人类健康学(一)解读

1、人类健康学自工业革命以来，人类社会发生了一系列人类几千年来不敢想象的巨大变 化，创造了一系列令人震惊的技术奇迹，创造了人类几千年都没能创造的“财富”。 这些技术和“财富”，渗透到了人们生活的方方面面，甚至渗透到了人们的灵魂 深处：人类一直在孜孜不倦地一往直前、 永不停止地追求着新的技术，为了更加 省时，为了更多的“财富”，为了消灭“疾病”。但事实是现代人被各种铺天盖地 的信息和事物所包围，而留给自己思考的时间却越来越少， 财富不知何时才能满 足，疾病越来越多、越来越复杂、越来越难以对付。任何人都不能否认工业现代 化带给人类的新生活，但我们在此基础上，理应生活得更加健康和幸福。人类在应付疾病的方

2、面，除了疾病的治疗以外，必然还会思考如何使疾病不 发生，这就是预防医学。但是，再进一步，人类是否可以有更高的战略思路：不 以疾病为着眼点，而是直接考虑人类健康状况的保持；同时，如果能找出健康保 持的规律，这将对疾病的发生发展规律有进一步的认识，从而可以更加全面、更加主动、更加积极地促进人类的健康。健康保持研究与近现代医学研究有着根本的区别。人类健康状态的保持，是 一种策略。健康保持的科学研究和医学研究的根本区别在于，近现代医学研究的对象一一疾病，是一种可以看得见、摸得着的，可以通过实验室展开实验分析的， 而健康科学研究的对象是一种状态， 即人体稳定而有序运行的状态，不是一个可 以看得见、摸得着

3、的实体。健康状况保持研究，不是研究人体本身（研究人体本 身的发生发展规律的科学体系为生命科学体系， 如：生理学、解剖学、生物学等）， 而是一种研究“关系”的科学，即研究人体和宇宙大自然、研究人和社会、人和 人、人体内部各种关系的科学，是研究这些关系如何和谐而稳定地运行。人类把 握了这种运行机制，自然就掌握了躯体健康保持的部分规律， 从而更为主动、自 觉地吻合这种规律，实现自身最大限度的健康保持。当然，健康保持的研究是基 于人体个体的自身客观条件为基础的。 在一个个体诞生后，其基因对其自身的根 本特性有基础性的决定作用，如：性别、体格、性格、遗传疾病等等。健康研究 是在基于这些基因决定的健康的基

4、础上展开研究，是良好健康状态保持的研究。这种以健康保持为出发点和落脚点的科学研究是人类科学发展到现在的必 然。现代科学的发展，特别是相对论、量子学说、自组织非线性科学理论的提出 和发展，为人类认识世界、认识宇宙、认识自身提供了新的视角。这些理论的发 展、完善以及运用，必将改变人类的思维方式、生活方式、经济运行方式。人类 健康状况保持的科学研究也是在这些理论特别是自组织非线性科学的基础上展 开的。研究表明，世界是个复杂系统，这个复杂系统是个不可分割的整体，我们 人类个体是这一整体中的一部分。 研究人类个体的健康保持，必然要将个体放置 于这个整体中去研究；同时，每个生命体也是个复杂系统，研究个体的

5、健康保持， 也必然要以复杂性的思维范式来展开研究。 而复杂性式有其自身的运行规律一一 即非线性的、突变式的发生发展规律，并不是以往我们认为的线性的发生发展规 律。健康保持的研究，就是以这样的理论为基础展开。第一篇：基础理论近代的研究发现，大自然中与生命相关的过程均是复杂性的， 人体的健康不 仅与自身的各种生命活动相关，而且与大自然整个生态系统均息息相关， 是一个 庞大的复杂系统。以牛顿经典力学为代表的近代科学，确立了现实世界简单性的 信念，这个传统一直延续到20世纪初，而到了 20世纪60年代以后，简单性观 念和方法受到冲击，所谓简单系统和简单过程其实并不简单。现代科学所面临的 是简单性思想和

