生命系統的自組織現象探究

李丹　李潤珍　李歡歡

摘 要：系統科學的不斷發展為我們認識紛繁復雜的生命現象提供了廣闊的視野和理論基礎，基于系統科學的研究特點，文章從自組織理論的開放性、與外界物質信息能量的交換著手研究生命系統的復雜性，通過達爾文的自然選擇以及生命體中最基本的單位——細胞中“鞭毛”細菌的機理運行模式對達爾文的進化論進行反思，最終通過霍蘭的“適應性造就復雜性”來理解生命的本質。

關鍵詞：系統科學；自組織；鞭毛細菌；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”在控制著這些系統千差萬別的組織、結構、性質以及性狀等等。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：“如果系統在獲得空間的、時間的或功能的結構過程中，沒有外界的特定干預，我們便說系統是自組織的。”[1]自組織在現實世界中的產生是千差萬別的，無論是在外形、結構、模式或是形態等方面，但是無論如何，都必定由普遍起作用的原理、規律支配著。

2 生命的真相

19世紀以前，科學家們醉心于將生命系統用精確的物理學及物理現象來解釋，他們認為生命體就是有機體，而這些有機體按照精確的物理學定律實現頗有規則、頗有秩序的功能。這與當時科學界崇尚的用物理學來解釋一切學科、系統的大背景是息息相關的。經典的牛頓力學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典力學的定律，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新之源嗎？

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

但限定的標準是有機體處于定態，對于現實中的生命系統而言，它們又是如何在非平衡條件下產生的呢？“自由能”由此應運而生（用公式表達就是F=E-TS，是能量E和熵S的線性組合，而自由能F在平衡態處有最小值，如圖1所示）。[3]根據此公式，可以把能量E作為系統有序的量度，熵S則作為無序的標志，而溫度T則是當系統處于平衡態時，決定E和S相對權重的重要因素。

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

我們可以看到，非平衡可以自發地演化到復雜性增加的狀態。假設有一個化學反應，A、B、C分別是初始生成物、中間產物和最終生成物。在平衡態，有細致平衡（細致平衡是很難實現的微觀可逆反應，它是指反應體系處于平衡時，每一基元反應也必須處于平衡），這其中包括從A到B，又從B到A的許多可逆反應，而對于B和C亦然。A/C在孤立系統的情況下取明確定義的值，即最大熵。現在將他們放在一個開放的系統，并把A、C的值固定。當給定了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平衡，這個解可以延伸到非平衡區域，我們把他稱為“熱力學分支”。（在這里，我們可以看到在曲線d上的每一點所對應的狀態類似于平衡態。）但是，通常在距平衡態的某個臨界距離，熱力學分支會失穩，會出現一些不平衡的行為（參見圖3），而發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定性性質的改變，分叉現象要在控制空間中考察。控制空間中引起分叉現象的臨界點就是分叉點。）[4]

在分岔點之外，會出現一系列如化學振蕩反應等的新現象。我們將其稱為耗散結構。耗散結構形成的條件可以總結為：1.遠離平衡態，這是形成耗散結構的必要條件；2.分叉，耗散結構就是一個遠離熱力學平衡狀態的開放系統，研究的是系統通過“分叉”從混沌、無序到有序演化的過程；3.漲落，漲落在系統處于不穩定狀態的時候，有的時候會起到決定性的作用，特別是巨漲落的出現，會完成從“混沌”到“有序”的突變；4.競爭機制的作用，進化系統選擇的本質是系統在遠離平衡的條件下所發生的耦合作用[5]；

值得注意的是生命系統也滿足這一特征，當我們證實了這種可能性之后，化學振蕩反應的結果成了眾所周知的事實。也就是我們常說的B-Z反應（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，就會看到反應過程中溶液的顏色從無色變為黃色，又變為無色，再變成黃色……十分有規律地變化著，直到反應達到平衡為止，我們可以看到物質在平衡時是“盲目的”，只有在非平衡狀態時，才可以看到這種有規律的變化，我們把系統推向非平衡狀態時，混沌形態特有的分岔就會產生。

