06自组织

第六讲自然界的演化规律自组织所谓的自组织是指，其特定的结构和功能的形成不是按照某种指令来完成的，而是由于系统内部各要素彼此之间具有协调、相干或自发的默契行为，那么这种形成特定结构与功能的过程就叫做自组织。自组织理论自组织理论包括耗散结构理论、协同学、混沌理论、超循环理论等。这些理论尽管研究的具体对象和依据的理论背景各不相同，但是它们共同主题就是力图揭示自然物质系统演化过程中普遍存在有序状态和无序状态相互转化的机制和条件。自然界中存在的两对矛盾一、牛顿力学与热力学第二定律之间的矛盾牛顿力学是“关于存在的物理学”，热力学第二定律是“关于过程的物理学”dS=dQ/T表示系统混乱度、无序程度的物理量克劳修斯玻耳兹曼二、热力学第二定律与达尔文生物进化论之间的矛盾可逆与不可逆：一个系统经过某一演化过程，从某种初始状态达到另一状态，如果存在着另一过程，使该系统与外部环境完全回到原来的初始状态，则原来的过程称为可逆过程，或称该过程可逆。如果不存在使该系统与外部环境完全复原的过程，则原来的过程称为不可逆过程，或称该过程不可逆。不可逆与时间之箭：可逆意味着时间流逝没有实质的物理意义，意味着演化不存在。在现实的自然物质系统中，不存在严格的可逆过程。热传导、化学反应、分子扩散、物种进化都是不可逆过程。不可逆使演化成为可能，不可逆演化的方向就是时间箭头。熵有序无序克劳修斯热力学第二定律表明孤立系统的熵自发地增加到最大值。熵是系统无序程度的表征。对于开放系统，有dS=diS+deSdiS为系统熵增，diS0；deS为熵流，deS0或deS0若deS0，即负熵流，且|deS|diS则dS为负值，即系统的熵减少，有序程度提高。进化与退化进化一般是指系统演化由无序到有序、由低序到高序的趋势和过程。退化一般是指系统演化由有序到无序、由高序到低序的趋势和过程。热力学第二定律反映了孤立系统的退化，并由此得出“宇宙热寂”的结论。进化论揭示了生物由低级向高级进化的过程。因此，热力学与进化论存在着矛盾。现代宇宙论描述的也是一个进化过程。耗散结构理论比利时物理学家普利高津一个远离平衡态的开放系统，可以不断地与外界交换物质、能量和信息，在外界条件达到一定的阈值时，从原有的混沌无序状态进化成时间、空间有序状态。所谓的“耗散结构”，就是指这种在远离平衡条件下所形成的新的有序结构。研究耗散结构的理论就叫耗散结构理论。耗散结构理论的形成：1969年普利高津（IlyaPrigogine）在“理论物理与生物学”国际会议上首次提出。普利高津考察了贝纳德效应：贝纳德蛋卷tc硅黄贝纳德花纹“B—Z”反应1950年，前苏联化学家贝洛索夫(Belowsov)做了一个振荡化学实验。1960年，扎鲍廷斯基(Zhabotinski)继续了这一实验。形成耗散结构的条件：（1）开放系统，有负熵流入；（2）远离平衡态；（3）系统各要素之间存在非线性相互作用；（4）随机涨落；（5）涨落被正反馈放大。对于开放系统，有dS=diS+deSdiS为系统熵增，diS0；deS为熵流，deS0或deS0若deS0，即负熵流，且|deS|diS则dS为负值，即系统的熵减少，有序程度提高。正反馈、负反馈CH3COOCH3+H2O=CH3COOH+CH3OH正反馈耗散结构理论在方法上的创新与突破:1、揭示了由无序转化为有序的机制。2、揭示了自然界中进化与退化的辩证关系。进化与退化是相互转化、相互包含、相互制约的。3、丰富了对可逆与不可逆过程的辩证关系的认识。作为自组织的耗散系统的生命生命系统是一种具有耗散结构而远离平衡态的开放系统，它必须不断地从外界获得食物或依靠外界的能量而自行制造食物，并把“废物”和“废热”排到环境中去，使自身的有序程度提高。新陈代谢中的本质的东西，就是使有机体成功地消除了当它自身活着的时候不得不产生的全部的熵。阈值涨落引起不稳定性，形成新的耗散结构熵产生增加用耗散结构理论解释前生物进化协同学1969年德国物理学家哈肯协同学综合地考察了自组织发展的各种内部因素的作用，发现了系统内部大量子系统的竞争、合作产生的协同效应，以及由此带来的序参量支配过程，是系统自组织的动力。1、竞争与协同竞争,是系统间或系统内各要素或各子系统间相互争胜，力图取得支配和主导地位的活动与过程。协同，系统中许多子系统的联合作用。各个要素之间，或各个子系统之间在演化过程中存在着联接、合作、协调与同步行为。2、序参量与支配过程快变量慢变量序参量混沌理论——自组织演化的复杂性混沌理论是20世纪60年代开始发展起来的。主要创始人洛仑兹(E.N.Lorenz）。混沌（chaos）的涵义：混沌是一种确定的系统中出现的无规则运动。一个过程看起来是随机发生的而实际上其行为却由精确的法则决定。包含着丰富的产生有序能力的系统处于最无序状态。倍周期分岔柯赫曲线分形自相似分维丢勒图形蝴蝶效应在巴西的蝴蝶拍打翅膀会引发得克萨斯州的一场龙卷风吗？混沌态是指具有确定演化规律却无法预测其演化结果的系统。混沌态的动力学方程对初始条件极其敏感，微小扰动会导致定性不同的结果。由于大气环流是一个混沌系统，因此长期天气预报是不可能的。超循环理论——自组织演化的形式艾根德国化学家循环是一种普遍的客观现象。由A和P组成的系统，AP，宏观地看，系统内部各要素之间的线性或非线性相互作用就成了循环组织形式。平衡循环是一种可逆循环，是一种“死”系统。AP远离平衡的开放系统1、反应循环SP2、催化循环以反应循环作为子系统，这些子系统循环地联系起来，构成了反应循环的循环系统。催化循环已是一种自复制系统，具有自复制能力。AE或A+E2EESEPEPSEE3、催化超循环以催化循环为子系统，这些子系统通过功能的循环联系而联接起来，就会聚成更高一级的循环组织。在超循环中,每个子系统既能指导自己的复制,又能对下一个中间产物的产生提供催化支持。具有整合性，允许相互竞争的子系统之间形成协同作用。用超循环理论解释生命起源在前细胞进化中，随着足够复杂的蛋白质和多核苷酸分子的形成，自复制的超循环可能起到决定性的作用。自然观在自然科学研究活动中的作用1、自然观为科学理论的建构提供总的蓝图，提供哲学背景。2、自然观为科学方法提供合理性依据。3、自然观对认知价值观的形成和取向有一定的影响。