6、方法无法处理的复杂对象。因此，产生了一系列对复杂系统的科 学研究与探索，并形成了一系列新的理论，在探讨生命与健康的本质上得到应用。这些理论的形成与发展使世界观发生变化， 还原论与破碎性的观点已经不适 用于具有整体性的复杂现象的研究。经典科学的机械论的世界观认为事物的运动 都是由必然的规律决定的，因此宇宙在本质上是井井有条、 严格有序的，无序性 是表面现象，相对论与量子力学的提出打破了这一观点。莫兰在其著作中提出： 世界既不可能是纯粹有序的也不可能是纯粹无序的， 因为在一个只有无序性的世 界里任何事物都将化为乌有而不可能存在， 在一个而只有有序性的世界里，万物 将一成不变,不会有新东西发生。所以

7、世界的基本性质是有序性和无序性的交混， 而这正构成了它的复杂性的基础。 无序性既有破坏秩序的消极方面，也有为创出 一个新的更高级的秩序提供可能性的积极方面，它还构成了主体能动活动的条件 之一。在现代的科学理论范畴，非线性科学就是研究复杂性现象的新科学， 而与生 命系统有关的近期非线性科学研究的主要理论基础有：自组织与耗散结构、混沌与分形、复杂性探索等。在探讨生命的本质与其生长过程方面，自组织与耗散结构理论能对其有一个新的诠释。科学的发展说明了非线性问题的出现不是个别的 或者局部的情况。应该认为，世界在本质上是非线性的。正像直线是曲线的特殊 情况一样，线性关系是非线性关系的特殊或者简化的情形。

8、在人体的生理现象中， 广泛的发现了混沌，生理学家已开始认识到，生理混沌可以导致疾病，它也可能 是健康的保证。哈佛医学院的戈尔德伯格断言，健康的动力学标志就是分形物理 结构；治疗疾病时应着眼于拓宽一个系统的谱储备，即增加产生不同频率的能力。热力学的嫡理论使得对生命系统有进一步的认识。 生命系统（生命体）利用 信息完成有利于自身的物质和能量的交换， 把负嫡流引入自身，从而保持和发展 自身的有序性。这些理论具有一个统一的观点，即有必要把世界看成是未被分割的整体， 人 类也是这一整体的一部分，其与世界其他事物是相互联系的， 其本质是“关系”。 二元论的思想是人类健康的阻力，整体性的观点才是人得以健康的

9、基础。第一章自组织第一节自组织一般来说，组织是指系统内的有序结构或这种有序结构的形成过程。德国理论物理学家H. Haken认为，从组织的进化形式来看，可以把它分为两类：他组 织和自组织。一、他组织如果一个系统靠外部的有目的的某种特定指令而形成的相应有序状态过程 称为他组织，例如计算机、机械装备等。二、自组织自组织是一个系统在不存在外部特定指令的情况下，自发地产生某种有序状态的过程，这种有序状态包括时间、空间、功能等方面。自组织可分为封闭平衡态自组织和开放非平衡态自组织。 封闭平衡态自组织 结构如晶体，不需要和外界交换物质和能量，相变过程具有可逆性。这种结构是 一种低嫡、低内能状态，内部结构具有

10、较高对称性。当系统处于开放的非平衡状态时，也可形成有序结构。这种有序结构由于必 须和外界进行物质和能量交换才能形成和维持，普里戈金称之为耗散结构。这种 结构是由于系统在远离平衡时，非线性相干作用的结果，过程具有不可逆性。内 部结构对称性较弱，是一种低嫡、内能高的状态。由于这种结构必须不断与外界 进行物质和能量的交换才能维持，因此是一种“活”结构，生物就是这种结构的 典型例子。1我们对自组织的研究主要是针对这种结构展开。三、自组织现象自组织现象是指自然界中自发形成的宏观有序现象。自组织现象在自然界中普遍存在，而且在人类社会中也存在许多由无序自发演化成有序的自组织现象。 一个系统自组织功能愈强，其

11、保持和产生新功能的能力也就愈强。理论研究较多 的实例主要在物理化学方面。.贝纳德对流考虑一个从下面加热同时维持上面温度不变的流体层。 若顶部与底部的温差 很小，热通过热传导传递，那么流体不会产生宏观运动，流体保持静止。当进一 步增加温差使温度梯度达到一临界值时，流体开始作宏观运动，并且毫不混乱， 而是呈现一种极有规律的滚卷运动或出现六角形的图样。这种六角形的图样是由贝纳德于1900年首先发现的，他是在一个透明的碟子里加入一些液体，在炉子 上加热，开始会出现一些不规则运动的小气泡， 随着热量增加，当液层顶部和底 部之间的温度差达到一个阈值后， 对流开始，下层较热的液体流入上面较冷的部 分，在液面

