超循环：一个完整的自组织原理，本文主要内容关键词为：原理论文,完整论文,组织论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
内容提要 M·艾根以生物化学为基础理论来研究的关于生命起源的理论——“超循环”，相对于其它复杂系统理论来说，是一个较为完整的自组织理论，其中包括了系统的开放与非平衡机理，自复制与自稳定机理，突变（或突现）原理，以及群体选择评价原理。这对于现代科学的一般进化论和自组织机理的研究是一个重要的贡献。本文从以上四个方面对“超循环”作了认真的剖析，并探索性地指出这一一般科学方法论的研究在人们现实的社会实践，特别是社会改革中的重要作用和意义。
自组织理论是本世纪中期兴起的关于自然进化一般机制的研究。继控制论、耗散结构理论和协同学等重要的理论之后，又出现了艾根的超循环理论。超循环理论是一种关于生命起源的化学进化的理论，但这个理论中包含着细致的、较为完整的自组织或一般进化机理。它吸收了达尔文进化论、群体遗传学、QB噬菌体实验、中性突变理论及多门自组织理论的成果，形成了一种崭新的、更为现实的系统动态发展的理论。
一 进化与发展的难题
自古以来，人们就有着进化的思想，古代哲学家相信人是鱼变的，相信世界源于简单的混沌态，而后越来越复杂。先有大地、日月，继而有了植物、动物，最后有了人。社会也是从愚昧到文明，文化从蒙昧到发达。但这种进化论一直停留在描述的水平上，虽然这种描述越来越细致，但进化机理问题一直未能解决。
关于复杂系统演化机制的理论可以说是从热力学第二定律开始的，但这个理论所指出的演化方向不是进化发展的，而是退化的。开尔文和克劳修斯指出，系统内部演化的不可逆的趋势是增熵，宇宙最终走向熵值最大。这种增熵达到平衡的机制后来还由“埃伦菲斯特缸子模型”[1]等实验和数学模型加以证明。
与此相伴随的是达尔文进化论关于生物进化机理的说明。它表明，具有遗传能力的生命通过细微的变异形成结构功能差异，在竞争和自然选择的作用下，优胜劣汰，使得生命系统可以逐渐进化。这样在演化或进化的问题上形成了“开尔文与达尔文之争”。
达尔文提出的进化机理是一种科学的进化发展机理，但作为一般进化机理来说它有三个方面的局限性：
（一）它局限于生命领域，对于非生命领域如化学系统和社会系统的进化缺乏解释能力；
（二）自然选择机制似乎仅决定了系统的适应趋势和生存价值，而对于进化和发展总体的和本质的趋势，如熵的减小，信息量的增加问题，未能给出直接的回答。这样，“进化论”似乎并不是在谈进化，而只是在谈生存，如有些人所批评的是“幸存者的幸存”。
（三）达尔文机理所导致的系统演化趋势是分化，如从统一的细胞到复杂多样的微生物、植物、动物的世界，但进化中还包含着系统的综合的趋势，如从各种各样的分子如何形成了统一的整体的细胞？这是生命起源过程中的基本趋势。
这些正是艾根所面临的问题：生命起源及其中的一般进化机理问题，系统中的信息综合和自组织问题，一旦产生了新的功能信息，如何在内部的增熵和外部的随机干扰作用下永久不溃散的问题。他认为进化的机理应当是达尔文机理和某种“一旦——永久”性进化机理的综合，这也就是“超循环机理”。
二 超循环系统的产生
艾根相信，生命系统是典型的进化型系统，研究进化的规律和机制应当分析生命系统的一些基本特征。按照现代生物学的看法，生命具有三种基本特性：新陈代谢，自我复制，突变性。而艾根认为，正是具备了这三种基本特性，生物才能进入达尔文进化机理的轨道，才可能逐渐实现进化。而非生命的系统，如化学系统，如果具备了这三种基本特性，同样可能在相互竞争和环境选择的作用下实现进化。但通常所见到的化学分子并不具有这些特性。因此艾根设想，在地球形成后到生命细胞产生的几十亿年时间里，地球上曾经有过一种具有代谢、复制和突变能力的复杂化学分子系统，正是这种分子系统引导了无机物质到生命细胞形成的过程，这就是“超循环系统”。它是由三级循环系统构成的复杂系统：反应循环系统，催化循环系统和催化超循环系统。
