“系统中的环路”之一

系统 我们生活的世界充满了系统的身影 钟表由齿轮 发条 钟摆等等组成一个整体 有条不紊的运行 人体则是由各式各样的细胞 分子组成的一套复杂的系统 恒星 行星 组成了星际系统 系统是一件奇妙的事物 蝴蝶效应 一只南美洲亚马孙河流域热带雨林中的蝴蝶 偶尔扇动几下翅膀 可以在两周以后引起美国德克萨斯州的一场龙卷风 就是对大气系统 奇异特性的一种戏剧化描述 也是系统混沌现象的一个典型代表事例 不过 如果我们从最基本的视角来描述系统 可以概括出系统的几个特征 一 系统由相互之间有联系的部分组成 一 系统由相互之间有联系的部分组成 二 系统会从整体上浮现出各个部分所不具有的新的现象 二 系统会从整体上浮现出各个部分所不具有的新的现象 整体大于部分之和 就是描述的这种现象 例如 湖面上的粼粼波浪就是水分子组成一个整体后浮现出来的新 的 波 的现象 三 对第二条稍加延伸 以子系统浮现出来的现象为基础 组成更大的系统后 又以子系统浮现出来的现象为基础 组成更大的系统后 又 可以浮现出另一种新的现象 可以浮现出另一种新的现象 对生命而言 分子组成了细胞 细胞又构成了多细胞生物 每一层都是在下一层的基础上建立起来的 系统有时就像千层饼一样 可以层层叠加起来 不过 层叠也只是简化的理解 现实中的很多系统就像花卷一样 各种层叠可以错 综复杂的交织在一起 例如 对生物圈这个大系统而言 就难以确定出唯一的分层标准 而是 横看成岭侧成峰 从不同的视角就能看到不同的风景 以大小为标准 可以是 分 子 DNA 细胞 多细胞生物 从食物链角度可以是 植物 植食动物 肉食 动物 等等 二 对系统的认识 一 认识的困境 对系统进行详尽的认识是一件困难的事情 举个简单的例子 物理学中对钟摆这一 简单的系统进行充分理解就必须用到数学知识 而数学的运用实际上得由人脑这一高度复 杂的系统参与进来 即使是数学体系也不是一人之力可以创造出来的 是由几代人传承 创新发展出来的 换句话说 是社会这一更加复杂的系统运行的结果 因此 对系统的认识就面临着这样一个困境 对一个系统进行详尽的认识 就难 免需要一个更加复杂的系统参与进来 而这个系统复杂的程度可能要比被认识的系统高很 多 这也是我们在认识生命 社会等系统时所面临的窘境 我们没有足够复杂的系统来 作为认识的工具 因而我们的认识程度往往是粗浅的 局部的 甚至是片面的 二 排列组合 虽然对系统进行详尽认识很困难 但是 如果适当的降低标准 我们还是有很多方 法来认识系统的 一个常用的方法是信息压缩法 对系统以认识时 可以采取某种方式把信息压缩到 可以接受的程度 这个过程会舍弃掉大量的信息 但是如果方法得当的话 还是能够把足 够多的有价值的信息保留下来 人们常用的抽象思维就是使用的这种方法 用概念和逻辑 把事物及事物之间的联系的信息压缩出来 这种方法赋予了人类对自然系统 社会系统等 复杂系统的强大的认识能力 信息压缩的一种典型方法就是 符号 规则 法 语言就是这方面的一个典型代 表 用词汇代表事物 或事物之间的联系 用语法对词汇进行排列组合 这种方法可以对 世间万物进行抽象 甚至可以对世间不存在的事物进行抽象 符号 规则 法之所以具有如此强大的威力 就源于其所采用的排列组合的信 息编码方式 学过中学数学的人都会知道 排列组合中蕴含着数量庞大的可能性 有限的 几个符号的排列组合数量可能就是一个天文数字 这里需要插一句 在语言的 符号 规则 中 词汇并非完全和符号对应 语法 也并非完全和排列组合方式对应 有时词汇代表的是一种组合方式 如 和 如果 就 等等 而语法在一定意义上将往往也是一种符号 它常常代表某种通用的 意义 如 的 字句 我的狗 你的笔 代表的就是一种主从关系 语言的 符号 规则 体系之所以是现在这种复杂程度 其实是为了体现 最简原则 如果语法 和词汇太简单 那么为了对世间那么多的事物编码 有些句子就可能太长了 如果语法和 词汇太复杂 那么人学习起来就会很困难 符号 规则 法的另一个典型的代表就是数学 数学是人类发明的另一种意义 上的语言 这种语言用更为严谨规范的符号和规则体系来对系统的信息进行压缩 进而具 有了一些传统语言所不具有的优势 符号 规则 法一个新兴的代表是计算机程序 计算机程序除了具有与数学体 系相似的严谨特点外 还能自动运行 不再像语言和数学一样必须依赖人脑这一运行核心 事实上 符号 规则 式的排列组合法并非只有人类在用 大自然也在用 DNA 就是运用排列组合法压缩了生命体庞大的遗传信息 