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中图分类号：B017 文献标志码：A 文章编号：1672-8572(2010)04-0001-08
一、19世纪自然科学新进展揭开了科学转型期的序幕
1.19世纪前期哲学取得了重大的进展。19世纪继英国以巴克莱(1685-1753)为代表的唯心论哲学和法国以拉美特里(1709-1751)为代表的机械唯物论哲学之后，最主要的哲学进展是集德国古典哲学大成的黑格尔哲学。黑格尔(1770-1831)批判了机械唯物论“自然界绝对不变的见解”[1]364，他的巨大功绩是第一次全面系统地创造了辩证法的一般运动形式，“把整个自然的、历史的和精神的世界描写为一个过程，即把它描写为处在不断的运动、变化、转变和发展中，并企图揭示这种运动和发展的内在联系。”[1]26但是，黑格尔关于自然界的辩证法，由于受到当时自然科学发展水平的局限，更由于他是从唯心主义的立场出发的，因而其中虽然贯串了辩证法，提出了一些天才的思想，预测到一些后来的发现，但是在不少地方却是“用理想的联系来代替尚未知道的现实的联系，用臆想来补充缺少的事实，用纯粹的想象来填补现实的空白。”[2]
恩格斯批判地吸取了黑格尔辩证法的合理内核，从辩证唯物主义的立场上，从事实本身的联系而不是从幻想的联系，来考察自然界中和历史上所显露出来的辩证的发展，因而在19世纪自然科学新进展的基础上，他深刻地预见到：科学的发展从形而上学思维方式向辩证思维转变的时期正在到来。
2.19世纪自然科学取得了一系列重大的进展。科学史家称19世纪是“科学的世纪”。自然科学取得了一系列最新的成就，从科学上打破了牛顿以来形成的机械论自然观与还原论方法，揭开了科学转型时期的序幕。当时自然科学取得了几个十分重大的进展，主要如下：
天文学中康德-拉普拉斯的星云假说。德国古典哲学奠基人康德(1724-1804)在《自然通史和天体理论》(1755)中提出的星云假说认为：太阳系是在时间的进程中生成的东西、太阳系是星云物质在吸引和排斥的相互作用下逐渐形成和发展起来的。法国天文学家拉普拉斯(1749-1827)在《宇宙体系论》(1796)中独立地提出了和康德的星云假说相类似的太阳系起源的假说，坚持把太阳系的形成看作是一个历史过程。康德的星云假说“是从哥白尼以来天文学取得的最大进步，认为自然界在时间上没有任何历史的那种观念，第一次被动摇了。”[1]62从而在形而上学思维方式的观念上打开了第一个缺口。
地质学中赖尔的地球渐变说。英国地质学家赖尔(1797-1875)发表《地质学原理》(1830)，批驳了居维叶的“灾变论”，阐明了地质渐变思想。他用自然界自身的原因和发展变化的观点来说明古今地球表面的变迁，认为地球表面的变迁是由各种自然力的缓慢作用引起的，这些自然力包括雨水、河流、泉水、洋流、潮汐、冰雪等的水成作用，和火山、地震等的火成作用。水成作用使地面不断趋于平缓，火成作用使地面越来越起伏不平。恩格斯给赖尔以高度的评价，认为他“第一次把理性带进地质学中，代替了用于造物主的一时兴发所引起的突然革命”[1]367-368。
物理学中迈尔与焦耳等的能量守恒和转化定律。德国青年医生迈尔、英国业余物理学家焦耳，在前人实践的基础上，从不同的角度，用不同的科学方法，发现了热运动和机械运动、电磁运动可以相互转化。这个定律表明：“自然界中的一切运动都可以归结为一种形式向另一种形式不断转化的过程。”[1]241它用物理学的方法证明了笛卡尔在两个世纪以前从哲学上提出的运动不灭原理。由此必然得出结论：自然界物质的运动是永恒的、无限的，不需要神秘的“第一次推动”而运动起来。
化学。1824年德国青年化学家维勒(1800-1882)用无机的方法从无机物合成有机物，人类第一次从将无机物转化为有机物，消除了无机界和有机界之间不可逾越的鸿沟，这就证明了“化学定律对有机物和无机物是同样适用的”[1]369。这就从另一方面打破了形而上学的自然观：有机化合物只能从生物体中产生，无机物和有机物之间的界限是永远不可逾越的。