（一） 反应循环
在生命机体内部总是存在着大量的化学反应系列，一种化学分子经过多步骤的反应过程形成了另一种产物化学分子。可以设想，在最初的化学进化中，由于积累着丰富有机物的海洋“汤”中，化学反应过程频繁地发生着，所以在这里，稳定的反应系列会自然地形成。这种反应过程由于中间产物保持着一定的浓度，反应过程持续地进行，因此稳定的反应系列就相当于一个反应循环。其作用相当于生化中的一个酶促反应循环（图1）。
图1 酶促反应表现的反应循环
S：底物；P：产物；E：酶；ES：酶－底物复合物；EP：酶－产物复合物
反应循环相似于生命系统的第一特征——新陈代谢。它是由状态中浓度的非平衡引起的，也是一种最简单的开放性耗散系统。由于浓度差引起了反应流，使系统离开了混乱的平衡态，出现了简单的有序。
（二） 催化循环
催化循环是由多个反应循环相互联系形成的二级循环网络。这种循环网络的形成要求有两种变化：第一是反应循环的产物不是任意的，而是一种有催化作用的催化剂，比如是酶，或者是核酸等；第二是多个产物使催化剂的反应循环之间形成了彼此催化的相互作用或循环催化作用（图2）。
图2 催化循环
通过对低等生物中的RNA链的自复制的研究可以看出，RNA链是化学反应循环的终产物，而其中的正链可以作为模板来催化负链，其中的负链又可以催化正链的合成。
催化循环相应于生命系统的第二种特性——自复制。一个单独的反应循环不可能是自稳定和自我信息保持的，而两个或多个互为的反应循环则可能形成一种信息自保持或自复制的系统。
（三）催化超循环
催化超循环是由催化循环相互联系构成的第三等级的化学反应循环。它的要求是：第一，催化循环不仅是内部自催化的，它还能产生其副产物，产生对其它催化循环有作用的催化剂；第二，通过这些催化剂，形成了相互催化和循环催化的超催化循环网络系统（图3）。
图3 催化超循环
图4 拟种的结构
I[,i]：催化循环 E[,i]：I[,i]产生的功能性催化剂
催化超循环相应于生命系统的第三种特性的出现，其中的I[,i]相当于系统的结构信息部，E[,i]相当于系统的功能部，也可以说是生命系统的核酸与蛋白质、结构与功能的原始组成。信息结构的突变，引起了功能蛋白质的突变，形成了最初的突变和适应环境的能力。艾根认为，在化学进化的过程中，形成这种有复制和突变能力的系统是可能的和自然的，比如现实的自然界中还存在的病毒和噬菌体可以看作是催化超循环系统曾经存在的证据。噬菌体是前细胞的化学物质系统和生命系统的中间系统。它能够结晶，这类似于化学物质，但又能感染细胞，在其中使自己繁殖。这类似于生命。它们是寄生性的前生命体，体中只会有单链的RNA和少量的酶，能利用宿主细胞的繁殖机器来复制自身。
三 拟种的进化
如许多进化论的研究者们的看法一样，艾根也认为进化的过程应当是一种群体性的行为。在达尔文看来，进化的基本单元是“物种”，科学哲学家拉卡托斯(I·Lakatos)认为，对科学理论进步问题的研究必须是对一系列理论构成的研究纲领的研究，把科学的进步一词“用于单个的理论是犯了范畴错误。”[2]而在艾根看来，进化的基本单元是“拟种”。
拟种是由许多同类的突变体构成的群体，每个突变体就是一个具有超循环结构和功能的分子系统，能够代谢、复制和突变。显然，由于具有自复制能力，只要条件适合，超循环突变体总是会自然地形成群体。这些相似分子的群体有着类似生物物种的进化行为，艾根称之为“拟种”。
（一） 拟种的结构
拟种是同类的超循环分子突变体群体，但这些突变体不是完全相同的，按照其分子排列来看，有些是标准型突变体，有些是单错突变体、双错突变体，还有些是多错突变体。这样在拟种中存在着一种以标准型突变体为核心的拟种结构。