12、上形成大范围规则的蜂巢状花纹， 这些花纹组成一种美丽的图案，就 是著名的贝纳德花纹。这是一种典型的自组织现象。.激光人眼感觉到的光波是由大量原子或分子发光的结果，但激光与普通光有明显的区别。激光是由激光器发射出来的光，它是单一频率的光，单色性好，具有相 干性，而普通光是各种频率复合起来的复合光， 各原子彼此之间频率、震动方向 和相位杂乱无章，不具备相干性，方向性也差。激光器与普通的充气管的不同之处，在于激光器在玻璃管两端有两个单面 镜，它们的作用是使沿着灯管轴线进行的光波能尽量长久地留存在管中， 两面平 行的镜子，构成一个光学谐振，只有一些特定波长的光得以通过， 激光器未接通 电源之前，管内是

13、复合光，接通电源后，能够通过镜面波长的光首先获得能量， 并迫使受激电子把能量只传给同样波长和方向的原子，能量迅速加强，这种光波决定着激光的秩序，支配着激光的自组织。在激光发射过程中，光波会通过镜面或散射等原因损失，因此必须保证使光 波的能量损失能够通过受激放射产生的能量增益而得到平衡。 这表明，当增加通 过光管的电流时，普通光将突然转变为激光。这里有一个临界的电流强度，在那 里电流强度只要有一个小小的变动， 就会大大改变激光器中的有序状态。 只有通 过不断地向激光器输入能量，才能保持激光放射。.化学钟化学振荡是一种周期性的化学现象，其中最著名的例子是由俄国人贝洛索夫 发现，而后由扎鲍廷斯基系统

14、进行了研究的一种反应组合。 通常该反应需要一个 在25c左右的反应混合物，由澳酸钾、丙二酸或澳丙二酸，以及溶于柠檬酸的 硫酸铀（或硫酸铀的某种等效化合物）所组成。这一反应随着时间推移，溶液颜 色发生周期性的变化，从红色到蓝色再恢复到红色。如果在该实验过程中，不断 把新鲜物质添加进反应的容器中去， 并去除反应的产物，这种周期性的颜色变化 就可以永久的进行下去。这种反应如同表明周期性的时间持续的钟一样， 因此可 以根据这种反应制成一个钟。这种“时钟反应”其实就是自催化反应。.生命是典型的自组织现象生物体显然是自组织结构，而且是典型的自组织结构。首先，生物体是按自 身内部指令自发地形成。以一个人的生

15、命周期过程为例，受精卵在母体内开始进 行细胞分裂和复制，逐渐形成胚胎的各种器官，成熟后便诞生出世。随着婴儿的 成长，各种器官与器官功能日趋完善，越来越有序化。如果从生命的基本单位基 因来看，生命个体通过对四种碱基的自组织形成不同的基因序列，从而决定各种 蛋白质等构成生命的主体，个体中的各种生化反应有很多都是自催化反应，通过 这些反应维持生命的进程。因此生命现象是自组织现象，生命系统是极为复杂的 耗散系统。其次，生命体是开放系统。生命体自发地和大自然进行着物质、能量 和信息的交换，等等。自组织现象有的特点，生物体基本上均有。因此，研究人体健康的保持，必然是以自组织理论为基础展开。也就是说， 自组

16、织理论的出现，使人类科学而系统地研究人体健康保持成为可能。四、自组织现象的特点.系统的宏观有序结构一旦形成，就具有一定的稳定性。该结构即使受到 某种扰动，只要外界条件不变，结构仍将恢复。.虽然系统的宏观结构具有一定的稳定性，但在微观上，系统中的组成粒 子并不显示为不变。例如水的对流，在外界条件不变的情况下，虽然宏观上水的 对流持续存在，但部分水分子的排列结构还是在发生变化，即形成新的相变：逐步变成水蒸汽。这正是开放性自组织现象的特征。.需要消耗大量的能量，处于开放状态下的自组织系统只有不断地从外界 摄入物质或能量，新结构才得以维持，系统内部的协同合作现象即自组织现象才 可以存在。例如激光的自组