排列组合法的奇妙之处就在于 它在对已有的系统进行编码的同时 也具备了对并 不存在的系统进行编码的潜力 这就是大自然和人类具有强大创新能力的原因之一 三 反馈 反馈 是简单系统对复杂系统加以认识和运用的另一种很有效的方法 人的手之所 以那么灵巧 能够快速准确的抓住一件物体 一个关键的原因就是人的手 眼和脑建立了 一套反馈系统 当手去抓一件物体时 手的位置 动作的偏差就会被眼睛观察到 进而通 过大脑反馈给手 把偏差调整过来 我听过这样一个故事 不知道记得是不是准确 有一家轧制钢板的工厂 为了能 够轧出厚度均匀的钢板 请了很多工程师来设计精密 坚固的轧钢机 可是轧出的钢板总 是由于这样那样的原因产生厚度的偏差 最后这一难题被一种简单的装置解决了 安装一 种能探测轧出钢板厚度的探测器 然后用探测器反馈的信息来调节轧钢板的滚轮之间的距 离 反馈 就是用这样一种方式来控制复杂系统的 只要在关键的一对因素之间建立 起反馈 那么不管参与到这个系统中的因素到底有什么 我总是能得到我想要的东西 三 环路 一 熵 先概括一下这一节的主要内容 系统具有从有序变为混乱的内在秉性 这就是熵 系统的混乱程度 增大原理 下面的内容有点抽象 如果觉得读起来让人头疼 那么看完上一句话就可以了 系统是多种多样的 系统中包含的信息往往也是纷繁复杂的 但是如果我们把系统 的信息压缩到最简化的程度 就可以对系统做一个概括性的描述 如果我们把系统中某一个部分 记为 a 的某一个行为用一个事件 记为 A 来代表 那么由于系统各个部分是有联系的 事件 A 就可以引发另一个事件 B 记为 A B 而 B 的作用范围 b 就有可能与 a 不同 B 会进一步引发 C 以此类推 形成 A B C D E X 的链条 这里插一句 现实中 系统各个部分之间往往是相互相互联系的 也就是说 A B 作用 的部分之间不是单向的影响 而是相互作用 所以 A 引发的事件 B 的作用范围是包含 A 的 也就是 a 包含于 b 记为 a b 也就是说 a 部分的行为在另一个部分产生影响后 a 并 非是完全不受影响的保持原来的状态 于是 A 事件的影响范围就是包括 a 在内的一个更大 的范围 于是就形成了 a b c d e 0 我们可以称这种环路为正环 正环有这样几种情况 如果 1 A 就会变的 越来越大 如果 1 A 就会保持原样 但实际中这种现象不太可能在系统中存在 因为这 样实际上 A 就成为了一个孤立的事件 与系统之间的互动消失了 实际中的情况往往是 1 即 围绕 1 波动 总的效应大约是 1 如果 0 1 那么 A 就会逐渐变小直至消失 如果 0 就代表环路不存在 如果 1 那么系统局 部 a 的 A 事件就会越来越强 那么预测 a 部分的行为就不是不可能的了 这是一种与熵增大原理相反的效应 它同熵增大原理一样是复杂系统的一个内在秉 性 只要系统够大够复杂 产生环路就在所难免 我们所见到的大自然到处都有正环的身影 万有引力导致宇宙中物质密度越大的地 方越容易聚集更多的物质 最终产生了各式各样的星体 生命的繁殖特性使其可以不停的 复制 一个个体产生多个个体 于是我们的星球充满了各式各样的生命 所以 在自然界中看到各种各样的秩序的身影也就不足为奇了 四 负环包含正环 前面说过 负环有一个奇特的性质 就是震荡 如果负环中蕴含有正环 那就是一 个更奇特的现象 例如波的本质就是可以复制 正环 的振动 负环 在介质中一个局部 的振动被临近的局部所复制 于是蔓延开来 物理学告诉我们 物质即是粒子也是波 波 这一属性深深的埋藏在世界的基石之 中 五 正环包含负环 如果正环中包含有负环 同样也会是一种奇特的现象 生命现象是一个正环 繁殖 复制 但是其中包含有一个重要的负环 就是进化 进化的标准就是生存 偏离这一标准 的个体就会被消除 生命于是围绕生存这一标准来回震荡 最终演绎出了一个精彩的生物 世界 六 环环相扣 现实世界中 各种各样的环路往往交织在一起 形成复杂的相互联系 而环路则成 为一种逆 熵 而行的动力 驱动着这个世界 对现实世界中的复杂系统进行分析 环路是动力系统的起点 就像汽车心脏 发 动机一样 从系统的 发动机 出发 是一个可以选择的思路 三 环与生命 一 步进 前面讨论过 系统中环的出现使系统的某一局部或某一方面浮现出了有序性 而系 统的浮现特性还可以产生层叠 即以浮现的现象为基层 又可以浮现出新的现象 层叠可以不但表现在空间上 也可以表现的时间上 以生态系统的群落演替为例 