生命系统的自组织现象探究

摘 要：系统科学的不断发展为我们认识纷繁复杂的生命现象提供了广阔的视野和理论基础，基于系统科学的研究特点，文章从自组织理论的开放性、与外界物质信息能量的交换着手研究生命系统的复杂性，通过达尔文的自然选择以及生命体中最基本的单位――细胞中“鞭毛”细菌的机理运行模式对达尔文的进化论进行反思，最终通过霍兰的“适应性造就复杂性”来理解生命的本质。

关键词：系统科学；自组织；鞭毛细菌；隐秩序

1 绪论

无论是自然界、社会或是生命，冥冥之中都有一双“隐形的手”在控制着这些系统千差万别的组织、结构、性质以及性状等等。而这双“隐形的手”，我们称之为自组织。哈肯（H.Haken）对其是这样定义的：“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。”[1]自组织在现实世界中的产生是千差万别的，无论是在外形、结构、模式或是形态等方面，但是无论如何，都必定由普遍起作用的原理、规律支配着。

2 生命的真相

19世纪以前，科学家们醉心于将生命系统用精确的物理学及物理现象来解释，他们认为生命体就是有机体，而这些有机体按照精确的物理学定律实现颇有规则、颇有秩序的功能。这与当时科学界崇尚的用物理学来解释一切学科、系统的大背景是息息相关的。经典的牛顿力学研究的都是可逆的过程，即使这类过程的反演也是遵循着经典力学的定律，正如维纳在《控制论》所指出的：“天文历书顺读和倒读都是一样的”，维纳把这种现象形象地比喻成“回文”（palindrome），类似于一个句子倒过来仍能保持原来的含义。但是，对于现实世界中的很多事物，他们都是不可逆的。

2.1 分岔可以带来多样性和创新之源吗？

普利高津以前，科学家们都是将各种系统局限在一个密闭的系统内进行研究。而事实上，真正的封闭系统在客观世界中并不存在，它仅仅是为了科学家研究上的方便，与之相反，开放的系统却在自然界和人类生活中无处不在，无时不在。从“进化论”的角度说，自组织是一个系统在自然选择的基础上，在遗传、变异、优胜劣汰的作用下，组织模式和运行结构等不断地进行自我完善，从而提高适应周围环境能力的过程。薛定谔在其著作《生命是什么》中指出：“新陈代谢的本质就在于使有机体成功地消除了当它活着时不得不产生的全部的熵。”[2]

但限定的标准是有机体处于定态，对于现实中的生命系统而言，它们又是如何在非平衡条件下产生的呢？“自由能”由此应运而生（用公式表达就是F=E-TS，是能量E和熵S的线性组合，而自由能F在平衡态处有最小值，如图1所示）。[3]根据此公式，可以把能量E作为系统有序的量度，熵S则作为无序的标志，而温度T则是当系统处于平衡态时，决定E和S相对权重的重要因素。

热力学分支曲线图非平衡的定态又是如何？根据普利高津的“熵变”公式，我们知道定态在单位时间内熵产生P=diS/dt最小。也就是说，在围绕平衡态的线性域，P为最小值（参见图2）。

我们可以看到，非平衡可以自发地演化到复杂性增加的状态。假设有一个化学反应，A、B、C分别是初始生成物、中间产物和最终生成物。在平衡态，有细致平衡（细致平衡是很难实现的微观可逆反应，它是指反应体系处于平衡时，每一基元反应也必须处于平衡），这其中包括从A到B，又从B到A的许多可逆反应，而对于B和C亦然。A/C在孤立系统的情况下取明确定义的值，即最大熵。现在将他们放在一个开放的系统，并把A、C的值固定。当给定了A、C的值时，B的浓度会有很多解，但只有一个解是最大熵且处于热力学平衡，这个解可以延伸到非平衡区域，我们把他称为“热力学分支”。（在这里，我们可以看到在曲线d上的每一点所对应的状态类似于平衡态。）但是，通常在距平衡态的某个临界距离，热力学分支会失稳，会出现一些不平衡的行为（参见图3），而发生这种情况的点叫做分岔点。（分叉即控制参量变化所引起的系统定性性质的改变，分叉现象要在控制空间中考察。控制空间中引起分叉现象的临界点就是分叉点。）[4]

