生命系統(tǒng)的自組織現(xiàn)象探究

李丹　李潤珍　李歡歡

摘 要：系統(tǒng)科學(xué)的不斷發(fā)展為我們認(rèn)識紛繁復(fù)雜的生命現(xiàn)象提供了廣闊的視野和理論基礎(chǔ)，基于系統(tǒng)科學(xué)的研究特點，文章從自組織理論的開放性、與外界物質(zhì)信息能量的交換著手研究生命系統(tǒng)的復(fù)雜性，通過達(dá)爾文的自然選擇以及生命體中最基本的單位——細(xì)胞中“鞭毛”細(xì)菌的機(jī)理運行模式對達(dá)爾文的進(jìn)化論進(jìn)行反思，最終通過霍蘭的“適應(yīng)性造就復(fù)雜性”來理解生命的本質(zhì)。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)科學(xué)；自組織；鞭毛細(xì)菌；隱秩序

1 緒論

無論是自然界、社會或是生命，冥冥之中都有一雙“隱形的手”在控制著這些系統(tǒng)千差萬別的組織、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及性狀等等。而這雙“隱形的手”，我們稱之為自組織。哈肯（H.Haken）對其是這樣定義的：“如果系統(tǒng)在獲得空間的、時間的或功能的結(jié)構(gòu)過程中，沒有外界的特定干預(yù)，我們便說系統(tǒng)是自組織的。”[1]自組織在現(xiàn)實世界中的產(chǎn)生是千差萬別的，無論是在外形、結(jié)構(gòu)、模式或是形態(tài)等方面，但是無論如何，都必定由普遍起作用的原理、規(guī)律支配著。

2 生命的真相

19世紀(jì)以前，科學(xué)家們醉心于將生命系統(tǒng)用精確的物理學(xué)及物理現(xiàn)象來解釋，他們認(rèn)為生命體就是有機(jī)體，而這些有機(jī)體按照精確的物理學(xué)定律實現(xiàn)頗有規(guī)則、頗有秩序的功能。這與當(dāng)時科學(xué)界崇尚的用物理學(xué)來解釋一切學(xué)科、系統(tǒng)的大背景是息息相關(guān)的。經(jīng)典的牛頓力學(xué)研究的都是可逆的過程，即使這類過程的反演也是遵循著經(jīng)典力學(xué)的定律，正如維納在《控制論》所指出的：“天文歷書順讀和倒讀都是一樣的”，維納把這種現(xiàn)象形象地比喻成“回文”（palindrome），類似于一個句子倒過來仍能保持原來的含義。但是，對于現(xiàn)實世界中的很多事物，他們都是不可逆的。

2.1 分岔可以帶來多樣性和創(chuàng)新之源嗎？

普利高津以前，科學(xué)家們都是將各種系統(tǒng)局限在一個密閉的系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行研究。而事實上，真正的封閉系統(tǒng)在客觀世界中并不存在，它僅僅是為了科學(xué)家研究上的方便，與之相反，開放的系統(tǒng)卻在自然界和人類生活中無處不在，無時不在。從“進(jìn)化論”的角度說，自組織是一個系統(tǒng)在自然選擇的基礎(chǔ)上，在遺傳、變異、優(yōu)勝劣汰的作用下，組織模式和運行結(jié)構(gòu)等不斷地進(jìn)行自我完善，從而提高適應(yīng)周圍環(huán)境能力的過程。薛定諤在其著作《生命是什么》中指出：“新陳代謝的本質(zhì)就在于使有機(jī)體成功地消除了當(dāng)它活著時不得不產(chǎn)生的全部的熵?！盵2]