17、织过程，只有接通电源，获得能量，才能使激光持续 发射。.有序结构的形成，是基于突变。一个系统在演化过程中，当某些参数达 到某临界值时，状态会发生突变，从而形成有序结构。新结构常是在随机性选择 下出现的，具有长程关联的特点。在系统某些控制参数超过临界值时， 热力学分 支失去稳定，微小的涨落会使系统离开热力学分支而进入到新的有序结构分支， 系统发生对称性破缺。贝纳德对流就导致空间对称性的碳缺，而化学钟导致了时 问对称性的碳缺。.外在控制条件与系统的有序结构存在对称性不一致，即控制条件与系统 的有序结构无明显联系。控制条件一般是连续的改变，而系统的宏观有序状态的 改变却是突然发生的。也就是说，在一定

18、参数范围内，控制条件可以是对称的， 而系统在所呈现的宏观状态却是不均匀的。例如贝纳德对流试验中，对液体的加 热在水平方向是均匀的，而液体呈现的花样在水平方向上却是周期性变化，呈现花样和控制条件在对称性上不一致。.非线性效应，即小的输入，有大的效应。在生命体中，具表现就是酶的 催化作用。同时，作为自然界极其复杂的自组织结构， 生命的维持就是靠这种非 线性效应来实现的。例如：饮食、激素，甚至一个信息，就可以对整个生命体发号指令，让整个生命体迅速行动起来。还有一个例子，那就是针灸，一根细小的 针，可能就可以使人体内不同层级的有序结构体发生新的关联，从而使不同层次的有序结构形成新的更高一层次的有序结构

19、，从而起到“治病”的作用。五、自组织的三个要素以及相互关系.结构：这种结构包括时间结构（周期振荡）、空间结构（一维、二维、三 维空间的周期分布）、时-空结构（各种形式的波）、功能结构等。这种结构是开 放性的。这种内部存在着宏观流动、状态随时间变化的结构，或者说内部存在宏 观差异，以致对称性发生破缺的结构可以统称为非平衡结构。非平衡意味着“对外开放”和“对内搞活”，它是自组织过程中不可缺少的一个基本要素。.涨落：涨落是指对本征的偏离。本征指系统既定的宏观状态，涨落则是 对这一既定宏观状态的局部偏离。比如光源中原子的自发辐射、化学反应中分子 浓度的波动、流体中液滴的不规则运动等，其共同的特点是随机

20、性，无法预言、 不可控制。对于系统的宏观状态而言，涨落既是干扰者、破坏者，又是引导者、 建设者。在宏观结构新旧交替的关键时刻， 涨落的这种“破”与“立”的两重性 得到了统一。此时，涨落决定全局的结果，通过涨落达到有序。.功能：功能指化学或生物活性。这里“活性”具体表现为自催化（x的存 在加速自身的合成）、自阻化（x的存在阻化合成它所需要的催化）、交叉催化（属 于两个不同反应链的两种产物各自促进对方的合成），以及由此而产生的反馈环 和调节机制。它们有一个共同的特点，即非线性相互作用。就一般情况而言，在 用以描述“化学和生物活性”的微分方程中，一定少不了非线性项，控制自组织 的方程本质上是非线性的

21、。这种非线性的存在是系统的临界效应（状态突变）、分叉效应（多重选择）、相干效应（长程关联）的总根源。这些效应在自组织过 程中是必不可少的。申维编著.耗散结构、自组织、突变理论与地球科学.地质出版社.2008年版.第59页.用化学方程所表达的功能，不稳定性所产生的时空结构，以及触发这一不稳 定性的涨落，每一要素作用的发挥都以另外两个要素的存在为前提；反过来，每一要素的存在又促进另外两个要素作用的发挥。这三个方面的相互作用如图1-1所示。普里戈金著，沈小峰译.从存在到演化.北京大学出版社.2007年版.第61页.图1-1功能、结构、涨落的相互作用关系六、自组织的三类过程自组织作为一种过程演化的概念