生物学。1838年德国植物学家施莱登提出了细胞是植物构造的最基本单位的理论；1839年德国动物学家施旺进一步提出了：整个生物界都是由细胞构成的理论。细胞学说的创立说明了[1]537：一切机体，除最低级的外，都是从它的繁殖和分化中产生和成长起来的。揭示了动植物的统一性，阐明了有分化发展的规律，从而表明辩证自然观的正确性。
1859年英国博物学家达尔文(1809-1882)发表《物种起源》，提出了以自然选择为基础的生物进化论，认为“物竞天择，适者生存”，造成生物的不断进化，这是生物界发展的普遍规律，“机体从少数简单形态到今天我们所看到的日益多样化和复杂化的形态一直到人类为止的发展系列，基本上是确定了。”[1]538进化论科学地证明了，生物界的物种都有它的发生、发展和灭亡的历史，这对生物学中长期占统治地位的“神创论”“目的论”“物种不变论”等唯心主义和形而上学的有力批驳。
3.恩格斯预见科学转型时期的到来。恩格斯正是批判地吸取了黑格尔辩证法思想的合理内核，概括总结了19世纪自然科学的最新成就，指出了科学发展正面临转型时期，提出了新时期指导科学发展的极为重要的思想，主要是：
第一，必须从形而上学自然观回到辩证的自然观。恩格斯指出，19世纪自然科学一系列的新进展在机械论自然观上打开了缺口，自然科学中从牛顿以来二百多年形成的、长期统治着人们的机械论观点与还原论方法，从此要被唯物辩证法的自然观代替，我们又回到了希腊哲学的伟大创立者们的观点，认为“整个自然界，从最小的东西到最大的东西，从沙粒到太阳，从原生生物到人，都处于永恒的产生和消灭中，处于不断的流动中，处于无休止的运动和变化中。”[1]371
第二，必须从形而上学思维复归辩证的思维。恩格斯指出，近代自然科学从培根开始对自然界进行解剖、分析、实验。这种研究方法给我们留下了一种习惯，把自然界的事物和过程孤立起来，撇开从自然界广泛的总的联系去考察，于是造成了最近几个世纪所特有的形而上学思维方式[1]24；而古希腊自然哲学则是把自然界被当做一个整体而从总的方面来观察，自然现象的总联系是直接的直观的结果。因而近代自然科学在细节上对自然界的理解比较确实、比较正确。但是，由于它只从部分、只从分析入手，这就堵塞了从了解部分到了解整体、到洞察普遍联系的道路。这说明了，科学发展史上为什么“在希腊哲学的多种多样的形式差不多可以找到以后各种观点的胚胎、萌芽。”[1]386
第三，科学转型时期的特点。恩格斯及时地极富远见地指出，自然科学的发展已经进入一个重大的历史转变时期，这一转变过程的特点是：
从16世纪到18世纪末，自然科学主要是搜集材料的科学，关于既成事物的科学；而19世纪以后，自然科学的新进展表明，自然科学已经转变为整理材料的科学，成为关于过程、关于这些事物的发生和发展以及关于把这些自然过程结合为一个伟大整体的联系的科学[1]241。
在这个历史转变过程中，由于自然科学的新发现，使我们对自然过程的相互联系的认识大踏步地前进了，“我们现在不仅能够指出自然界中各个领域内的过程之间的联系，而且总的说来也能指出各个领域之间的联系了。这样，我们就能够依靠经验自然科学本身所提供的事实，以近乎系统的形式描绘一幅自然界联系的清晰图画。”[1]242
第四，科学转型时期的科学体系。在把自然科学描写为一个伟大的系统的整体过程中，恩格斯批判地吸取了圣西门和黑格尔的合理思想，概括总结了19世纪自然科学的重大成果，特别是细胞学说、能量守恒定律和进化论三大发现，法拉第电磁感应理论、分子运动论、元素周期律，以及生理学、胚胎学、古生物学、地质学领域的最新成果，对当时的自然科学按照自然界物质运动形式内部所固有次序进行了新的分类[3]。恩格斯以唯物辩证法的观点为依据，对自然科学进行的分类如下：
现实世界的空间形式和数量关系——数学
机械运动——天文学——固体力学
力学流体力学
物理运动——物理学(分子的力学)——力学、热学、电学、磁学、光学
化学运动——化学(原子的物理学)——无机化学——热化学、电化学有机化学
生命运动——生物学(蛋白质的化学)——植物学、动物学、人类学