但限定的標(biāo)準(zhǔn)是有機(jī)體處于定態(tài)，對于現(xiàn)實中的生命系統(tǒng)而言，它們又是如何在非平衡條件下產(chǎn)生的呢？“自由能”由此應(yīng)運而生（用公式表達(dá)就是F=E-TS，是能量E和熵S的線性組合，而自由能F在平衡態(tài)處有最小值，如圖1所示）。[3]根據(jù)此公式，可以把能量E作為系統(tǒng)有序的量度，熵S則作為無序的標(biāo)志，而溫度T則是當(dāng)系統(tǒng)處于平衡態(tài)時，決定E和S相對權(quán)重的重要因素。

熱力學(xué)分支曲線圖非平衡的定態(tài)又是如何？根據(jù)普利高津的“熵變”公式，我們知道定態(tài)在單位時間內(nèi)熵產(chǎn)生P=diS/dt最小。也就是說，在圍繞平衡態(tài)的線性域，P為最小值（參見圖2）。

我們可以看到，非平衡可以自發(fā)地演化到復(fù)雜性增加的狀態(tài)。假設(shè)有一個化學(xué)反應(yīng)，A、B、C分別是初始生成物、中間產(chǎn)物和最終生成物。在平衡態(tài)，有細(xì)致平衡（細(xì)致平衡是很難實現(xiàn)的微觀可逆反應(yīng)，它是指反應(yīng)體系處于平衡時，每一基元反應(yīng)也必須處于平衡），這其中包括從A到B，又從B到A的許多可逆反應(yīng)，而對于B和C亦然。A/C在孤立系統(tǒng)的情況下取明確定義的值，即最大熵。現(xiàn)在將他們放在一個開放的系統(tǒng)，并把A、C的值固定。當(dāng)給定了A、C的值時，B的濃度會有很多解，但只有一個解是最大熵且處于熱力學(xué)平衡，這個解可以延伸到非平衡區(qū)域，我們把他稱為“熱力學(xué)分支”。（在這里，我們可以看到在曲線d上的每一點所對應(yīng)的狀態(tài)類似于平衡態(tài)。）但是，通常在距平衡態(tài)的某個臨界距離，熱力學(xué)分支會失穩(wěn)，會出現(xiàn)一些不平衡的行為（參見圖3），而發(fā)生這種情況的點叫做分岔點。（分叉即控制參量變化所引起的系統(tǒng)定性性質(zhì)的改變，分叉現(xiàn)象要在控制空間中考察?？刂瓶臻g中引起分叉現(xiàn)象的臨界點就是分叉點。）[4]

在分岔點之外，會出現(xiàn)一系列如化學(xué)振蕩反應(yīng)等的新現(xiàn)象。我們將其稱為耗散結(jié)構(gòu)。耗散結(jié)構(gòu)形成的條件可以總結(jié)為：1.遠(yuǎn)離平衡態(tài)，這是形成耗散結(jié)構(gòu)的必要條件；2.分叉，耗散結(jié)構(gòu)就是一個遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡狀態(tài)的開放系統(tǒng)，研究的是系統(tǒng)通過“分叉”從混沌、無序到有序演化的過程；3.漲落，漲落在系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)的時候，有的時候會起到?jīng)Q定性的作用，特別是巨漲落的出現(xiàn)，會完成從“混沌”到“有序”的突變；4.競爭機(jī)制的作用，進(jìn)化系統(tǒng)選擇的本質(zhì)是系統(tǒng)在遠(yuǎn)離平衡的條件下所發(fā)生的耦合作用[5]；

值得注意的是生命系統(tǒng)也滿足這一特征，當(dāng)我們證實了這種可能性之后，化學(xué)振蕩反應(yīng)的結(jié)果成了眾所周知的事實。也就是我們常說的B-Z反應(yīng)（Belousov-Zhabotinskii），如在丙二酸、溴酸鉀、溴化鉀的混合液中，加入含有Ce（Ⅲ）與H2SO4的混合液時，就會看到反應(yīng)過程中溶液的顏色從無色變?yōu)辄S色，又變?yōu)闊o色，再變成黃色……十分有規(guī)律地變化著，直到反應(yīng)達(dá)到平衡為止，我們可以看到物質(zhì)在平衡時是“盲目的”，只有在非平衡狀態(tài)時，才可以看到這種有規(guī)律的變化，我們把系統(tǒng)推向非平衡狀態(tài)時，混沌形態(tài)特有的分岔就會產(chǎn)生。