22、，包含三类过程：.从混乱的无序状态到有序状态的演化，即从非组织到组织，从混沌到有序, 它意味着组织的起源。例如物质的相变过程的前后状态，生命的起源。.由组织程度低到组织程度高的层次跃升的过程演化。例如，从分子到细胞, 从细胞到生命体，形成两个完全不同的组织层次。.在相同组织层次上由简单到复杂的过程演化。 例如，单分子到多分子体系， 单细胞到多细胞体系，哺乳动物类从简单哺乳动物到高级哺乳动物的演化，等等。 这三个过程呈现出交替作用的情形，形成了组织化的连续统一体。第二节 自组织的相关理论在对自组织现象进行研究过程中，其主要的理论核心是耗散结构理论、 协同 论和突变论，它们与超循环理论等共同构成了

23、自组织理论。一、耗散结构理论耗散结构理论是比利时物理化学家普里戈金教授于 20世纪60年代末创立 的。由于对非平衡热力学尤其是建立耗散结构理论方面的贡献，他荣获了1977年诺贝尔奖。耗散结构理论是在经典热力学基础上发展起来的，经典的热力学理 论只适用于平衡态的过程，无法用以解释像生命这种远离平衡和高度有序化的系 统。所以必须把热力学定律向非平衡态、非线性作用的领域推进。耗散结构理论以贝纳德花纹等科学实验为基础，通过实验的方法实践了薛定 谓关于“负嫡”的理论思想，他突出了系统与外界环境物质与能量的交换过程， 从热力学嫡无限增大原理出发，普里戈金认为任何系统的嫡都由两部分之和组 成，即一部分是系统

24、自身产生的，另一部分是系统与外界交换物质和能量后产生 的。这样划分以后，就可以根据不同情况区别系统的性质： 在一个孤立封闭的系 统中，没有外部能量的交换，系统发展符合热力学定律；在开放系统中，远离平 衡状态下，由于系统不断地从外界获取负嫡，在达到一定的阈值时，就可能转变 为一种在时间空间或功能上的有序状态。耗散结构理论主要研究远离平衡的开放系统， 不论它是力学的、物理化学的、 生物学的还是软科学的系统，只要该系统的环境不断与其交换物质和能量 （实质 上是交换负嫡）并且达到一定程度（超过某一临界点），那么原来较为混乱无序 的状态会在几乎同一时间突变成为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。因此

25、耗散结构定义为：在远离平衡的状态下，当外界条件达到某一阈值时，量变 可能引起质变，系统通过不断与外界交换物质和能量， 会自动出现一种自组织现 象，组成系统的各子系统会产生一种互相协调的作用，借助于外界的能流和物质 流而维持一种空间或时间的有序结构。这种结构是由于进行不可逆过程时系统发 生能量耗散所致。耗散结构形成的条件：系统必须是开放的，通过与外界交换物质和能量， 引入负嫡流，才可能从无序走向有序；系统必须足够的远离平衡态，才能保持 对涨落的敏感性，在临界点上产生突变，从而不断组织起来，形成新的稳定有序 结构，非平衡是有序之源；系统内要有非线性的相互作用因素， 才能产生相干 效应和协调一致的动

26、作，产生突变和分叉，形成宏观有序结构，非线性动力学方 程有多重解，有稳定解和不稳定解，从而使系统的演化发展可能出现几种不同的 结果，产生进化的多样性和复杂性；系统从无序向有序的演化，是通过随机的 涨落来实现的。系统内的涨落，由于非线性作用的放大，形成巨涨落，因此，普 里戈金说：“在耗散结构里，在不稳定之后出现的宏观有序是由增长最快的涨落 决定的。因此，这种新型的有序可以叫做通过涨落的有序。涨落是系统形 成自组织的触发器。这四个条件紧密相连，互为支持，保持开放性是基本前提， 远离平衡态是必要条件，非线性机制是内在基础，而涨落是发展的诱因。5普里戈金提出的耗散结构理论以非平衡热力学和相变理论为基础

27、，运用非线性微分方程以及随机过程等数学工具，解决了长期以来存在的热力学与进化论之4陈其荣.自然哲学.复旦大学出版社.2004年版.第141页.地质出版社.2008年版.第8页5申维编著.耗散结构、自组织、突变理论与地球科学 间的矛盾，揭示出某些生命系统和非生命系统的共同特点，沟通了非生命系统和 生命系统的内在联系，说明这两大类系统之间没有严格的界限， 表面上的鸿沟是 由相同的规律所支配的。耗散结构理论是对系统宏观性质的研究， 还没有和微观 性质联系起来。二、协同论协同论是由德国理论物理学家赫尔曼哈肯于 20世纪60年代初创立的，60 年代初，激光刚问世，哈肯就注意到其重要性，并立即进行系统的激

