论系统自组织演化过程，本文主要内容关键词为：过程论文,组织论文,系统论文，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。
耗散结构理论、超循环理论、协同学以及突变、混沌、分形、孤子理论等系统自组织理论，形成了科学中20世纪下半叶的进化论高潮，使我们不仅从总体上认识系统的自组织演化发展，而且进一步深入到系统自组织演化的前提条件、过程机制、发展方向诸方面。
1 发展的前提：开放和非平衡
热力学第二定律已经以否定的方式告诉我们，只有开放（这里把热力学意义上的孤立系统称作封闭系统，而把热力学意义上的封闭系统也归入开放系统之中），系统才可能具有发展潜力、才可能自发组织起来，向更有序的状态发展。
系统自组织理论，首先是耗散结构理论，正是在研究系统开放问题上取得突破的。耗散结构理论提出一个简单而深刻的公式：dS＝d[,e]S+d[,i]S。它指出，在开放条件下，按照热力学第二定律此时系统内熵产生d[,i]S≥0，而系统与环境之间的熵交换d[,e]S则可正可负。 当系统充分开放出现│d[,e]S│＞d[,i]S，即dS＜0， 系统的总熵本身就降低了，这也就意味着系统有序程度可以提高，系统可能自发地组织起来，形成有序结构。正如何·巴布洛杨茨所概括：“耗散结构的特征，就是‘开放性’、‘反馈’与‘协同性’”。〔1〕
于是，耗散结构理论就在不违背热力学第二定律的情况下，指出了系统的进化与退化之间并无截然两分的鸿沟，系统的开放是系统自组织进化的一个必要条件。
平衡包括近平衡不可能有发展的活力，只有远离平衡才有发展，这也是系统自组织理论的一个重要结论。现实的世界上，所谓的平衡都是相对的，都是指非平衡中的相对稳定状态。要使系统远离平衡，系统就必须充分开放，而要保持系统远离平衡，保持充满活力，系统也必须保持充分开放；充分的开放，使得系统与环境的充分交换成为可能，也就使得系统远离平衡成为可能。正因为如此，我们统一地把开放和非平衡看作系统自组织的基本前提。
客观世界中，现实的系统都具有开放和封闭的两重性，我们可以用开放度的概念来加以把握。〔2〕系统向环境开放，发生两者之间的交换，使得内因和外因联系起来，就有了系统与环境之间相互作用、相互交换而共同进化。
2 发展的诱因：涨落和失稳
涨落普遍存在，其表现形式多种多样。〔3〕通过涨落的有序， 是指非平衡非线性系统在一定条件下可以通过涨落被放大，通常的微小涨落被放大成为巨涨落，系统得以实现从无序到有序的转变，从低级有序向高级有序进化。由此，涨落被赋予新的意义，实现了对于传统观念——只把涨落看作破坏系统稳定性因素——的一个重要突破。
涨落被放大期间要经历一个形成基核的过程。基核的形成，对于系统自组织具有重要的意义。“星星之火，可以燎原”，基核就是可以燎原的火种。耗散结构理论认为，通过涨落的有序过程“首先必须在一个有限的区域内把自己建立起来，然后再侵入整个空间：这里有一个成核机制。”〔4〕超循环理论也指出， 超循环组织的形成导致生命起源过程必须要有一个集结即成核过程，稳定基核一旦形成，就会导致稳定的超循环组织建立起来并得到发展。协同学中把基核的作用比作‘胚胎’状态。”〔5〕
通过涨落达到有序，是一个伴随着系统通过失稳而重新建立稳定的过程，失稳过程中基核的形成则成为系统中新的稳定性的生长点。
现实的开放系统，其稳定都是动态中的稳定。静止即稳定，平衡即稳定，是一种机械论的片面观点，它以牺牲系统自我运动、自我发展能力为代价。
事实上，发展既与失稳相联系，也与稳定相关联，系统具有一定的稳定性也是系统发展的必要条件。在此意义上可以说，只有稳定才有发展。超循环理论表明“超循环组织是保持信息稳定性，并促使其继续进化的一个必要条件。”〔6〕只有在具有稳定组织的基础上， 才能把随机的东西转变为确定性的东西，使得确定性生长在随机的突变之中表现出来。
3 发展的道路：分叉和选择
对于非平衡非线性自组织系统的演化发展，传统意义上的决定论失效了。把突变理论运用于系统相变过程的研究，揭示了系统自组织相变的丰富多彩。