这样，就把力学、物理学、化学和生物学结合为一个系统的统一的整体。在这个整体中出现了交叉科学，例如生理学，它当然是生物学，但它又是“有生命的物体的物理学，特别是它的化学”[1]600，生理学是一个内容更丰富的领域，即有机生命的领域。
二、20世纪系统科学在突破机械论、还原论框架中异军突起
20世纪，继普朗克与爱因斯坦科学革命之后，科学技术发展出现了新的情况，主要是：一方面科学的发展，特别是生物科学、社会科学、历史科学的发展；另一方面是技术的发展，一系列新兴技术——电子技术、信息技术、自动化技术、航天技术、原子能技术、生物技术等——如雨后春笋般成长。新情况提出了新问题，主要是原来在机械论、还原论主导下的经典自然科学所不能解决的复杂性问题。于是一场新的科学革命——系统科学革命悄然兴起，迅速形成了一股推动科学从形而上学思维向辩证思维复归的强大动力，系统科学技术走上了现代科学技术发展舞台的中心。从科学发展史看，20世纪系统科学的产生与发展，是19世纪自然科学一系列最新成就的深入发展，它经历了以下几个重要时期：
1.诞生时期
系统论。首先从基础科学层次上冲击机械论、还原论的，是奥地利生物学家贝塔朗菲(1901-1971)提出的“一般系统论”。20世纪20年代当贝特朗菲作为一个理论生物学家登上科学舞台时，生物学界流行着机械论与活力论两种对立的观点。贝特朗菲认为，生命机体是高级运动形式，它也包含机械的、物理的、化学等低级运动形式，因而机械论观点对生命现象的描述是必要的，是有价值的。但是生命现象的重要特征，如整体性、目的性、组织性、等级结构、动态相互作用等，在机械论的科学框架内是无法作出解释的。
为此，贝特朗菲提出了现代系统研究的第一个理论框架“一般系统论”，它是研究系统的模式、性能、行为和规律的一门科学，为人们认识各种系统提供一般方法论的指导。系统论在科学观点与科学方法上的根本变革在于提出以下关于研究系统的方法论原则：
第一，整体性原则。整体的功能不等于各部分功能的总和，要求人们在研究和处理问题时，要有全局观念，把研究对象看作一个有机体。
第二，结构功能原则。结构是系统内部各个要素的组织形式，功能是系统在一定环境下所能发挥的作用。系统的结构决定系统的功能，不同的结构可以产生不同的功能。
第三，动态平衡原则。任何系统都是处在不断运动与变化的过程中，必须从动态的观点去考察、分析事物，注意事物的运动状态，从中选择一个动态平衡的过程，避免剧烈的震荡。
第四，目的性原则。系统的运动与变化有确定的目标，要采取相应的手段去实现。
第五，最优化原则。为了最好地实现系统的目标，要通过改变要素和结构使系统功能最佳。
系统论的方法论原则体现了生命科学的有机论观点与整体论方法，这就克服了经典科学的机械论观点与还原论方法所造成的科学技术发展的障碍。系统论倡导开放的、动态的系统观，摆脱了经典科学把对象置于封闭的、孤立的、静止的状态中进行研究带来的局限性。从此“系统”迅速上升为新的科学研究范式。
2.发展时期
在现代科学技术革命推动下，一系列技术科学的兴起，促进了系统科学的急速发展。
控制论。控制论创立者美国数学家维纳(1894-1964)十分关注哲学问题，他认为，从伽利略和牛顿以来，自然科学研究的对象是自然界的物质运动，不同的学科研究物质运动的不同的形式，揭示物质运动的客观规律性。显然没有认识主体的能动性问题。
控制是主动的、有目的的行为，是认识主体的能动性的表现。对系统进行控制必须区分系统的行为和系统的目的性行为。系统的行为是系统在外界作用(输入)下所作的反应(输出)。系统的目的性行为是指系统的行为是有目的、有意识的，是按照人们预定的目标进行的。一切系统的目的性行为总是通过信息的交换实现的，因为外界环境的改变对系统来说就是一种信息输入，而系统对输入作出的反应就是信息的输出，因此，任何系统要保持或达到一定目标，就必须通过信息传递、变换与处理，影响系统的输入和输出，所以，系统的信息过程就是系统的控制过程，控制的关键是应用反馈方法。