2.2 生命系統自組織進化的動力——分岔

在達爾文的《物種起源》還未發表之前，我們依然對生命的起源充滿好奇，并且不斷探索著，柏拉圖認為造物主是根據理念來創造具體事物的，所以事物因摹仿理念而存在。[6]奧古斯丁認為：上帝從無中創造世界，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造物的性質。他的創造是連續的創造，否則世界將趨于支離破碎。[7]1859年，《物種起源》的發表，標志著現代生物進化理論的形成，引發了一場科學上的革命，人們也對科學哲學有了全新的認識。最常被引用的例子，就是達爾文在1831年隨貝格爾號軍艦來到加拉帕戈斯群島時，他發現那里有著身形各異、嘴的形狀不甚相同的13種鳥雀，在風調雨順、氣候適宜的季節，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，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，也就是現在生物學家所謂的“功能優勢”，嘴長、體型小的鳥雀由于饑餓而滅絕了，如果天氣繼續干旱，整個群體的特征隨著環境的改變而改變，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，從簡單到復雜，種類由少到多地進化和發展著。

通常我們想到的分叉都是出現在數學中，而事實上，分叉并非只是一種數學現象，它出現在形形色色的領域中，系統科學家Eo拉茲洛將它總結為三類社會分叉：[8]（1）T分叉——由技術革新造成失穩后引起的分叉。2）C分叉——由戰爭與沖突引起的社會動蕩與分叉。3）E分叉——由經濟危機和生態危機造成的分叉。現實生活中，實際系統的演化過程要復雜的多，會不斷的分叉，不斷地生成新的分支。

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

自組織機制正是通過漲落、分叉而達到有序的狀態，在此機制中，“漲落”處于“誘因”或“觸發器”的地位（系統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、隨機的。）[9]。

在一個結構復雜的新階段的分支點上，在實踐中，甚至在原則上，都不可能預言在多種可能的形態中，它究竟選擇哪一種。普利高津認為歷史是發展的，不斷出現新的情況，新的事物，未來并不完全包含在過去之中。[10]

3 多種不同的研究進路

上世紀30年代，居群遺傳學的研究和發展，使人們認識到自然選擇可以使基因庫發生很大的變化，這種把以“突變、基因漂移以及基因交流”為特征的現代遺傳學與達爾文的自然選擇學說相結合的思想稱之為“綜合進化論”。二十世紀70年代以來，又出現了否認自然選擇進化為主，強調偶然機會或隨機事件作用的“隨機論”和反對漸進的進化模式而強調進化中跳躍模式的“間斷平衡論”。

隨著科技的不斷進步，電子顯微鏡在生物研究領域中發揮著越來越重要的作用，生物學家可以利用它來分辨細菌鞭毛驅動的組成部分和三維結構。研究發現：鞭毛細菌中的有些部件，能以10萬轉/分運轉，且可連接到另一信號感測器上接受到環境中反饋的信號。哈佛大學的郝武德·伯格教授將它稱為宇宙中效率最高的機器，盡管旋轉的如此之快，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動，這類似于摩托艇后面的驅動機，然而轉動的驅動機是怎么通過自然選擇產生的呢？顯然達爾文的自然選擇無法解釋清楚這種現象。

這是因為“不可簡化的復雜性”，邁克爾·貝希在《達爾文的黑匣子：生化理論對進化論的挑戰》中指出分子機器的特征是不可簡化的復雜性，由多個相互緊扣且錯綜復雜的系統組成，各部件共同合作才有作用，反之亦然。上述理論也適用于細菌鞭毛推進器，這個開放且復雜的系統是由40種不同的蛋白質分子組成，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，像鼻子、眼睛、心臟這些復雜且精細的系統的建構并非一日之功，或是一蹴而就。如同達爾文在《物種起源》所指出的，“這些修飾是微小而緩慢的，進行也不是同時的，因為自然選擇只能只是利用微細的、連續的變異而發生作用。”同樣，要建造出如此復雜、精細的系統，只有在所有部件都組裝好后才有功能。根據達爾文理論，只有具備某些優勢，變化中的細菌種群才有可能被留下。我們甚至可以推斷地球早期，當一個進化中的細菌以某種方式發育出一條尾巴時，如果這種“創新”帶來的后果是不利的，或者時機還不太成熟，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揮其作用，并且得到自然界的認可。這也就意味著鞭毛發動機組的全部部件要在一開始就已經可以發揮其功能了。換句話說，只有當鞭毛已經存在且能運作，自然選擇才會起作用。