分叉使得系统的发展演化前途具有了多种可靠性。在分叉点上，系统发展表现出强烈的不确定因素，它对于涨落特别灵敏，一个小的扰动足以使得系统从热力学分支进入耗散结构分支。由于涨落是作为随机性因素推动系统向前发展的，这就决定了对于系统前途的选择也是充满不确定性的。混沌的研究也表明，只要起始条件稍有不同，系统的演化结果就十分不同。
通过选择，可能性就转变为现实性。达尔文进化论主要是关于外部对于变异效果的检测，系统自组织理论进一步把外界的作用与内部的作用结合起来。普利高津多次指出，功能、结构、涨落三者之间的相互制约、相互作用是理解系统演化的基础。换言之，何种涨落被选择与系统的内部结构是紧密相联系的，也与系统的环境相联系。不受环境影响的涨落放大是不现实的，而不承认涨落放大受制于系统内部的结构，就容易将其看作纯粹偶然的结果。
现实的选择过程同时也是一个评价过程。
达尔文进化论的外部选择评价，适者生存是生存导向的评价。换言之，进化就是获得更大的生存价值。但是，如果仅仅以生存价值来作为进化的度量，则是不全面的。自组织理论特别是超循环理论从生命起源和生命信息起源的角度比较深入地研究了选择评价问题。超循环理论指出，生命的起源过程涉及到“无序的分子随机地”自发地组织起来，通过采取超循环组织形式的自组织发展，从而增加了组织性和信息量，直至导致生命的起源。这里的信息的起源和生命的起源是一个问题的两个方面，也就是说，信息的评价和生存的评价是同一过程的两个方面。因此，“评价的标准中也必须包括某种反馈性质，它保证了价值和动力学稳定性的一致性。”〔6〕在这里，“进化价值＝信息价值+生存价值”。〔7〕
4 发展的方式：渐变和突变
发展究竟是渐变的还是突变的，科学史上一直受到人们的关注并反复引起激烈的争论。比如，地质学上有突变论与渐变论之争，生物学中也有渐变和突变两种观点。
与19世纪居维叶的“没有缓慢作用的原因能够产生突然作用的结果”〔8〕的观点相反， 突变论认为“原因连续的作用有可能导致结果的突然变化”。
系统自组织过程中突变现象丰富多彩。突变论发现，当系统外部参量即控制参量的个数M≤4时，至少有7种突变类型。这7种突变又相互包含相互联系，使得突变实际上极为复杂。而当外部控制参量再增加时，突变类型增加很快。而且，初等突变论实际上是从平衡系统的研究入手来讨论系统的相变的，非平衡非线性自组织系统相变时突变类型要更为复杂丰富。
系统自组织演化中，突变与渐变是相互联系的。“结构不稳定性是以一种结构稳定性的方式出现的”。〔9〕突变是连续变化造成的， 相变过程既有突变也可能有渐变。突变理论并不局限于讨论间断与突变，而是把间断与连续、渐变与突变联系起来，突变模型中同时包含有对渐变的描述。
突变和渐变的相互联系还与系统的层次性相联系。超循环进化有两种，一种是通过会聚式的发展，由低级循环发展起高级循环来；另一种是已经形成的超循环的生长。前一种进化发生的是系统整体的突变，后一种发生的是系统局部的突变和整体的渐变，整体的渐进发展中包含着局部的突变。一般地说，自组织系统中的子系统的突变是经常发生的，但是只有那些得到系统整体相应的这种低层次的突变才会演变成为系统整体层次的突变。
突变论的深入研究，也使我们加深了对于系统自组织过程中量变和质变关系的认识。通常，人们往往把剧烈的、迅速的变化称为突变，而把速度缓慢的变化称之为渐变。这样一来，突变与渐变的区别就在于速度。但是通过突变论的研究发现，在相变过程中，中介态不稳定的相变对应于突变，反之则对应于渐变。因此，突变反映相变，相变是质变，并非所有相变都是突变，渐变也可导致相变，即渐变也可导致质变。质变、辩证转化是飞跃，飞跃刻划质变，但飞跃并不是时间的长短，也不是速度的快慢，而是渐进过程的中断。
5 发展的动力：竞争和协同
在系统自组织理论中，既重视竞争也重视协同。协同学要研究“子系统是通过怎样的合作才在宏观尺度上产生空间、时间或功能结构的。”〔10〕超循环理论的目的就在于表明，首先，分子进化中的突破必定是由几种自复制单元整合成协同系统所带来的；其次，能够进行这种整合的机制只能由超循环这类机制提供。它们都认识到竞争基础之上的合作和协同对于系统演化发展的重要意义，都把研究系统的协同及其表现问题作为自己的任务和目标。