反馈是控制论的基本概念与基本原理。所谓反馈是将系统的输出信息，经过变换后，再返回输入端，对系统的输出施加影响的过程。反馈又分正反馈和负反馈：正反馈是反馈信息与原信息起相同的作用，使总输入增大，系统目标偏离加大，系统不稳定加剧；负反馈是反馈信息与原信息起相反的作用，使总输入减小，系统目标偏离减小，系统趋于稳定。负反馈是控制论的核心问题。
由此可见，控制的基础是信息，控制过程就是控制信息的传输、变换、加工、处理过程。控制论突破了经典自然科学的两大局限性：首先它只研究物质运动的客观规律性，不涉及认识主体的目的性问题；其次，它的规律是线性的、决定论的因果律。
控制论在科学研究的观点与方法上的重大突破在于：控制是主动的、有目的的、策略性的行为，是有机体应付环境的一种活动；控制过程是输入与输出的相互转化、即原因与结果的相互转化过程，其中反馈概念起关键作用。通过信息的反馈是一种统计的因果联系，于是在一切具有反馈机制的系统中，原因与结果的绝对对立消失了；牛顿物理学严格决定论的世界图景被统计决定论的世界图景取代了。
信息论。为了正确地认识并有效地控制系统，必须了解和掌握系统的各种信息的流动与交换，信息论为此提供了一般方法论的指导。信息论最早产生于通讯领域，主要研究通讯和控制系统中普遍存在的信息传递的共同规律以及研究最佳解决信息的获取、度量、变换、储存和传递等问题的技术科学，信息论用概率论和数理统计方法，从量的方面来研究系统的信息如何获取、加工、处理、传输和控制。香农于1948年10月发表的论文《通信的数学理论》被认为是现代信息论研究的开端。
关于信息的涵义，可以从三个角度来理解[4]：
(1)从本体论的角度，信息是标志客观物质系统存在和运动的基本属性，任何事物和过程都会发送信息，并以此标志它的存在。
(2)从认识论的角度，信息是指认识主体所感知或所表达的事物运动的状态和方式。人们接收到的新知识越多，消除不确定性的程度越大，我们就说信息量大，否则就认为没有信息或信息量小。
(3)从方法论的角度，信息是指研究和控制事物和过程的手段，按照信息传递的事物运动的状态和方式来调整或改变事物原来的运动的状态和方式。所以，控制过程也就是信息的获取、加工、处理和传输的过程。一切系统要保持一定结构、要实现其功能都离不开信息。
总之，信息虽然不是物质，也不是能量，但它是物质的基本属性。信息的属性是很特殊的，信息的特殊性在于：它和它所表征的事物是可以分离的。这极为重要，由于这种可分离性，所以：
(1)人们可以不直接接触某物而获取它的信息；
(2)同一信息可以有不同的载体，可以用不同的系统进行传输、加工、存取；
(3)事物虽然已经不存在，但有关它的某些信息可以长期保存下来；
(4)事物虽然尚未产生，但人们可以用符号系统设计出它的信息形态，然后利用科学技术手段把它建造出来；
(5)根据现在的充分的信息，人们能够立足现在，回顾过去，展望未来。
信息论对机械论的突破，集中体现在两点上：第一，它用统计决定论取代机械决定论，突破了经典自然科学中因果决定论思想的统治地位；第二，信息的可分离属性，为阐明“物质变精神，精神变物质”的马克思主义认识论原理，提供了科学的依据。
运筹学。运筹学是运用科学的数量方法(主要是数学模型)研究对人力、物力与财力进行合理筹划和运用，寻找管理及决策最优化的综合性学科。作为一门现代科学的运筹学，是在第二次世界大战期间首先在英美两国发展起来的，它在大战期间，成功地解决了许多重要的作战问题，为组织系统的各种经营作出决策提供了强有力的科学手段，从而为它后来的发展铺平了道路。
运筹学的应用领域十分广阔，它已渗透到诸如服务、库存、搜索、人口、对抗、控制、时间表、资源分配、厂址定位、能源、设计、生产、可靠性等各个方面。在处理这些千差万别的问题时，它的研究过程一般包括四个步骤：一是确定问题，二是建立模型，三是制定求解方案，四是实施方案。
由于所处理的问题不同，运筹学中形成了几个分支学科，如：数学规划(又包含线性规划、非线性规划、整数规划、组合规划等)、图论、网络流、决策分析、排队论、可靠性数学理论、库存论、对策论、搜索论、模拟等等。由于其理论上的成熟，电子计算机的问世，促进了运筹学的发展。