28、光理论研究。 在深入研究激光理论的过程中，哈肯发现在合作现象的背后隐藏着某种更为深刻 的普遍规律，并于196处首次提出协同学这一名称。协同论是对耗散结构理论的 发展，它指出系统自组织现象从无序到有序转变，关键在系统内部，在于各子系统在一定条件下相互作用所造成的协同现象。协同学用于解释系统中微观粒子以 序参量为支配，“竞争”和“协作”并存地形成有序结构的过程。序参量和支配 定律是协同学的理论基础。在由普通光演变为激光的自组织现象实验中， 我们发现无生命的物质也能自 发组织，产生富有意义的过程，在各种自组织现象中共有一种对自然规律的一致 性。在自组织现象中，单个组元好像由一只无形之手促成那样自行安

29、排起来，但相反正是这些单个组元通过它们的协作才转而创建出这只无形之手。我们称这只使一切事物有条不紊地组织起来的无形之手为序参数。赫尔曼哈肯著，凌复华译.协同学一一大自然构成的奥秘.上海世纪出版集团.2005年版.第7页哈肯通过对临界点附近的行为的描述，阐述了慢变量支配原则和序参量概念， 认为事物的演化受序参量 的控制，演化的最终结构和有序程度决定于序参量。不同的系统序参量的物理意 义也不同。比如，在激光系统中，光波的波长和光场强度就是序参量。在化学反 应中，取浓度或粒子数为参序量。这些为数不多的参量就完全确定了系统的宏观行为并表征系统的有序化程 度。当系统是无序时，序参量为零。当外界条件变化时

30、，序参量也变化，当到达 临界点时，序参量增长到最大，此时出现了一种宏观有序的有组织的结构。那些 为数众多的变化快的状态参量就由序参量支配，并可绝热地将他们消去。这个序参量一经确认，就控制着整个系统的运动状态，直到这个参量被消亡或取代为止。 这一结论称为支配原理，它是协同学的基本原理。通过序参量概念，我们可以在 面对一个复杂系统时，忽略不必要的细枝末节，因为整个系统的性质是由序参量 来决定的，抓住序参量就把握了系统演化的本质。序参量随时间变化所遵从的非 线性方程称为序参量的演化方程，是协同学的基本方程。序参量并非凭空想出来的，它也是系统参量中的一员，只不过，在外部因素 作用下，从与其他参量的平等

31、竞争中，取得了支配其他参量的地位。序参量与参 量互因对方而存在。一般而言，系统序参量不止一个，系统的宏观结构和功能由 各序参量协同控制，序参量之间关系相当复杂，或竞争或合作或共存。越是高级 复杂的系统其序参量数量也越多。而协同作用主要也是研究序参量同系统其他参 量间的关系和序参量间的关系。协同学主要研究远离平衡态的开放系统在与外界有物质或能量交换的情况 下，如何通过自己内部协同作用，自发地出现时间、空间和功能上的有序结构。 它着重探讨各种系统从无序变为有序时的相似性。哈肯说过，他把这个学科称为“协同学”，一方面是由于我们所研究的对象是许多子系统的联合作用，以产生 宏观尺度上结构和功能；另一方面

32、，它又是由许多不同的学科进行合作， 来发现 自组织系统的一般原理。协同论在微观到宏观的过渡上，描述了各种系统和现象中从无序到有序转变 的共同规律。它沟通了微观到宏观的道路，使系统在宏观上表现出来的规律能和 微观上的运动联系起来。三、突变论突变论的创始人是法国数学家雷内托姆，他于 1972年发表的结构稳定性 和形态发生学一书阐述了突变理论，荣获国际数学界的最高奖-菲尔兹奖章。 突变论的出现引起各方面的重视， 被称之为“是牛顿和莱布尼茨发明微积分三百 年以来数学上最大的革命”。突变是指事物从状态的一种形式突然跳跃到根本不同的另一种形式的不连续变化，包含着突然变化的瞬间过程。突变论是以不连续现象为研

