到组织，从混乱到有序，它意味着组织的起源；第二过程是组织层次上升的跃升过程，是有序程度通过跃升得以提升的过程，如从分子到细胞，从细胞到生命有机体等；第三过程是组织结构与功能在相同组织层次上从简单到复杂的水平增长，如从单细胞到多细胞体系，从低等哺乳动物到高等哺乳动物等。当然，在实际过程中，这三类过程总是呈现交互作用的情形。

2.开放、非平衡态：自组织的必要条件

热力学第二定律告诉我们，一个同环境之间没有物质、能量交换的封闭系统，终究要达到热力学平衡态的，也就是系统内部的能量与物质均一分布，陷于无序状态，系统的总熵达到极大。

1969年，比利时科学家I·普里戈金发现，在不违反热力学第二定律的前提下，自然系统可以通过自组织过程从无序演化为有序。指出一个远离平衡态的开放系统，通过与外界环境交换物质、能量和信息，就能够从原来混乱无序的状态，转变为一种在时间、空间或功能上有序的结构。这可以从著名的普里戈金方程所描述的系统中熵值变化看到这一点：

ds＝d_is＋d_es。

式中，ds是系统总熵的变化；d_is是由系统内部不可逆过程产生的熵的变化；d_es是通过系统的边界输送进来的熵。

在封闭系统中，因为系统与外部环境之间没有物质、能量和信息的交换，d_es＝0，ds＝d_is，即系统的熵变ds惟一决定于系统内部熵变，而d_is＞0，所以ds永远是正的。而在开放系统中，由于系统与外界交换物质、能量和信息，通过系统边界输送进来的负熵－d_es可以抵消系统内部产生的熵d_is，甚至还可以超过它，因而ds就不一定是正的了，它可以是零或负值（即ds≤0）。因此，开放系统可能生长和复杂化。

无序与增熵是封闭系统运行的惟一方向，这是由封闭系统所决定的。而对抗这种决定的运行路线的关键就是开放。所谓开放，就是借助于外部环境输入的负熵以克服、抵消系统内部的增熵。因此，开放是自然系统自组织得以形成的首要条件。

现实世界的开放系统为三类：热力学平衡态、近平衡态和远离平衡态。热力学平衡态处于物质、能量的均匀状态，系统元素处在随机混合无序状态，系统在动力学上是惰性的。近平衡态属线性非平衡态，有系统可预见性。远离平衡态系统处于非线性的平衡态，有可能放大某些涨落，形成新的时间、空间或功能的宏观结构。所谓非平衡态，就是系统离开甚至远离平衡状态。在近乎平衡态的情况下，即使系统开放，它也会返回平衡态的。“非平衡是有序之源”，只有非平衡态才能导致有序，形成稳定的有序结构。

怎样实现系统的非平衡态呢？通过来自外部环境的物质流、能量流以及伴随而来的信息流的输入，将系统驱使到非平衡态去。

3.非线性相互作用：自然演化的内在机制

人类很早就认识到事物之间存在着相互作用。G·W·F·黑格尔曾明确地把相互作用作为一个哲学范畴加以论述，认为相互作用是比因果关系更高、更具体的范畴⁽³⁰⁾。恩格斯则指出：“相互作用是事物的真正的终极原因”，“只有从这个普遍的相互作用出发，我们才能了解现实的因果关系”⁽³¹⁾。当代非平衡系统自组织理论进一步揭示了非线性相互作用是自然演化的内在机制。

线性是指量与量之间按比例成直线的关系，在空间和时间上代表规则和光滑的运动，而非线性则指不按比例、不成直线的关系，代表不规则的运动和突变。试问两个眼睛的视敏度是一只眼睛的几倍？人们很容易想到的是两倍，但实际上是六至十倍！1＋1≠2，这就是非线性。