在分岔点之外，会出现一系列如化学振荡反应等的新现象。我们将其称为耗散结构。耗散结构形成的条件可以总结为：1.远离平衡态，这是形成耗散结构的必要条件；2.分叉，耗散结构就是一个远离热力学平衡状态的开放系统，研究的是系统通过“分叉”从混沌、无序到有序演化的过程；3.涨落，涨落在系统处于不稳定状态的时候，有的时候会起到决定性的作用，特别是巨涨落的出现，会完成从“混沌”到“有序”的突变；4.竞争机制的作用，进化系统选择的本质是系统在远离平衡的条件下所发生的耦合作用[5]；

值得注意的是生命系统也满足这一特征，当我们证实了这种可能性之后，化学振荡反应的结果成了众所周知的事实。也就是我们常说的B-Z反应（Belousov-Zhabotinskii），如在丙二酸、溴酸钾、溴化钾的混合液中，加入含有Ce（Ⅲ）与H2SO4的混合液时，就会看到反应过程中溶液的颜色从无色变为黄色，又变为无色，再变成黄色……十分有规律地变化着，直到反应达到平衡为止，我们可以看到物质在平衡时是“盲目的”，只有在非平衡状态时，才可以看到这种有规律的变化，我们把系统推向非平衡状态时，混沌形态特有的分岔就会产生。

2.2 生命系统自组织进化的动力――分岔

在达尔文的《物种起源》还未发表之前，我们依然对生命的起源充满好奇，并且不断探索着，柏拉图认为造物主是根据理念来创造具体事物的，所以事物因摹仿理念而存在。[6]奥古斯丁认为：上帝从无中创造世界，世界不是像泛神论的新柏拉图主义者所主张的那样……因为他本身的存在超越他的创造物的性质。他的创造是连续的创造，否则世界将趋于支离破碎。[7]1859年，《物种起源》的发表，标志着现代生物进化理论的形成，引发了一场科学上的革命，人们也对科学哲学有了全新的认识。最常被引用的例子，就是达尔文在1831年随贝格尔号军舰来到加拉帕戈斯群岛时，他发现那里有着身形各异、嘴的形状不甚相同的13种鸟雀，在风调雨顺、气候适宜的季节，小而软的种子在岛上随处可见，嘴小的鸟雀很容易就吃到食物，但在气候干旱、颗粒无收的季节，种子就非常难以寻觅，只剩往年包在坚硬壳里的种子，这时，长着粗壮嘴的鸟雀就可以打开硬壳，吃到食物，也就是现在生物学家所谓的“功能优势”，嘴长、体型小的鸟雀由于饥饿而灭绝了，如果天气继续干旱，整个群体的特征随着环境的改变而改变，喙就会变得越来越短且粗壮。生物正是通过遗传、变异和自然选择，从低级到高级，从简单到复杂，种类由少到多地进化和发展着。

通常我们想到的分叉都是出现在数学中，而事实上，分叉并非只是一种数学现象，它出现在形形的领域中，系统科学家Eo拉兹洛将它总结为三类社会分叉：[8]（1）T分叉――由技术革新造成失稳后引起的分叉。2）C分叉――由战争与冲突引起的社会动荡与分叉。3）E分叉――由经济危机和生态危机造成的分叉。现实生活中，实际系统的演化过程要复杂的多，会不断的分叉，不断地生成新的分支。

当分叉点上存在着不止一个新的稳定分支解时，系统面临着如何选择的问题。一般情况下，几个新动态是对称的，存在两种对称破缺方式。一是诱导破缺选择，环境中存在某种诱导力量，迫使系统对某一新态有所偏爱。二是自发破缺选择，几种新态被选择的可能性相同，完全由偶然因素决定。[4]95