标准型是拟种的代表型，是拟种中较为稳定的类型，它在拟种中总数并不多，约占10%以下，但由于标准型突变体内部之间是完全相同的。所以在同型个体的数量上居于绝对优势。
单错突变体是指那些与标准型相比，在分子长链的任何一个位置上与其不同的突变体群。单错突变体的总数比标准型多，但错位相同的单错突变体个数则比标准型少得多，双错突变体则更是如此。
多错突变体是那些分子链与标准型相比有多位错误的群体。它们数量巨大，但错位相同的个体几乎没有。
由于复制过程中的突变不断发生，在标准型与突变型之间发生着类型流动，标准型中常有一些形成单错、双错、多错突变体，这些突变型中也有个别的在突变中回到了标准型中。
（二） 错误阀值
拟种复制的正确率和错误率是互补的。错误率过高会使标准型比例降低，以至消失，从而使拟种以及信息溃散，使拟种消亡。但错误率过低（或正确率过高），会使标准型比率增高，以至使拟种完全统一于一种标准型。这种结果使拟种整体的信息含量降低，对环境的适应度降低。所以艾根认为，在分子的复制中，不能是百分之百正确的，在客观上存在着一个错误复制阀值。拟种的品质越是接近这个阀值，其进化速度越快。
（三） 自评价机理
超循环分子系统的进化还依赖于一种自评价机理，即关于对突变体拟种的选择、竞争、综合过程的进化机理。
评价的概念原本的含义是对其它事物的评价或主观对客观事物的评价，从中区分出好坏、优劣。但在进化的过程中往往找不到这样的主体，在没有人，没有思维以前，进化依然在持续不断地发生着，是什么“意志”评价了系统进化价值的优劣，并指引着进化的方向呢？是自然本身和系统自身。
选择：拟种中的各突变体必须首先是适应环境的，能够保持正常的代谢、自复制行为。即必须在环境中取得“基本生存价值。”如图5中(a)所示，I→E构成一个超循环突变体，自复制部分I由它的产物催化剂E来催化，这个作用是有利的，系统则生存，不利则消亡。I[,1]和I[,2]必须各自完成复制率大于消亡率的过程。
图5 超循环选择评价机理
I→E为一个超循环突变体
……→→强有利作用
……→弱有利作用
竞争：突变体之间存在着有限环境下的竞争，为争夺有限的生存环境，必须取得“优势生存价值”。图5(b)和(c)表现了拟种内部的这种状况。在(b)中，E[,1]，E[,2]都表现出对I[,1]的强有利作用，这样I[,1]是具有优势生存价值的，I[,2]是附庸的或逐渐淘汰的。如果I[,1]是标准型突变体，那么拟种是稳定的。在(c)中则反过来，E[,1]、E[,2]都表现为对I[,2]的强有利作用，I[,2]假如是变异型突变体，那么I[,1]则由标准型转为非标准型，I[,2]成为标准型，拟种在内部的竞争中发生了一步迁移，表现出竞争引导着进化。
超系统综合：在图(d)中，E[,1]表现出对I[,2]的强有利作用，E[,2]表现出对I[,1]的强有利作用。这样，拟种中就形成一种综合式的突变，I[,1]和I[,2]联合成为一种规模更大的新的超系统，并继而形成一种崭新的拟种。
四 自组织机理
艾根所描绘的大分子超循环进化过程，实质上反映了一种带有普遍性的、较为完整的系统自组织或系统发展机理。
首先，所有系统的进化都面临着一种普遍存在的“逆流”，即熵增作用。进化是一种克服增熵的逆流而上的作用。自组织机理是围绕着这一难题而展开的。
（一） 开放系统原理
艾根同意普利高津的看法，为了克服系统的不断地增熵，系统必须保持有恒定的流，破坏原有的定态，形成系统的涨落，使系统中的有序得以增加。[3]在艾根的分子自组织过程中相当于前文中提到的新陈代谢的反应循环。如果我们研究社会系统则会看到，开放性社会是蓬勃发展、兴旺发达的社会，而封闭型社会，对外阻隔交往，内部新陈代谢缓慢的状态，使系统老化、僵化，以至混乱度不断增加。