2.2 生命系統(tǒng)自組織進(jìn)化的動力——分岔

在達(dá)爾文的《物種起源》還未發(fā)表之前，我們依然對生命的起源充滿好奇，并且不斷探索著，柏拉圖認(rèn)為造物主是根據(jù)理念來創(chuàng)造具體事物的，所以事物因摹仿理念而存在。[6]奧古斯丁認(rèn)為：上帝從無中創(chuàng)造世界，世界不是像泛神論的新柏拉圖主義者所主張的那樣……因為他本身的存在超越他的創(chuàng)造物的性質(zhì)。他的創(chuàng)造是連續(xù)的創(chuàng)造，否則世界將趨于支離破碎。[7]1859年，《物種起源》的發(fā)表，標(biāo)志著現(xiàn)代生物進(jìn)化理論的形成，引發(fā)了一場科學(xué)上的革命，人們也對科學(xué)哲學(xué)有了全新的認(rèn)識。最常被引用的例子，就是達(dá)爾文在1831年隨貝格爾號軍艦來到加拉帕戈斯群島時，他發(fā)現(xiàn)那里有著身形各異、嘴的形狀不甚相同的13種鳥雀，在風(fēng)調(diào)雨順、氣候適宜的季節(jié)，小而軟的種子在島上隨處可見，嘴小的鳥雀很容易就吃到食物，但在氣候干旱、顆粒無收的季節(jié)，種子就非常難以尋覓，只剩往年包在堅硬殼里的種子，這時，長著粗壯嘴的鳥雀就可以打開硬殼，吃到食物，也就是現(xiàn)在生物學(xué)家所謂的“功能優(yōu)勢”，嘴長、體型小的鳥雀由于饑餓而滅絕了，如果天氣繼續(xù)干旱，整個群體的特征隨著環(huán)境的改變而改變，喙就會變得越來越短且粗壯。生物正是通過遺傳、變異和自然選擇，從低級到高級，從簡單到復(fù)雜，種類由少到多地進(jìn)化和發(fā)展著。

通常我們想到的分叉都是出現(xiàn)在數(shù)學(xué)中，而事實上，分叉并非只是一種數(shù)學(xué)現(xiàn)象，它出現(xiàn)在形形色色的領(lǐng)域中，系統(tǒng)科學(xué)家Eo拉茲洛將它總結(jié)為三類社會分叉：[8]（1）T分叉——由技術(shù)革新造成失穩(wěn)后引起的分叉。2）C分叉——由戰(zhàn)爭與沖突引起的社會動蕩與分叉。3）E分叉——由經(jīng)濟(jì)危機(jī)和生態(tài)危機(jī)造成的分叉?，F(xiàn)實生活中，實際系統(tǒng)的演化過程要復(fù)雜的多，會不斷的分叉，不斷地生成新的分支。

當(dāng)分叉點上存在著不止一個新的穩(wěn)定分支解時，系統(tǒng)面臨著如何選擇的問題。一般情況下，幾個新動態(tài)是對稱的，存在兩種對稱破缺方式。一是誘導(dǎo)破缺選擇，環(huán)境中存在某種誘導(dǎo)力量，迫使系統(tǒng)對某一新態(tài)有所偏愛。二是自發(fā)破缺選擇，幾種新態(tài)被選擇的可能性相同，完全由偶然因素決定。[4]95

自組織機(jī)制正是通過漲落、分叉而達(dá)到有序的狀態(tài)，在此機(jī)制中，“漲落”處于“誘因”或“觸發(fā)器”的地位（系統(tǒng)在每一時刻的實際測度并不都精確地處于這些平均值上，而是或多或少有些偏差，這些偏差就叫漲落，漲落是偶然的、雜亂無章的、隨機(jī)的。）[9]。