自组织机制正是通过涨落、分叉而达到有序的状态，在此机制中，“涨落”处于“诱因”或“触发器”的地位（系统在每一时刻的实际测度并不都精确地处于这些平均值上，而是或多或少有些偏差，这些偏差就叫涨落，涨落是偶然的、杂乱无章的、随机的。）[9]。

在一个结构复杂的新阶段的分支点上，在实践中，甚至在原则上，都不可能预言在多种可能的形态中，它究竟选择哪一种。普利高津认为历史是发展的，不断出现新的情况，新的事物，未来并不完全包含在过去之中。[10]

3 多种不同的研究进路

上世纪30年代，居群遗传学的研究和发展，使人们认识到自然选择可以使基因库发生很大的变化，这种把以“突变、基因漂移以及基因交流”为特征的现代遗传学与达尔文的自然选择学说相结合的思想称之为“综合进化论”。二十世纪70年代以来，又出现了否认自然选择进化为主，强调偶然机会或随机事件作用的“随机论”和反对渐进的进化模式而强调进化中跳跃模式的“间断平衡论”。

随着科技的不断进步，电子显微镜在生物研究领域中发挥着越来越重要的作用，生物学家可以利用它来分辨细菌鞭毛驱动的组成部分和三维结构。研究发现：鞭毛细菌中的有些部件，能以10万转/分运转，且可连接到另一信号感测器上接受到环境中反馈的信号。哈佛大学的郝武德・伯格教授将它称为宇宙中效率最高的机器，尽管旋转的如此之快，它们却可以只需要四分之一圈立刻停下来，以相同的速度做反向转动，这类似于摩托艇后面的驱动机，然而转动的驱动机是怎么通过自然选择产生的呢？显然达尔文的自然选择无法解释清楚这种现象。

这是因为“不可简化的复杂性”，迈克尔・贝希在《达尔文的黑匣子：生化理论对进化论的挑战》中指出分子机器的特征是不可简化的复杂性，由多个相互紧扣且错综复杂的系统组成，各部件共同合作才有作用，反之亦然。上述理论也适用于细菌鞭毛推进器，这个开放且复杂的系统是由40种不同的蛋白质分子组成，每一个分子都扮演着缺一不可的角色，无论缺少其中任何一个成分，那么鞭毛推进器也无法正常工作。

在我们看来，身体上的一些重要器官的建构，像鼻子、眼睛、心脏这些复杂且精细的系统的建构并非一日之功，或是一蹴而就。如同达尔文在《物种起源》所指出的，“这些修饰是微小而缓慢的，进行也不是同时的，因为自然选择只能只是利用微细的、连续的变异而发生作用。”同样，要建造出如此复杂、精细的系统，只有在所有部件都组装好后才有功能。根据达尔文理论，只有具备某些优势，变化中的细菌种群才有可能被留下。我们甚至可以推断地球早期，当一个进化中的细菌以某种方式发育出一条尾巴时，如果这种“创新”带来的后果是不利的，或者时机还不太成熟，那么本着“物竞天择，适者生存”的原则，这条既不会动也没用的尾巴也会被自然界无情的淘汰。唯一可行的办法就是鞭毛能够发挥其作用，并且得到自然界的认可。这也就意味着鞭毛发动机组的全部部件要在一开始就已经可以发挥其功能了。换句话说，只有当鞭毛已经存在且能运作，自然选择才会起作用。