从辩证法的观点看来，运筹学是实现统筹兼顾、全面规划、局部服从整体等原则的科学理论。第一本运筹学著作《运筹学方法》的作者莫尔斯和金博尔把它定义为：“为领导机关对其控制下的业务活动作出决策而提供定量根据的科学方法。”
运筹学与自然科学是有重大区别的，我国著名科学家许国志明确指出：事物总有其一定的规律，物有物理，事有事理[5]。自然科学研究“物”的规律，运筹学研究“事”的规律，因此，运筹学回答“做什么？”与“如何做？”的问题，它研究如何把一件事尽量做好，也就是优化，这是事之常理。在这个意义上运筹学是处理事理问题的最优化理论。
3.深化时期
从不同的角度对系统的研究朝着两个方向发展。先是一般系统论、控制论、信息论、运筹学、博弈论、系统工程等学科走向成熟：运筹学建立起相当完整的数学理论，控制论也臻于精确化和定量化，特别是为克服这些学科在应用过程中的局限性，出现了系统动力学、模糊理论等新的分支。在这个基础上提出了“系统科学”作为新的科学门类，它整合和统一这些新兴学科。接着是从基础理论层次上、从突破经典自然科学机械论、还原论的局限性上，对系统进行深入的、开创性的研究，创立了一系列新的理论，标志着科学发展转变时期的到来。新的、基础的系统理论主要有：
耗散结构论。1969年著名的统计物理学家普里高津(Prigogine，1917-)，在国际“理论物理与生物学会议”上，发表题为《结构、耗散和生命》一文中提出了耗散结构理论。它是用热力学和统计物理学的方法，研究耗散结构形成的条件、机理和规律的理论。普里高津在研究了诸多远离平衡态的现象后，认识到系统在远离平衡态时，其热力学性质可能与平衡态、近平衡态有重大原则差别。
耗散结构理论可概括为：在远离平衡态的条件下，非线性的开放系统通过不断地与外界交换物质和能量，当系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变(即非平衡相变)，由原来的混沌无序状态转变为一种有序状态。这种新的稳定的宏观有序结构称之为“耗散结构”。
普里高津和他的同事在建立“耗散结构”理论时准确地抓住了如贝纳尔流、B-Z化学波和化学振荡反应以及生物学演化周期等自发出现有序结构的本质，提出了“自组织”的概念，并用它来描述那些自发形成有序结构的过程。在研究了大量系统的自组织过程以后，普里高津总结出系统形成有序结构所需要的条件：
(1)系统必须是开放的。耗散结构理论认为，孤立系统的熵是增加的，总过程是从有序到无序；而对于开放系统来说，由于通过与外界交换物质和能量，可以从外界获取负熵用来抵消自身熵的增加，从而使系统实现从无序到有序、从简单到复杂的演化。
(2)系统要远离平衡态。这是系统出现有序结构的必要条件，也是对系统开放的进一步说明。开放系统在外界作用下离开平衡态，开放逐渐加大，外界对系统的影响逐渐加强，将系统逐渐从近平衡区推向远离平衡的非线性区，只有在这个时候，才有可能形成有序结构，否则即使系统是开放的，也无济于事。
(3)子系统之间存在着非线性相互作用。组成系统的子系统之间存在着相互作用，一般而言，这些相互作用是非线性的，不满足叠加原理。正是由于这个原因，由子系统形成系统时，才会涌现出新的性质。
(4)系统偏离稳定状态。这就是涨落，它是实际存在的一切系统的固有特征。由于系统内部原因造成的涨落，称为内涨落；由于系统外部原因造成的涨落，称为外涨落。处于平衡态系统的随机涨落，称为微涨落；处于远离平衡态的非平衡态系统的随机涨落，称为巨涨落，它的随机的小涨落有可能迅速放大，使系统由不稳定状态跃迁到一个新的有序状态，从而形成耗散结构。
这样，耗散结构理论就第一次明确划分了“存在的物理学”和“演化的物理学”之间的区别①，从自然观、物质观、时空观、规律观、科学观等方面，深刻地揭示了机械论的局限性，并且通过系统自组织能力，填平了“物理世界演化”与“生物世界演化”之间的鸿沟，从而在两种文化(科学文化与人文文化)之间构架了一座沟通的桥梁。