（二） 自稳定原理
开放性是系统进化的必要条件，但不是其充分条件。开放性可以导致系统产生有序，但也可以使其保持无序和混乱。为了克服增熵，保持系统现有的信息，系统必须在内部形成一种自稳定机制。在分子的自组织中，艾根提出了的催化循环，或者如生命进化中的自复制作用。此外，自稳定机制还应当提到的是艾什比(W·R·Ashby)和维纳所建立的负反馈机理。
负反馈是系统内部各部分之间的相互作用形成的一种动态自稳定性，如艾什比设计的“稳态机”[4]，家用的电冰箱、生物体内体温、水分、血压等等稳定指标的自调控等，社会系统中自动的价格调整，多劳多得使社会安定等机制。负反馈是普遍性的系统内部自稳机理。
自复制则是更复杂的系统种群稳定机制。任何动态的有机系统都包含着从生到死的过程，而科学能够超出个体寿命而长久的存在，在于系统内部有自复制的自稳机制。人体的细胞的寿命往往只有数天、数月或一两年，而人能长命百岁并保持记忆、容貌、性格的多方面稳定性便在于细胞的自复制。人有百年寿，人种的发展却有百万年至数千万年，这在于人类繁殖。种群的稳定在于死亡率小于繁殖率或繁殖能力。
社会系统中的文化、文明也要依靠文化的复制，如家庭教育、社会教育、科学技术教育、传统教育等等。没有教育，文化系统信息就会溃散，就会消失。
（三） 突现原理
突现是自组织理论中的一个特殊的新概念，指不同的部分相互联合，形成新结构，产生新的功能和整体性的过程。它相应于催化超循环和超系统综合。突现在不同的领域中有种种表现。在生物学和细胞遗传学中有“突变”，形态学中有“发生”，哲学中有“质变”、“飞跃”，社会学中有“革命”、“改革”。科学中有“发现”，技术论中有“发明”、“革新”等词都可归属突现范畴。在日常生活中我们有“创造”一词，突现则是广义的自然的“创造”、“创生”过程，这是一种自然的从无到有的过程。如果说在自然中，物质是永恒的，不生不灭的，能量是守恒的，不能增加不能减少的，那么只有信息，在一定范围内使一定的物质能量状态有机综合起来的信息却是可以在突现过程中不断增长和不断创造的，信息量由少到多，事物的状态和功能逐渐复杂化，日益“创造”出崭新的东西。
超循环理论所展现的突现，一种是由信息库中基因的突变起因而后导致功能结构突变的信息控制性突现，另一种是不同系统通过各自的产物形成互为有利作用导致的超系统综合性突现。此外，赫尔曼·哈肯在协同学中还研究了通过子系统的共模行为形成的协同突现形式。
在社会系统中，社会的改革是一种社会突现，它其中包括了多方面多层次的重新组织和具有新结构新功能的社会系统的出现，仔细研究其形式莫过于上述种种。
（四） 选择评价原理
选择评价原理是系统在群体内部的相互作用和与环境的相互作用中形成的关于系统好坏与否、进化与否的自评价作用和进化道路的选择作用。这可从艾根所提出的“拟种”、“拟种结构”、“错误阀值”、“适应”、“竞争”、“优胜劣汰”等概念中反映出来。
在社会系统中，群体进化和选择竞争机制也有着明显的作用。几十年的社会实践表明了这一点。在那些国有制的、纯计划经济的系统中，没有竞争和选择机制的作用，缺乏适应环境能力的亏损企业，由于在计划经济的保护下可以因补贴而继续生存，产品质量低劣，可以因不适当的市场保护和有计划无竞争的条件而继续存在。这实质上是保护了停顿，保护了退化。而通过竞争的作用，这些弱点便暴露了出来，使得有能力改变自己的企业弥补了不足，更新了产品，无能力改变自己的企业，该垮的垮掉，该并的并掉，使经济系统处于高水平的运行，以至迫使其向更高的水平进化与发展。可以看出，竞争是一种对进化系统的客观的自动的评价机制。首先，竞争刺激了系统的高水平运行，使得系统必须尽最大努力在自己现有条件下处于最佳运行状态；其次，竞争辨别了哪些系统是优的或劣的。一个系统，可能有人赞赏它，有人信仰它，可能有伟大的人物肯定它，有诸多的理论家论证它的合理性、逻辑性、真理性，但无论如何，它必须在竞争中能够生存。因为竞争是实践的、客观的，客观的评价作用胜过任何主观的评价。第三，竞争加速了系统的综合进化。通过竞争所幸存的是高水平运行的系统，这些系统在相持不下的长期竞争中，可能形成相互作用，形成新水平上的超系统。第四，竞争加速了低水平系统的瓦解，在有限的空间条件中，为高水平系统的扩展开辟了道路。