相对于简单的线性相互作用，复杂的非线性相互作用具有下述三个显著的特点：（a）相干性。在系统内部各个元素之间存在线性相互作用的情况下，系统的宏观特性仅仅是其每个要素单独特性的简单线性叠加，这种叠加还只是一种量的组合，并不会引起系统整体新质的产生，系统的整体性质也不会反过来改变其组成要素在孤立状态下的性质。因此，“在线性平衡热力学框架内，我们实在谈不到什么新结构”⁽³²⁾。而非线性相互作用是较为复杂的作用方式，是具有相干性的作用机制，系统内部的作用关系不再是各种作用的简单叠加所能说明的，而是多种作用相互制约、耦合而成的全新的整体效应。这意味着系统内要素独立性的丧失，各要素按一定方式在大范围内协调运动，从而导致系统新质的出现。（b）非均匀性。复杂的非线性相互作用及其效果，不是无论何时何地总以同一形式表现出来，而是随时间、地点的不同，以不同的形式表现出来的。（c）非对称性。这种复杂的非线性相互作用，其作用过程和效果不是相互对称的。相互作用的要素之间存在着支配与从属、策动与响应、控制与反馈、催化与被催化等不对称关系，其中，某种因素会起到推动整体演化的效应。非线性相互作用的这三个特点是相互联系的。相干性是非均匀性和非对称性的前提，非对称性与非均匀性有关，非均匀性恰恰是自然演化的不可逆性的表现。

那么，系统在怎样的情况下才能实现非线性相互作用呢？这就要取决于系统是否远离平衡态。在平衡态和近平衡态，系统内部的相互作用是一种线性相互作用，正是这种作用机制使得系统具有内外各种扰动的“抗拒力”和趋于均匀的特性。而在远离平衡态时，系统内部的相互作用转变为一种非线性的机制，在这种相互作用下，系统表现出对各种扰动的高度敏感性，一个轻微的扰动都可能被系统响应、放大而波及整个系统，从而迫使系统向着某个新的结构演化。所以，I·普里戈金说：“只有在系统保持‘远离平衡’和在系统的不同要素之间存在着‘非线性’的机制的条件下，耗散结构才可能出现。”⁽³³⁾

4.涨落：“生序原理”

自然系统处于远离平衡态的非线性区时，外部的作用被系统内的非线性机制所选择、吸收，不断消除系统内混乱的产生，为系统向有序的转化提供了可能性。但究竟在什么时候，出现什么样的有序结构，都不能由系统内部的非线性相互作用单一地决定，而是非线性相互作用与系统内的涨落共同作用的结果。正是在这种意义上，I·普里戈金说：“在非平衡过程中……涨落决定全局的结果”，“通过涨落达到有序”⁽³⁴⁾。这就是所谓“生序原理”。

通常，由大量的相互作用的子系统所构成的体系，总是经常不断地受到来自系统内部和外部环境的扰动。扰动就会使得系统在某个时刻、某个局部的空间范围内产生对宏观状态的微小偏离，这种微小的偏离就称为涨落（fluctuation）。涨落是由系统中大量微观元素的无规则运动及外环境不可控制的微观变动引起的，是一种随机的、不可预言的事件。一般说来，当系统的宏观状态为平衡态和平衡态附近的某个定态，系统的各要素之间的相互作用是线性的，涨落都是衰减的。涨落本来是很微小的，衰减的涨落当然不可能对系统状态产生什么大的影响。而当系统处在远离平衡态，系统内部各构成要素或子系统之间存在着非线性相互作用，那么，某种微小的涨落就会使系统的状态发生微小变化，这种微小变化将通过非线性的反馈机制而被放大，使系统跃迁到一个新的稳定有序状态。

在系统内部，各种涨落随时产生着，被系统非线性相互作用吸收并放大的涨落可能不止一个，这样，与不同性质的涨落相对应的临界点也不止一个，于是出现了系统演化过程的分支。究竟哪一种涨落最后成为新的有序结构，系统将沿着何种分支向前发展，这要由系统内部的选择机制和系统外部条件共同决定。