达尔文的理论，对如何创造出复杂的分子机器无法做出解释。他甚至已经提前预知到会有系统给“自然选择”带来麻烦，“如果能证明有任何复杂器官不是经过无数的、连续的、轻微的变异而被形成的，那么我的学说就要完全破产。”[11]在生物学界，一直有两大课题是生物学家研究的对象，一是从已知的生物体到已存的生物体的发展过程，二是最初的生命体是什么，又是如何起源的。显然，达尔文把大多数时间用在了回答第一个问题上，他把地球上生命的历史比喻成一棵枝繁叶茂的大树，大树的从无到有，他也做了似乎相对合理的解释，他认为大树的根基就是最早的活细胞，而树枝、树干和树叶是经过艰辛万苦从早期原生质发展出来的。但是当问到'生命是怎样从无到有'这个起源问题时，他又似乎无法给出合理地答案。唯一能了解到他的观点的，是他写给好朋友的一封信，“最早活的生物的产生，可以从一个想象开始，在某个小池塘里有各种氨气、磷酸盐、光、热和电流，经过化学反应他们生成了一个蛋白分子，而这个蛋白分子还会发生更加复杂的变化”。这里，我们可以看到，生命系统作为大自然最为神秘的系统，与外界进行着物质、信息、能量等交换的同时，又有着自身的发展方向。圣塔菲学者们将其概括为复杂适应系统，从生物学角度看，适应是生物体调整自己以适合环境的过程。而且还将会更好地利用环境以达到自己更多的目的。[12]

4 结语

生命系统的复杂性有着多种特征和表现形式，如自组织、非线性、分岔、非平衡等等，人类从诞生之日起，就开始对其本质进行探索，无论是柏拉图的理念说，还是达尔文的“物竞天择，优胜劣汰”说，任何学说都不能改变生命系统这个大自然中最为神秘的系统，生命系统在与外界进行物质、信息、能量交换的同时，又有其不可改变的自我发展方向。正如细菌“鞭毛”的存在，它是一种自组织现象，也是复杂性适应系统的产物。其形成的过程符合自组织的开放性要求，细菌鞭毛通过这种交换从平衡态过渡到衡态，再从衡态过渡到远离平衡态；环境对其施加作用形成约束，并引起鞭毛细菌的某种反应或响应，这就是适应的过程，也即达尔文“自然选择”的过程，但细菌“鞭毛”本身的存在并非“自然选择”的结果。

“鞭毛”细菌的发现及其机制使我们对达尔文自然选择理论所不能解释的东西有了新的认识，同时也进一步证实了适应性造就复杂性，为人们研究生命复杂系统，重新认识物种起源、生命的本质等重大问题具有非常重要的启示意义。

参考文献

[1]H.哈肯，郭志安译.信息与组织[M].四川：四川教育出版社，1988，29.

[2]埃尔温・薛定谔著，罗来欧等译.生命是什么[M].武汉：湖南科学技术出版社，2003，9.

[3]伊利亚・普利高津著，湛敏译.确定性的终结―时间、混沌与新自然法则[M].上海：上海科技教育出版社，1998-12.

[4]苗东升.系统科学精要（第三版）[M].北京：中国人民大学出版社，2010.

[5]耗散结构出现的条件和一般规律.http：///content/09/0326/09/19446_2921528.shtml[EB/OT].

[6]梯利，葛力译.西方哲学史（增补修订版）.商务印书馆，164.

[7]张志伟.西方哲学史[M].北京：中国人民大学出版社，89.

[8]E・拉兹洛著，闵家胤译.进化――广义综合理论[M].北京：社会科学文献出版社，1988，178-199.

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

[10]王身立.耗散结构理论向何处去：广义进化与负熵[M].北京：人民教育出版社，1989， 203.

[11]达尔文著，周建人，叶笃庄等译.物种起源.上海：商务印书馆1981.

[12]隐秩序.适应性造就复杂性.约翰・H・霍兰著，周晓牧，韩晖译，上海：上海科技教育出版社，2000.8，9.

作者简介：李丹（1983-），女，山西运城人，太原科技大学哲学研究所在读硕士，研究方向为系统科学哲学。

李润珍（1957-），女，山西忻州人，太原科技大学哲学研究所教授，研究方向为系统科学哲学等。

李欢欢（1988-），女，山西运城人，杭州师范大学社会科学基础部在读硕士，研究方向为马克思主义中国化研究。