总之，自组织理论是研究复杂系统演化的内部机制的理论，它所揭示的这个进化机制也是十分复杂的，简单地说，自组织进化机制可以描述为，在自然界普遍存在的熵增作用下，开放系统通过内部的自稳定和突现，通过群体内部的竞争评价和环境的选择作用，形成的一种自主的、逆熵增而动的作用。对这个机理，艾什比曾首先提出了自稳定和突现概念，详细研究了负反馈的自稳定机制，普利高津详细研究了开放系统概念及其临界状态的突现形式，协同学详细研究了系统的协同突现以及一些简单的多模竞争作用，而艾根却综合了这些自组织理论，引入了达尔文选择机理、经典的信息论，完整而详细地研究了自组织机理的整体机制。所以艾根将自己的这些研究定名为“超循环——一个自然的自组织原理。”
艾根的这些自组织理论主要是以分子生物学的语言表达的，但这一机理绝不局限于分子、化学和前生命的领域。研究从无生命到有生命的进化是惊世之举，无异于在用科学的语言来解释上帝的创世纪。而从中揭示的这种自然的创世行为也带有普遍的意义，它影响着人们对自然、生命和社会及思维进化发展问题的研究，也影响着人们对社会改革方向的认识，影响着对社会改革的科学机制和科学方法的研究实践。
Hypercycle：An Integrated Principle of Self-organization
Li Jianhua
(The Central Party School of CPC)
Abstract
“Hypercycle”，which is M·Eigen's theory of the origin of lifebased on biochemistry and molecular biology theory，is a more integrated self-organization theory than the other complicated system theories.It includes four mechanisms of self-organization：opening and non-equilibrium mechanism，self-reproducing and self-stabilizing mechanism，mutation or emergence mechanism and colony selection and evaluation mechanism.It is an important contribution to the research of general evolution theory and self-organization theory.This article analyses carefully the four respects of“hypercycle”and points out its important action and meaning of this general scientific methodology theory in social practice，especially in our social reform practice.
注释：
①本文1994年1月15日收到。