自然系统的演化发展

第三章自然系统的演化发展授课教师文法学院刘国建18世纪中叶以来，随着近代自然科学的发展，有关自然界历史演化的观点开始形成。自然界的历史性被科学发现逐步揭示出来，成为自然界历史观产生的科学前提。最早把历史观引入对自然界研究的是康德。1755年康德出版了《宇宙发展史概论》，提出了有关太阳系来源的星云假说，这是天文学史上第一种比较完整的天体演化学说。继康德之后，赖尔把历史演化的观点带进了地质学，提出了地质渐变论。这个学说使人确信，“不仅整个地球，并且地球今天地表面以及生活于其上的植物和动物，也都有时间上的历史。”1859年达尔文出版了《物种的来源》，从科学的角度提出了生物进化论，揭示了整个生物界的历史性。恩格斯在《自然辩证法》等著作中系统总结了当时自然科学的新成就，从不同角度分析了这些成就对自然界历史观确立的重大意义。一、自然界演化的图景自然界的演化重要是由宇宙的来源、地球的来源、生命的来源和人类的来源构成的。合称为“四大来源”。1、宇宙的来源和演化按照当代宇宙学中最有影响的大爆炸宇宙论和暴胀宇宙论，宇宙来源于大概150亿年前的一次大爆炸。宇宙大爆炸之初，是一种高温、高密度的“奇点”。从大爆炸开始至10－43秒（普朗克时间）之间有一种过渡的混沌状态，它包含有随机的量子涨落以及由初始状态的一种临界不稳定性造成的许多被称为“泡沫”的区域。随着宇宙的膨胀，温度的下降，宇宙进入到一种叫做“假真空”的状态，这种“假真空”不同于真的物理真空，它含有巨大的负压力，引发引力排斥效应，使宇宙从大概10－35秒后发生按指数急剧的膨胀即所谓“暴胀”，以致宇宙在这一极短的时间（10－35－10－32秒）半径增加了约1050倍。在暴胀结束后（10－32－10－6秒），宇宙进入对称破缺阶段，由“假真空”态转变为“真真空”态，其多出的能量释放出来，在“真真空”中产生了诸如夸克、轻子之类的最基础的基本粒子，标志着宇宙的诞生。而随着宇宙温度和密度的逐步减少，宇宙又经历了下列几个演化阶段：（1）基本粒子形成阶段。（2）辐射阶段或核合成阶段。这个阶段从宇宙时为1秒开始持续到一万年。（3）实物阶段。宇宙时一万年后，形成稳定的原子。大概在宇宙时70万年左右形成原子星系。当宇宙时为50亿年时，开始形成第一代恒星。恒星的演化，按现在广为接受的弥漫说，普通经历四个阶段：引力收缩阶段；主序星阶段；红巨星阶段；脉冲星阶段或暴发阶段和高密阶段。在恒星演化的特定阶段和特定条件下，在宇宙之一隅出现了太阳系以及作为太阳系一种组员的地球。观看科教片《宇宙与人》2、地球的来源和演化首先是地球内部圈层的形成和演化。按照“冷”来源说，形成原始地球的那部分物质的温度开始时比较低，后来在多个因素作用下，重元素下沉形成地核，轻元素上浮形成地幔。另首先是地球外部圈层的形成和演化。由于地幔物质增温，被禁锢在地幔物质中的一氧化碳、甲烷、氨等气体逸出地表。形成原始大气圈。早期的大气中含有大量的水汽，由于地表温度下降，水汽便凝结成雨降到地面。通过漫长的地质年代形成了海洋，集聚在大陆上的水形成江河、湖泊以及地下水。这些水息息相通，形成持续的水圈。这样，就形成地球的内三圈（地核、地幔、地壳）和外三圈（岩石圈、水圈、大气圈）。生命形成发展后尚有生物圈。再次是地壳运动。根据板块学说，整个地壳被划分为若干个大的板块，板块驮在地幔软流圈之上，随着软流圈的热对流发生移动，由板块的水平运动控制的垂直运动造就了丰富的地貌。3、生命的来源和进化原始生命的来源和发展需要通过化学进化和生物进化两个阶段。生命来源的化学进化阶段，普通认为在地球诞生之后大概十多亿年的时间。生命来源的化学进化过程大致经历了以下四个阶段：（1）从无机小分子合成有机小分子（2）从有机小分子合成生物大分子（3）从生物大分子构成多分子体系（4）从多分子体系演变为原始生命。如果把演化比作赛场，将寒武纪生命大暴发的不同动物门类与现生动物门类进行对照，人们不难发现，在漫漫五亿数年的时空之旅中，曳鳃动物、星虫动物、箭虫动物、尾索动物和海豆芽等则恪守祖先的原本，忠诚地将祖先的特性、体态、行为和生活方式一代又一代遗传下来。而节肢动物始终在快跑，脊椎动物先是慢走，后来急起直追，沿着鱼类、两栖类、爬行类和哺乳类的方向演化，最后由哺乳类动物分化出了人类。呈现了生命的波澜壮阔、多彩多姿。4、人类的来源和进化人类是从脊椎动物灵长目中的猿分化出来的。劳动是促成这一进化的重要条件。能制造工具的人类大概出现在距今300万年前。人类的来源和进化大致上分为下列四个阶段：（1）类人猿：在1400万年前。能使用天然工具，但还不会制造工具（2）猿人：大概生存于距今300万到30万年前，是人类的直接祖先，他们已能制造石器，（3）早期智人（古人）：大概出现于20多万年前，他们学会了人工取火，（4）晚期智人（新人）：大概出现在4－5万年前旧石器时代晚期，能够布置陷阱捕获猛兽，能够摩擦取火，用兽皮等做简易房屋。视频资料:亿年的演化点击图片－启动视频如今，人类已经能够在分子水平上通过基因工程来“修改”生命，甚至发明出新的生命形式。当代生命科学已发展到足以改造人类本身，变化人类的自然本性的程度。它已经能够在以下不同层次上对人的生命载体进行技术操作：一是对外形的“修改”或“补充”，如五官整形、断肢再植等；二是对体内器官的治疗和移植，涉及天然器官和人造器官的移植；三是在细胞水平上的操作，诸如体外受孕、试管婴儿，以及涉及生殖细胞和体质细胞的克隆技术等；四是在分子水平上的操作，如现在正在实验的基因治疗以及通过对人体基因组的修改来改善人的生命质量，使人类发生物性的新进化。英国出名哲学家斯宾塞选择了生物进化论向上延伸的演化方向，而对热力学第二定律持续熵增的演化方向不予理睬。而德国物理学家克劳修斯则将热力学第二定律推广到宇宙的演化，他认为整个宇宙必然遵照熵增原理，随着熵的不停增大，宇宙中一切机械的、物理的、化学的、生命的等运动形式都将转化为热运动形式，而热又总是自发地由高温部分流向低温部分，直到温度到处相等的热平衡状态（此时宇宙的熵趋于极大值）；宇宙一旦达成这一状态，任何进一步热交换都不会发生了，于是宇宙就进入到一种热平衡的死同样沉寂的永恒状态。这就是出名的宇宙“热寂说”。对于宇宙“热寂论”，恩格斯曾经作了这样的分析批判：第一，按照“热寂说”，“宇宙钟必须上紧发条，然后才干走动起来，始终达成平衡状态，而要使它从平衡状态再走动起来，那只有奇迹才行。上紧发条时耗费的能消失了，最少是在质上消失了，并且只有靠外来的推动才干恢复。因另外来的推动在一开始就必需的。”这就是说，“热寂论”必然造成神秘的“第一推动”。第二，恩格斯指出，宇宙的运动在质上与量上都含有无限转化的能力，“放射到太空中去的热一定有可能通过某种途径”，“重新集结和活动起来”，并预言往后的自然科学将“指明这一途径”。