协同学。1969年联邦德国理论物理学家哈肯(1927-)创立协同学。在深入研究激光理论的过程中，哈肯发现在合作现象的背后隐藏着某种更为深刻的普遍规律，他提出的“协同学”就是“协同工作之学”的意思。令哈肯感到惊讶不已的问题是，自然界中的事物千姿万态和结构精微，结构的各个部分如此巧妙地在协同工作，这就不能不产生疑问“这些结构是怎样产生的，是什么力量在起着作用？”[6]前言协同学的基本思想就是：在无生命的物质界，也会从混沌中产生出组织良好的新型结构，并能在不断输入能量时维持这些结构；结构的形成服从普遍有效的规律性[6]前言。
哈肯就是从系统论与自组织理论出发，研究系统在外参量的驱动下和在子系统之间的相互作用下，以自组织的方式在宏观尺度上形成空间、时间或功能有序结构的条件、特点及其演化规律。所以，哈肯研究这一问题时，首先必须在方法论上反对还原论，他说：生物学要遵循物理学法则，这是对的；但是，把生物学归结于物理学，这便大谬不然了[6]6-7。哈肯认为，由部分之间相互作用形成的整体，必定产生出不能还原为部分特性的整体效应，他坚持，必须“超出系统的部分特性来理解、掌握系统。”[6]前言这样，就可以在分析思维与整体思维，在微观世界与宏观世界的过程之间架起一座桥梁，沟通部分与整体之间的关系。
为此，协同学使用了几个基本概念：1.状态参量，它描述系统的状态。2.序参量。状态参量随时间变化的快慢程度是不相同的，当系统逐渐接近于发生显著质变的临界点时，变化慢的状态参量的数目就会越来越少，有时甚至只有一个或少数几个。这些为数不多的、变化慢的参量就完全确定了系统的宏观行为并表征系统的有序化程度，故称之为序参量。3.支配原理。那些为数众多的变化快的状态参量就由序参量支配，并可绝热地将他们消去。这一结论称为支配原理，是协同学的基本原理。4.序参量的演化方程。序参量随时间变化所遵从的非线性方程称为序参量的演化方程，是协同学的基本方程。演化方程的主要形式有主方程、有效朗之万方程、福克-普朗克方程和广义京茨堡-朗道方程等。
协同学的主要内容就是用序参量的演化方程来研究协同系统的各种非平衡定态和不稳定性(又称非平衡相变)。它求解演化方程的方法主要是解析方法，即用数学解析方法求出序参量的精确的或近似的解析表达式和出现不稳定性的解析判别式。
协同学与耗散结构理论及一般系统论是相互联系的、相互区别与相互补充的：一般系统论提出了有序性、目的性和系统稳定性之间的关系，但没有回答稳定性如何形成的具体机制；耗散结构论则从系统的开放性的角度回答了这个问题，指出与外部环境不断交换物质、能量与信息的条件下，非平衡态可成为有序之源；协同学虽然与耗散结构论同是来源于非平衡态系统有序结构的研究，但它摆脱了经典热力学的限制，从组成部分的相互作用进一步明确了系统稳定性和目的性的具体机制，协同学的概念和方法为建立系统学奠定了初步的基础。
超循环理论。1953年，米勒在试管里用原始大气的成分合成了氨基酸等有机大分子，但这些大分子又是怎样形成生命的呢？这是一个未解之谜。恩格斯曾经预言：“生命的起源必然是通过化学途径实现的。”[1]79超循环理论的创立，为大分子向原始生命的演化提出了科学的解释。
1971年西德生物学家艾根(Eigen，1927-)等人，在考察了生物化学中各种循环现象之后，提出超循环理论，它是关于非平衡态系统的自组织现象的理论，用以解释生命起源的机制。超循环理论认为，在从非生命向生命物质转化的过程中，从化学进化向生物进化的过程中，必然存在过渡阶段——分子自组织阶段，在这个阶段上，通过复杂的复合超循环的形式，实现蛋白质和核酸的相互合作，从而完成从非生命向生命物质转化的质的飞跃，促使生命信息的起源和进化。
从化学分子到生命细胞是一个多步进化的过程，需要有等级层次的系统机制、特别是多层次循环耦合机制来保证，艾根根据循环的组织程度，将循环依次划分为以下三种：
1)反应循环。这是指一组相互关联的化学反应序列，其中任何一步的产物恰好是先前某一步的反应物。反应循环是较低级的组织形式。
2)催化循环。这是由多个反应循环相互联系形成的二级循环网络，催化循环的中间物不仅能够复原，而且还是自身反应的催化剂。催化循环是比反应循环高一级的组织形式。