一片山坡上的丛林可因山崩全部毁坏 暴露出岩石面 但又可经地衣 苔藓 草类 灌木和乔木等阶段逐步再发育出一片森林 包括重新孕育出 土壤 复杂系统的这种在时间维度上的层叠现象使系统具有了步进的特性 即系统中的有 序结构可以按照一定的顺序一步一步的演化 生命才出现 就是系统步进特性的一种体现 这一点 进化论已经为我们展示过了 三 合作之环 在系统中 如果事件 B 也可以加强 A A 也可以加强 B 即 A B A B 那么 A 与 B 就会结成一个自我加强的整体 将这个整体称为 Y 即 Y Y 形成一个正环 这就是合作之环 我们知道 世界是由原子构成的 原子又构成了分子 如果原子构成了合作之环 就有可能是以某种能够自我加强的分子结构的形式出现 结成分子可能不是原子构成合作 之环的唯一选择 生命 可能就是以这种自我加强的分子结构出现的 而分子如果构成构成了合作之环 就有可能是以某种能够自我加强的物质结构的形 式出现 细胞 就是一种自我加强的物质结构 当然 不是唯一的自我加强的物质结构 三 复制之环 我们所熟悉的生命形式是基于细胞 DNA 等基础的 也许 生命的开端要大大早于细胞等结构的出现 复杂的系统中会形成种种环路 环路会成为一种内在的动力驱动系统朝着某一有序 的方向发展 复制就是一种环路 一种物质结构一旦具有了自我复制的能力 那么一生二 二生三 进而生生不息的进程就开始了 这里插一句 也许复制之环的形成是自然系统很多层层叠之后的结果 也许复制之 环是前面很多环路之中的一环 例如合作之环 自我加强的分子结构可能不只复制这一种 选择 复制机制赖以启动的大分子可能是来源与另一加强机制 而且 复制机制也可能并 非从 可复制大分子 开始的 可复制大分子 可能是一个更为庞大的复制之环中的一步 是复制系统步进的结果 但我们把复制之环作为生命的起点是一个不错的选择 因为复制这一特性深深的隐 藏在我们所熟悉的各种生命形式之中 是生命的最基本的秉性 也就是说 复制一旦开始 生命就开始了 刚开始的生命很有可能十分脆弱 复制之环内在的 值是远大于 1 的 单纯的复制是 以指数形式增加的 但自然系统中会有各种各样的因素干扰复制进程 一旦干扰的负面因 素过强 值归零 复制的进程就被终止了 很多很多复制进程被终止 然后又在这样那样的条件下 又有新的复制进程启动了 一次又一次 慢慢的 有些更抗干扰的复制模式生存了下来 抗抗干扰能力越强的复制模 式存在的时间就越长 这就是最原始的进化过程 前面讨论过 进化是一种包含在复制这种正环之中的负环 这种负环是生命的第二 个基本秉性 但是选择一个好的复制模式 生存足够长的时间 仅仅靠随机的尝试 成功的概率 是极低的 我们的地球上 甚至是整个宇宙中 各中各样的复制之环总是会难免被启动 但我们迄今为至所见到的真正可以延续很长时间 并且仍在延续的生命形式从根本上说是 如此相似 以至于很有可能是开始于同一个开端 并且我们至今仍未在地外星球上发现生 命 由此可见这种概率低到什么程度 当然 从另外一个角度来说 延续时间越长的复制模式 在所有可能出现的复制模 式之中占的比例越小 像我们这种延续了这么长时间的生命 出现的概率非常小也是可以 理解的 四 积累之环 评价一个事件是不是能自我加强 可以有很多种不同的标准 不管我们所采用的标 准是什么 只要这个事件能够把朝向这个标准的现象积累起来 把背离各个标准的现象削 减掉 那么以这种标准来看 这个事件就是自我加强的 这就是积累之环 积累之环似乎既是正环 加强符合标准的现象 又是负环 减少不符合标准的现象 进化 就是以生存为标准的积累之环 生命中的另一个极为重要的积累之环是有性繁殖 有性繁殖可以借助进化机制把有 利于生存的特征保存下来 并不断积累 从生物个体角度讲就是在同一个体身上保存越来 越多的有利生存的特征 从群体角度讲就是把生存能力强的个体保留下来 而把不利于生 存的特征淘汰掉 有性繁殖是一种很有效的积累之环 可能对建立延续时间越长的复制模式起到了决 定性的作用 也许有性繁殖早在细胞 DNA 等事物之前就存在了 因为 DNA 这一事物看 起来几乎是为有性繁殖量身定做的 很像是有性繁殖的生命系统步进的一个结果 另外 从一定意义上讲 我们所熟悉的细胞结构 也像是为 DNA 这一事物量身定做的 五 环的层叠 无论是合作之环 复制之环 积累之环 在生命的发展历程中不止一次的改头换面 的出现 合作之环 大分子是原子的合作 细胞是大分子 还包括小分子 原子等 的合作 多细胞生物是细胞的合作 群体是个体的合作