英国物理学家麦克斯韦、德国物理学家普朗克和玻恩则指出，“热寂论”是对孤立系统的认识中导出的热力学第二定律不加限制地推广到全宇宙的成果。麦克斯韦和玻尔兹曼还意识到自然界中存在着与熵增加相拮抗的事实，并试图阐明这种机制。1944年，德国物理学家薛定谔在《生命是什么》一书中指出，如果有一种机构，它是一种开放系统，能够不停地从外界获得并积累自由能，它就产生“负熵”，生命有机体就是这种机构。薛定谔写道：“要摆脱死亡，就是说要活着，惟一的方法就是从环境中不停地汲取负熵”，并提出“有机体就是以负熵为生的”的出名论断。1969年，比利时科学家普利高津发现，在不违反热力学第二定律的前提下，自然系统能够通过自组织过程而从无序演化为有序。指出一种处在远离热平衡态的开放系统（无论是力学的、物理的、化学的，还是生物的），通过与外界环境交换物质、能量和信息，能够从原来的混乱无序的状态，转变为一种在时间、空间或功效上有序的构造。至此，人们终于搞清晰了进化与退化两个方向之间的矛盾只是表面现象。进化的系统不是封闭系统，宇宙的演化并不指向宇宙热寂状态。自然界的演化，现有进化，也有退化，只有在两极的对立统一之中才干真正把握。二、自然界演化的方向性1、序、无序、有序、混沌和负熵流“序”是描述客观事物或系统内部构成元素之间互有关系的范畴“无序”是指客观事物或系统内各构成部分之间联系、组合或运动的无规则性和不拟定性。“有序”指的是客观事物或系统内各构成部分之间联系、组合或运动，在空间、时间、构造功效等方面显示出一定的次序、规则，含有某种拟定性、方向性和规律性。系统的对称性破缺状态对应着有序，自然系统的有序化是对称性破缺的成果，正是由于对称性破缺才使系统向有序化、组织化、和复杂化演化。“混沌”是系统演化的一种方向；混沌并不等于混乱，也不是无序，是拟定系统内在随机性，是看起来杂乱无章的有序状态，或说是装扮成无序的有序。是无序与有序的统一。“熵”是系统科学的序的标度，熵是无规律程度的测量，因此负熵流或信息量是系统有序性或组织性的测度。2、进化与退化的对立统一进化和退化是自然界中广泛存在的两种趋势和过程。进化与退化之间含有统一性。这种统一性重要体现在下列几方面：（1）进化与退化互相包含。以进化为主的过程往往内在地包含着退化。同样，以退化为主的过程也经常内在地包含着进化。生物进化含有不可逆性，灭绝的物种不可能重新出现，但是生物进化之中也有退化，某些构造和功效的进化，同时也就意味着另某些构造和功效的退化；返祖现象的出现，也是生物进化之中的退化。（2）进化与退化同生共存。进化与退化经常是同时存在和同时发生的。它们往往是一种过程的两个方面。理由在于，一种系统有序程度的提高，需在以负熵流的引入为代价，这相称于系统把熵增转移到了环境之中。或者说系统的进化是以环境中某些方面的退化为代价的。（3）进化与退化互相转化。进化过程在一定条件下会转入退化，而退化过程在一定条件下也能够转入进化。3.演化方向的普通特点（1）自发性。进化和退化都是事物的自我运动、自我否认。它们不是根据外界的指令而变化，而是在一定外部条件下根据本身内在的机制进行自组织或崩溃。（2）稳定性重建。当原有事物出现失稳状况时，系统才会进入进化或退化过程，其成果是新的稳定状态确实立。（3）间断性。进化和退化重要是在持续性中断中实现的，进化或退化的完毕往往要通过突变。固然，间断性并不意味着没有任何中间阶段，但这些中间阶段的稳定性没有确保。三、自然界演化的自组织机制1、自组织自组织是指没有外界的特定干预，在开放的背景下，外部提供一定的条件下，系统的要素按彼此的相干性、协同性或某种默契，自发地形成一定构造和功效的过程和现象。自组织普通包含着三类过程：由非组织到组织的过程演化；由组织程度低到组织程度高的过程演化；在相似组织层次上由简朴到复杂的过程演化。2、自组织理论：