正确地理解竞争和协同的关系与正确理解非线性相互作用联系在一起。相互作用是矛盾双方的吸引和排斥、竞争和协同，非线性相互作用使得对立的双方成为不可分离的、有内在联系的东西，从而形成了有机的整体。线性相互作用基础上的对立双方是可以分离开的，而非线性相互作用基础上的对立双方则是难以截然分开的，而只有在这样的科学基础上，才有对立双方的有机联系乃至转化。
自组织系统中的相互作用，是非线性相互作用。正是非线性相互作用导致的竞争和协同，系统才有整体行为，同时又使得矛盾体系概念重要起来，形成了具有整体性的矛盾体系，于是才有系统的牵一发而动全身，矛盾才成为系统的发展源泉和动力。
耗散结构理论认为，系统充分开放、远离平衡，为系统发生自组织演化创造了必要条件，而进一步推动系统实现演化的，则是系统内各个子系统间的非线性相互作用的结果。超循环在讨论生物大分子的自组织问题时指出，片面地强调竞争时发展是十分有限的，只有通过竞争达到合作，形成协同整合的超循环组织，系统才能向更高阶段发展，直至导致生命的起源。
协同学更一般地讨论了系统中的竞争和合作。哈肯指出：种种系统，“都以其集体行为，一方面通过竞争一方面通过合作，间接地决定自己的命运。”〔11〕孤立子形成的非线性方程中，色散项体现了竞争发散的作用，而非线性项体现的是协作集中作用；这两种相反的效应恰好达到某种均衡时，矛盾的双方协调起来，就形成稳定的孤立波。〔12〕
竞争和协同的相互依赖、相互转化就是系统的发展演化过程。竞争和协同的相互依赖、相互转化成了系统发展演化的推动力。
6 发展的前途：目的和创新
现代系统科学的兴起，给予目的性概念以新解释，使之成为一个科学概念。
从稳定性角度看，所谓的目的性跟系统发展趋向于更稳定状态相联系。动力学系统中，用吸引子刻划系统的长期行为，因而被称作目的点或目的环。钱学森指出：“所谓目的，就是在给定的环境中，系统只有在目的点目的环上才是稳定的，离开了就不稳定，系统自己要拖到点或环上才能罢休。这也就是系统的自组织。”〔13〕
从系统的发展变化来看，系统的目的性，一方面表现为系统发展的阶段性，另一方面又表现为系统发展的规律性，是系统发展变化的阶段性与系统发展变化的规律性的统一。没有阶段性的目的性，等于说有某种终极的目的性，将导致不可思议的超自然解释。没有规律性，无论怎么都行，目的性也就不存在了，毫无规律的目的性同样是不可思议的。
在形而上学看来，有目的就不能有新事物出现，有新事物出现就不能有目的，目的和创新是难以相容的。而在辩证法看来，正如竞争和协同、正反馈和负反馈是相互联系的，可以相互转化的一样，目的性和创新性也是相互联系的，可以相互转化。
反馈实际上包含两种情况：正反馈和负反馈。正反馈的作用与负反馈的作用表现出恰恰相反的效应，负反馈是控制系统保持在既有目标的作用手段，而正反馈则可以使得系统越来越偏离既有目标值，甚至导致原有系统解体。正负反馈是相辅相成地起作用的。如果系统中仅仅存在负反馈，系统只是一味地稳定，那么系统的发展演化就是不可思议的。相反的情形，假如系统中仅仅具有正反馈，那么系统的稳定存在就是不可思议的。
反馈实质上也是一种相互作用，相互作用表现为竞争和协同。竞争是保持个体性的状态和趋势的因素，也就是使得系统丧失整体性、整体失稳、出现新情况的因素，因而与系统的创造性相联系。作为竞争对立面的协同——保持集体性的状态和趋势的因素，则是使得系统保持和具有整体性、稳定向既有方向发展的因素，因而与系统的目的性相联系。现实的系统都在发展演化之中，竞争和协同、稳定和失稳都是需要的，创造性和目的性都有自己的作用，只看到其中的一个方面就是片面的，就不能完整地认识系统的发展演化。竞争和合作、创造和目的是紧紧地联系在一起的，共同决定着系统的发展演化，并在一定条件下，交换着各自对于系统演化发展的主导地位或发生相互转化。
7 发展的统一性：相似和重演
历史上，海克尔发现生物发生重演律，为进化论的建立提供了重要依据。同样，系统存在和演化过程的相似性给系统自组织理论的建立和发展也提供着重要的证据。
耗散结构理论揭示出开放系统在与环境交换时的发展变化的前提条件的共同的、相似的方面，协同学揭示出系统秩序形成机制中的相似性，以致哈肯宣称：在这个太阳下没有任何新东西。超循环理论对于生命现象的统一性和多样性关系进行的思考中，发现了系统的循环组织的相似性。如此等等，使我们对于系统演化中的种种相似性有了更多更深刻的认识。