在一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的新階段的分支點上，在實踐中，甚至在原則上，都不可能預(yù)言在多種可能的形態(tài)中，它究竟選擇哪一種。普利高津認(rèn)為歷史是發(fā)展的，不斷出現(xiàn)新的情況，新的事物，未來并不完全包含在過去之中。[10]

3 多種不同的研究進(jìn)路

上世紀(jì)30年代，居群遺傳學(xué)的研究和發(fā)展，使人們認(rèn)識到自然選擇可以使基因庫發(fā)生很大的變化，這種把以“突變、基因漂移以及基因交流”為特征的現(xiàn)代遺傳學(xué)與達(dá)爾文的自然選擇學(xué)說相結(jié)合的思想稱之為“綜合進(jìn)化論”。二十世紀(jì)70年代以來，又出現(xiàn)了否認(rèn)自然選擇進(jìn)化為主，強(qiáng)調(diào)偶然機(jī)會或隨機(jī)事件作用的“隨機(jī)論”和反對漸進(jìn)的進(jìn)化模式而強(qiáng)調(diào)進(jìn)化中跳躍模式的“間斷平衡論”。

隨著科技的不斷進(jìn)步，電子顯微鏡在生物研究領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用，生物學(xué)家可以利用它來分辨細(xì)菌鞭毛驅(qū)動的組成部分和三維結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)：鞭毛細(xì)菌中的有些部件，能以10萬轉(zhuǎn)/分運轉(zhuǎn)，且可連接到另一信號感測器上接受到環(huán)境中反饋的信號。哈佛大學(xué)的郝武德·伯格教授將它稱為宇宙中效率最高的機(jī)器，盡管旋轉(zhuǎn)的如此之快，它們卻可以只需要四分之一圈立刻停下來，以相同的速度做反向轉(zhuǎn)動，這類似于摩托艇后面的驅(qū)動機(jī)，然而轉(zhuǎn)動的驅(qū)動機(jī)是怎么通過自然選擇產(chǎn)生的呢？顯然達(dá)爾文的自然選擇無法解釋清楚這種現(xiàn)象。

這是因為“不可簡化的復(fù)雜性”，邁克爾·貝希在《達(dá)爾文的黑匣子：生化理論對進(jìn)化論的挑戰(zhàn)》中指出分子機(jī)器的特征是不可簡化的復(fù)雜性，由多個相互緊扣且錯綜復(fù)雜的系統(tǒng)組成，各部件共同合作才有作用，反之亦然。上述理論也適用于細(xì)菌鞭毛推進(jìn)器，這個開放且復(fù)雜的系統(tǒng)是由40種不同的蛋白質(zhì)分子組成，每一個分子都扮演著缺一不可的角色，無論缺少其中任何一個成分，那么鞭毛推進(jìn)器也無法正常工作。

在我們看來，身體上的一些重要器官的建構(gòu)，像鼻子、眼睛、心臟這些復(fù)雜且精細(xì)的系統(tǒng)的建構(gòu)并非一日之功，或是一蹴而就。如同達(dá)爾文在《物種起源》所指出的，“這些修飾是微小而緩慢的，進(jìn)行也不是同時的，因為自然選擇只能只是利用微細(xì)的、連續(xù)的變異而發(fā)生作用?！蓖瑯?，要建造出如此復(fù)雜、精細(xì)的系統(tǒng)，只有在所有部件都組裝好后才有功能。根據(jù)達(dá)爾文理論，只有具備某些優(yōu)勢，變化中的細(xì)菌種群才有可能被留下。我們甚至可以推斷地球早期，當(dāng)一個進(jìn)化中的細(xì)菌以某種方式發(fā)育出一條尾巴時，如果這種“創(chuàng)新”帶來的后果是不利的，或者時機(jī)還不太成熟，那么本著“物競天擇，適者生存”的原則，這條既不會動也沒用的尾巴也會被自然界無情的淘汰。唯一可行的辦法就是鞭毛能夠發(fā)揮其作用，并且得到自然界的認(rèn)可。這也就意味著鞭毛發(fā)動機(jī)組的全部部件要在一開始就已經(jīng)可以發(fā)揮其功能了。換句話說，只有當(dāng)鞭毛已經(jīng)存在且能運作，自然選擇才會起作用。