系统进化的机制和条件自组织理论是一种学科群，其中最具代表性的有耗散构造理论、协同窗、超循环理论、突变论。多个自组织理论尽管背景和对象有很大的差别，但都试图解决一种普遍性的问题，即从无序走向有序的条件和机制问题，并获得了不同程度的成功。这些理论从不同侧面揭示了在远离平衡条件下的开放系统形成有序构造的可能性。（1）开放是系统进化的先决条件普利高津指出，一种系统的熵变（dS）是由两方面的因素引发的，一种因素是系统与环境互相作用中交换的熵（dSe），称外熵流，另一种因素是系统内部自发产生的熵（dSi），称熵变。系统总熵为：dS=dSe+dSi对于孤立系统，由于系统和环境之间没有物质和能量的交换，也就不可能产生熵的交换，（dSe）＝0，因此，dS=dSi＞0，这就是克劳修斯提出的热力学第二定律。＞0

＝0

＜0dse这里：dsi＞0对于开放系统，由于系统和环境之间存在物质和能量的交换，这就会同时产生熵的交换，使得dSe≠0,系统的总熵变就会出现下列四种状况：当dSe＞0时，dS＞0，系统加速走向无序化当dSe＜0，且｜dSe｜＜dSi，则dS＞0，系统仍沿着熵增方向走向无序化。当dSe＜0，且｜dSe｜＝dSi，则dS＝0，系统宏观构造不变。当dSe＜0，且｜dSe｜＞dSi，则dS＜0，系统将沿着熵减方向走向有序化。（2）非平衡是有序之源在近乎平衡态的状况下，即使系统开放，它也会返回平衡态的。“非平衡是有序之源”，只有非平衡态才干造成有序，形成稳定的有序构造。如何实现系统的非平衡态呢？通过来自外部环境的物质流、能量流以及随着而来的信息流的输入，将系统驱使到远离平衡状态。因此，开放系统就是借助于外部环境输入的负熵以克服、抵消系统内部的增熵。是自然系统自组织得以形成的首要条件（3）非线性机制是系统进化的内在根据非线性互相作用是自然演化的内在机制，是含有相干性的耦合，这种耦合使各要素间产生相干效应与协调动作，从而造成系统内要素独立性的丧失和新质的出现。那么，系统在如何的状况下才干实现非线性互相作用呢？这就要取决于系统与否远离平衡态。在平衡态和近平衡态，系统内部的互相作用是一种线性互相作用，而在远离平衡态时，系统内部的互相作用转变为一种非线性的机制，在这种互相作用下，系统体现出对多个扰动的高度敏感性，一种轻微的扰动都可能被系统响应、放大而涉及整个系统，从而迫使系统向着某个新的构造演化。系统的非线性作用产生的相干效应、分岔效应、临界效应是系统存在和进化的重要前提和基本机制。（4）正反馈放大作用机制自然系统进入自组织，必须存在一种反馈通道，它能够通过正反馈的方式放大系统的某种波动或起伏，从而产生新质，加速系统的自组织。例如在都市发展历史上，如果由于某种因素而使某个地方经济发展水平稍高某些，那么它将提供更多的就业机