自相似是一种特殊的相似性，分形学的研究对于认识自相似性具有特别重要的意义。如果说耗散结构理论侧重于从热力学观点出发研究非平衡非线性开放系统的自组织，混沌理论侧重于从系统动力学角度研究不可积系统轨道的不稳定性，那么分形则从几何学方面研究不可积系统几何图形的自相似性。而且它们是相互关联的，例如混沌理论的研究表明，混沌系统奇怪吸引子具有无穷嵌套结构即具有分形结构，其结构具有“无穷的”自相似性。
相似不是等同，绝对的相似即等同是不存在的。莱布尼茨说，世界上没有两片树叶是完全相同的。黑格尔已经把相似与不相似作为一对对立统一的范畴来讨论。曼德尔布罗特在给分形下定义时，也只要求有部分和整体具有某种程度上的自相似性。人们把信息、功能和时间上的相似性也包含在自相似性概念之中，提出了广义分形的概念。现实中的分形的自相似性，基本上都是近似意义上的或统计意义上的自相似。
系统具有相似性，从一个侧面体现了世界的物质统一性。现实系统存在的相似性，是无数系统演化发展过程的相似性——重演——的空间并列。无数系统的空间的形形色色的并列存在，以无数系统时间上的生生不息的循环演化为前提；反过来也一样，无数系统时间上的生生不息的循环演化，也以无数系统的空间上的形形色色的并列存在为补充。
这样的系统演化图景，不仅是一般的，而且也是具体的。普利高津以贝洛索夫一扎鲍廷斯基反应为例强调了这一点。溴离子浓度在反应中，经历了：平衡态→均匀正弦波振荡→复杂周期态→混沌→混沌和周期性的混合式振荡→张弛式振荡。这里出现了连续的从混沌到有序，从有序向更高有序即非平衡混沌，混沌自身也可以向更高级的有序发展这样的系列。
下面我们将看到，系统演化全过程——大圆圈，也体现从混沌到有序，再从有序到混沌的相似性。系统演化的每一相对完整的阶段——小圆圈，从一种有序到另一种有序的发展，经过稳定——失稳——再稳定的发展演化，也表现出相似性。
8 发展的循环性：混沌和有序
世界的发展，究竟是从混沌到有序呢？还是从有序到混沌？古代混沌创世神话体现的是从混沌到有序的信念。19世纪的“热寂说”和“进化论”的矛盾，突出了“从有序到混沌”和“从混沌到有序”两幅难容的自然图景。这成为20世纪自然科学面临的一个重大问题。
系统自组织理论首先是耗散结构理论取得的重要突破是在不与热力学第二定律相悖的情况下证明了，开放系统可能实现从混沌无序状态向新的有序状态的转化。《从混沌到有序》是普利高津与斯唐热合作的一本哲学专著，也是对这一学说发现的一种实质的概括。
而且，把世界整体上看作向无序下降的退化过程，20世纪的自然科学也提出了不同于热力学熵增定律的见解，这就是：“宇宙之进化决不是由通常的热力学第二定律描述的演化。”〔14〕考虑了引力相互作用，“宇宙不但不会死（热寂），反而会从早期的‘热寂’状态（热平衡态）下生机勃勃地复苏。”〔15〕
随着系统自组织理论的建立和发展，特别是混沌理论的建立和发展，人们发现了一类新的混沌现象——非平衡非线性开放系统的混沌。非平衡非线性混沌有如下两个基本特点：非平衡非线性混沌是确定论系统的内在随机性，是对初值的敏感性。这里关注的是，非平衡非线性混沌不是简单的无序，也不是通常意义下的有序，可以称为“混沌序”。〔16〕
混沌运动是一种典型的非周期运动，是周期性运动的对称性破缺。对称性破缺即意味着有序性的提高，所以混沌运动是一种有序的运动，混沌现象也是一种有序。混沌的有序性还体现在自相似结构上，自相似结构也是一种典型的有序性。
总之，混沌既非简单的无序，也非通常的有序，它是嵌在无序之中的有序，是一种有序和无序难分难解地联系在一起的高级的复杂有序；有序和混沌相互联系，可以相互转化。
于是，系统自组织的研究，特别是非平衡非线性混沌的研究，把一幅系统发展演化的从混沌到有序和从有序到混沌的发展图景揭示出来：（平衡）混沌→有序→（非平衡）混沌。
从混沌到有序，从有序到混沌，这是物质系统演化发展的循环，“除永恒循环变化着，永恒运动着的物质以及这一物质运动和变化所依据的规律外，再没有什么永恒的东西。”〔17〕
收稿日期：1996—12—22