達爾文的理論，對如何創造出復雜的分子機器無法做出解釋。他甚至已經提前預知到會有系統給“自然選擇”帶來麻煩，“如果能證明有任何復雜器官不是經過無數的、連續的、輕微的變異而被形成的，那么我的學說就要完全破產。”[11]在生物學界，一直有兩大課題是生物學家研究的對象，一是從已知的生物體到已存的生物體的發展過程，二是最初的生命體是什么，又是如何起源的。顯然，達爾文把大多數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，他認為大樹的根基就是最早的活細胞，而樹枝、樹干和樹葉是經過艱辛萬苦從早期原生質發展出來的。但是當問到'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，經過化學反應他們生成了一個蛋白分子，而這個蛋白分子還會發生更加復雜的變化”。這里，我們可以看到，生命系統作為大自然最為神秘的系統，與外界進行著物質、信息、能量等交換的同時，又有著自身的發展方向。圣塔菲學者們將其概括為復雜適應系統，從生物學角度看，適應是生物體調整自己以適合環境的過程。而且還將會更好地利用環境以達到自己更多的目的。[12]

4 結語

生命系統的復雜性有著多種特征和表現形式，如自組織、非線性、分岔、非平衡等等，人類從誕生之日起，就開始對其本質進行探索，無論是柏拉圖的理念說，還是達爾文的“物競天擇，優勝劣汰”說，任何學說都不能改變生命系統這個大自然中最為神秘的系統，生命系統在與外界進行物質、信息、能量交換的同時，又有其不可改變的自我發展方向。正如細菌“鞭毛”的存在，它是一種自組織現象，也是復雜性適應系統的產物。其形成的過程符合自組織的開放性要求，細菌鞭毛通過這種交換從平衡態過渡到近平衡態，再從近平衡態過渡到遠離平衡態；環境對其施加作用形成約束，并引起鞭毛細菌的某種反應或響應，這就是適應的過程，也即達爾文“自然選擇”的過程，但細菌“鞭毛”本身的存在并非“自然選擇”的結果。

“鞭毛”細菌的發現及其機制使我們對達爾文自然選擇理論所不能解釋的東西有了新的認識，同時也進一步證實了適應性造就復雜性，為人們研究生命復雜系統，重新認識物種起源、生命的本質等重大問題具有非常重要的啟示意義。

參考文獻

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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：湖南科學技術出版社，2003，9.

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[8]E·拉茲洛著，閔家胤譯.進化——廣義綜合理論[M].北京：社會科學文獻出版社，1988，178-199.

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

[10]王身立.耗散結構理論向何處去：廣義進化與負熵[M].北京：人民教育出版社，1989， 203.

[11]達爾文著，周建人，葉篤莊等譯.物種起源.上海：商務印書館1981.

[12]隱秩序.適應性造就復雜性.約翰·H·霍蘭著，周曉牧，韓暉譯，上海：上海科技教育出版社，2000.8，9.

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

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

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

“鞭毛”細菌的發現及其機制使我們對達爾文自然選擇理論所不能解釋的東西有了新的認識，同時也進一步證實了適應性造就復雜性，為人們研究生命復雜系統，重新認識物種起源、生命的本質等重大問題具有非常重要的啟示意義。

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[12]隱秩序.適應性造就復雜性.約翰·H·霍蘭著，周曉牧，韓暉譯，上海：上海科技教育出版社，2000.8，9.

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

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

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

“鞭毛”細菌的發現及其機制使我們對達爾文自然選擇理論所不能解釋的東西有了新的認識，同時也進一步證實了適應性造就復雜性，為人們研究生命復雜系統，重新認識物種起源、生命的本質等重大問題具有非常重要的啟示意義。

參考文獻

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[12]隱秩序.適應性造就復雜性.約翰·H·霍蘭著，周曉牧，韓暉譯，上海：上海科技教育出版社，2000.8，9.

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

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

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