3)超循环。这是由催化循环在功能上耦合起来构成的化学反应循环，它通过催化功能把自复制单元或自催化单元连接起来，是循环的循环。在超循环中，复制单元不仅指导自身的复制，而且控制下一个复制单元的复制。这样，超循环就把循环与发展联系起来：大自然在循环中发展，在发展中循环。由于超循环是由多个循环相互嵌套结合而成的复杂循环，所以超循环并不是简单重复，它在维持两个或两个以上动态系统的循环圈中至少包括了一个“催化循环”，是比催化循环更高级的组织形式。
艾根的超循环理论和贝塔朗菲、普利高津及哈肯的等系统自组织理论的建立，深入地揭示了“系统”的“复杂性”的重要特征，如开放性、规模的巨型性、组分的异质性、结构的层次性、关系的非线性、行为的动态性、内外的不确定性等，把一般系统的研究推向复杂性系统的研究。艾根和他们的不同之处在于：他是从生物学的立场出发，寻找化学进化与生物进化之间的过渡环节，从而沟通了物理学与生物学，建立统一的科学世界图景。
突变论。1972年突变论的创始人法国数学家雷内托姆，发表《结构稳定性和形态发生学》一书，系统地阐述了突变理论，它的出现引起了科学界的重视，被称之为“是牛顿和莱布尼茨发明微积分三百年以来数学上最大的革命”。
在自然界和人类社会中，存在着两种相互区别、相互联系的变化过程：一种是渐变的和连续的变化。在近代科学时期，自然界许多事物的连续的、渐变的运动变化过程，都可以用微积分的方法给出圆满的解释。例如，地球绕着太阳运行，按照数学规律周而复始地连续不断进行，使得人们能及时精确地预测它未来的运动状态；另一种是突然的和跃迁的变化，如水的沸腾、岩石的破裂、桥梁的崩塌、地震、细胞的分裂、生物的变异、人的休克、情绪的波动、战争、市场变化、经济危机等等，都是突然爆发的现象。需要发明新的数学方法。突变论就是试图从数学方面研究突变过程，研究从一种稳定态跃迁到另一种稳定态的数学规律，通过形象而精确的数学模型对连续性中断的质变过程进行描述和预测。
从突变论的奠基著作可以看出它的基本要点和发展方向，可简要概括如下：
突变论研究的观点：用开放的、动态的、历史的观点看系统，把生物形态的发生归结为系统的演化。
突变论研究的问题：从生物学切入，研究生物形态渐变导致突变的机制。结构的稳定性是突变论的基础，结构稳定性反映的是同种物体在形态上千差万别中的相似性。例如，人的面貌虽因岁月流逝而发生变化，但仍存在区别于他人的特征。结构稳定性的丧失，就是突变的发生。
突变论研究的方法：突变论的基本概念是静态模型，它把形态按结构稳定特征分类。至于描述结构变化的动力学理论，至今仍不完备。突变论的基本方法是用一组参数来描述系统所处的状态。当系统处于稳定态时，标志该系统状态的某个函数就取唯一的值。当参数在某个范围内变化，该函数值有不止一个极值时，系统必然处于不稳定状态。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，那么，系统状态就在这一刹那间发生了突变。突变论给出了系统状态的参数变化区域。托姆的突变理论，就是用数学工具描述系统状态的飞跃，给出系统处于稳定态的参数区域，参数变化时，系统状态也随着变化，当参数通过某些特定位置时，状态就会发生突变。
突变论与耗散结构论、协同论一起，在有序与无序的转化机制上，把系统的形成、结构和发展联系起来，成为推动系统科学发展的重要学科之一。
系统科学从诞生到发展，再到深入，经过了半个多世纪，表明了科学发展的转型时期已经到来，必须在认识论与方法论上，进行伟大的革新，这一任务落在正在进行社会主义现代化建设的中国学者的身上。以钱学森为首的一大批学界同仁，肩负这一历史重担，他们经过20多年孜孜不倦的努力，在这一领域中作出了独创性的贡献，并把它的理论与方法应用到中国发展面临的复杂性问题上，取得了众所公认的成就[7-9]。
注释：
①恩格斯早就指出：自然界不仅是存在着，而且是生成着并消逝着。见《马克思恩格斯全集》，人民出版社，20卷，1971年，367页。
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