達(dá)爾文的理論，對如何創(chuàng)造出復(fù)雜的分子機(jī)器無法做出解釋。他甚至已經(jīng)提前預(yù)知到會有系統(tǒng)給“自然選擇”帶來麻煩，“如果能證明有任何復(fù)雜器官不是經(jīng)過無數(shù)的、連續(xù)的、輕微的變異而被形成的，那么我的學(xué)說就要完全破產(chǎn)。”[11]在生物學(xué)界，一直有兩大課題是生物學(xué)家研究的對象，一是從已知的生物體到已存的生物體的發(fā)展過程，二是最初的生命體是什么，又是如何起源的。顯然，達(dá)爾文把大多數(shù)時間用在了回答第一個問題上，他把地球上生命的歷史比喻成一棵枝繁葉茂的大樹，大樹的從無到有，他也做了似乎相對合理的解釋，他認(rèn)為大樹的根基就是最早的活細(xì)胞，而樹枝、樹干和樹葉是經(jīng)過艱辛萬苦從早期原生質(zhì)發(fā)展出來的。但是當(dāng)問到'生命是怎樣從無到有'這個起源問題時，他又似乎無法給出合理地答案。唯一能了解到他的觀點的，是他寫給好朋友的一封信，“最早活的生物的產(chǎn)生，可以從一個想象開始，在某個小池塘里有各種氨氣、磷酸鹽、光、熱和電流，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)他們生成了一個蛋白分子，而這個蛋白分子還會發(fā)生更加復(fù)雜的變化”。這里，我們可以看到，生命系統(tǒng)作為大自然最為神秘的系統(tǒng)，與外界進(jìn)行著物質(zhì)、信息、能量等交換的同時，又有著自身的發(fā)展方向。圣塔菲學(xué)者們將其概括為復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)，從生物學(xué)角度看，適應(yīng)是生物體調(diào)整自己以適合環(huán)境的過程。而且還將會更好地利用環(huán)境以達(dá)到自己更多的目的。[12]

4 結(jié)語

生命系統(tǒng)的復(fù)雜性有著多種特征和表現(xiàn)形式，如自組織、非線性、分岔、非平衡等等，人類從誕生之日起，就開始對其本質(zhì)進(jìn)行探索，無論是柏拉圖的理念說，還是達(dá)爾文的“物競天擇，優(yōu)勝劣汰”說，任何學(xué)說都不能改變生命系統(tǒng)這個大自然中最為神秘的系統(tǒng)，生命系統(tǒng)在與外界進(jìn)行物質(zhì)、信息、能量交換的同時，又有其不可改變的自我發(fā)展方向。正如細(xì)菌“鞭毛”的存在，它是一種自組織現(xiàn)象，也是復(fù)雜性適應(yīng)系統(tǒng)的產(chǎn)物。其形成的過程符合自組織的開放性要求，細(xì)菌鞭毛通過這種交換從平衡態(tài)過渡到近平衡態(tài)，再從近平衡態(tài)過渡到遠(yuǎn)離平衡態(tài)；環(huán)境對其施加作用形成約束，并引起鞭毛細(xì)菌的某種反應(yīng)或響應(yīng)，這就是適應(yīng)的過程，也即達(dá)爾文“自然選擇”的過程，但細(xì)菌“鞭毛”本身的存在并非“自然選擇”的結(jié)果。

“鞭毛”細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)及其機(jī)制使我們對達(dá)爾文自然選擇理論所不能解釋的東西有了新的認(rèn)識，同時也進(jìn)一步證實了適應(yīng)性造就復(fù)雜性，為人們研究生命復(fù)雜系統(tǒng)，重新認(rèn)識物種起源、生命的本質(zhì)等重大問題具有非常重要的啟示意義。

參考文獻(xiàn)

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[2]埃爾溫·薛定諤著，羅來歐等譯.生命是什么[M].武漢：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2003，9.

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[8]E·拉茲洛著，閔家胤譯.進(jìn)化——廣義綜合理論[M].北京：社會科學(xué)文獻(xiàn)出版社，1988，178-199.

[9]http：//baike.baidu.com/link？url=Y9CmioINRIzCWDEeglVjhD2B992F3yzSUxUjljClruoaH7GHxgCEiP_fG5nRkga7[EB/OT].

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[11]達(dá)爾文著，周建人，葉篤莊等譯.物種起源.上海：商務(wù)印書館1981.

[12]隱秩序.適應(yīng)性造就復(fù)雜性.約翰·H·霍蘭著，周曉牧，韓暉譯，上海：上?？萍冀逃霭嫔?，2000.8，9.

作者簡介：李丹（1983-），女，山西運城人，太原科技大學(xué)哲學(xué)研究所在讀碩士，研究方向為系統(tǒng)科學(xué)哲學(xué)。

李潤珍（1957-），女，山西忻州人，太原科技大學(xué)哲學(xué)研究所教授，研究方向為系統(tǒng)科學(xué)哲學(xué)等。

李歡歡（1988-），女，山西運城人，杭州師范大學(xué)社會科學(xué)基礎(chǔ)部在讀碩士，研究方向為馬克思主義中國化研究。

“鞭毛”細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)及其機(jī)制使我們對達(dá)爾文自然選擇理論所不能解釋的東西有了新的認(rèn)識，同時也進(jìn)一步證實了適應(yīng)性造就復(fù)雜性，為人們研究生命復(fù)雜系統(tǒng)，重新認(rèn)識物種起源、生命的本質(zhì)等重大問題具有非常重要的啟示意義。

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作者簡介：李丹（1983-），女，山西運城人，太原科技大學(xué)哲學(xué)研究所在讀碩士，研究方向為系統(tǒng)科學(xué)哲學(xué)。

李潤珍（1957-），女，山西忻州人，太原科技大學(xué)哲學(xué)研究所教授，研究方向為系統(tǒng)科學(xué)哲學(xué)等。

李歡歡（1988-），女，山西運城人，杭州師范大學(xué)社會科學(xué)基礎(chǔ)部在讀碩士，研究方向為馬克思主義中國化研究。

“鞭毛”細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)及其機(jī)制使我們對達(dá)爾文自然選擇理論所不能解釋的東西有了新的認(rèn)識，同時也進(jìn)一步證實了適應(yīng)性造就復(fù)雜性，為人們研究生命復(fù)雜系統(tǒng)，重新認(rèn)識物種起源、生命的本質(zhì)等重大問題具有非常重要的啟示意義。

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[10]王身立.耗散結(jié)構(gòu)理論向何處去：廣義進(jìn)化與負(fù)熵[M].北京：人民教育出版社，1989， 203.

[11]達(dá)爾文著，周建人，葉篤莊等譯.物種起源.上海：商務(wù)印書館1981.

[12]隱秩序.適應(yīng)性造就復(fù)雜性.約翰·H·霍蘭著，周曉牧，韓暉譯，上海：上?？萍冀逃霭嫔?，2000.8，9.

作者簡介：李丹（1983-），女，山西運城人，太原科技大學(xué)哲學(xué)研究所在讀碩士，研究方向為系統(tǒng)科學(xué)哲學(xué)。

李潤珍（1957-），女，山西忻州人，太原科技大學(xué)哲學(xué)研究所教授，研究方向為系統(tǒng)科學(xué)哲學(xué)等。

李歡歡（1988-），女，山西運城人，杭州師范大學(xué)社會科學(xué)基礎(chǔ)部在讀碩士，研究方向為馬克思主義中國化研究。