33、究对象， 运用 拓扑学、奇点理论和结构稳定性等数学工具，研究某种系统（过程）从一种状态 到另一种状态的跃迁。突变论自本世纪70年代创立以来，十数年间获得迅速发展 和广泛应用，引起了科学界的重视。突变具有两个显著的特点，即完全由内部因素推动及变化的跳跃性， 表明唯 有突变才是真正的质变。突变性状的出现似乎没有任何准备阶段， 在其理论研究 时也发现，在达到临界点之后无论控制因素变与不变， 都不能对突变过程产生影 响，突变过程都是由内因决定的。突变理论可用一组参数描述系统所处的状态。当系统处于稳定状态时，表明 该系统状态的某个函数取一定的值（如能量取极小或嫡取极大等） 。当参数在某 个范围内变化，该

34、函数值有不止一个极值时，系统必然处于不稳定状态。雷内托 姆指出：系统从一种稳定状态进入不稳定状态， 随参数的再变化，又使不稳定状 态进入另一种稳定状态，那么，系统状态就在这一刹那间发生了突变。凡是属于复杂性的事物，都就有突变的特征。突变在这里有两方面的含义： 一是，复杂性事物整体或某一层次整体上的涌现属性；二是，复杂性事物内部， 或某个层次内部各个可分解部分的突发性变化。自然界中许多现象都具有突变 性，其具体主要表现在其不连续性。 这种不连续性可以体现在时间上，如波的破 碎、细胞的分裂；也可以体现在空间上，如物体的边界或两种生物组织之间的界 面。突变论是一门着重应用的科学。突变论作为一门数学分

35、支时，它是关于奇点 的理论，它可以根据势函数而把临界点分类，并且研究各种临界点附近的非连续 现象的特征。突变论与耗散结构论、协同论一起，在有序与无序的转化机制上， 把系统的形成、结构和发展联系起来，成为推动系统科学发展的重要学科之一。四、超循环理论超循环理论是由德国生物物理学家曼弗雷特艾根于 1971年直接从生物领 域的研究中首次提出，研究细胞的生化系统、分子系统与信息进化理论。艾根应 用化学动力学原理提出细胞起源的生物分子的超循环理论， 进一步在分子、细胞 层次探讨了自组织系统。超循环是指在生命现象中包含许多由酶的催化作用所推动的各种基层循环 所组成的更高层次的循环，它还可组成再高层次的超循

36、环（反应循环的中间产物 可以催化另一个反应循环）。超循环系统即经循环联系把自催化或自复制单元连 接起来的系统。在此系统中，每一个复制单元既能指导自己的复制， 又能对下一 个中间物的产生提供催化帮助。艾根在分子生物学水平上，把生物进化的达尔文 学说通过巨系统高阶段理论，进行数学化，建立了一个通过自我复制、自我选择 而进化到高度有序水平的自组织系统模型。超循环理论在解释生命的进程中有一定的意义。生命的发展过程分为化学进 化和生物学进化两个阶段。艾根认为在化学演化与生物进化之间存在着一个分子 自我组织阶段，通过生物大分子的自我组织建立起超循环组织并过渡到原始的有 细胞结构的生命。在化学进化阶段中，无

37、机分子逐渐形成简单的有机分子。 在生物学进化阶段 中，原核生物逐渐发展为真核生物， 单细胞生物逐渐发展为多细胞生物。 生物的 进化依赖遗传和变异，遗传和变异过程中最重要的两类生物大分子是核酸和蛋白 质。各种生物的核酸和蛋白质的代谢有许多共同点，所有生物都使用统一的遗传 密码和基本上一致的译码方法，而译码过程的实现又需要几百种分子的配合。在 生命起源过程中，这几百种分子不可能一起形成并严密地组织起来。因此，在化学进化阶段和生物学进化阶段之间有一个生物大分子的自组织阶段，这种分子自组织的形式是超循环。这一理论通过用突变和选择并因而通过生物分子的“较高发展”把无生命自 然界和有生命自然界联系起来，而

38、且在一定程度上显示出由“无生命”至“有生 命”的过渡。它已经逐渐成为解释由非生命的分子向生命结构过度的基础理论。这些理论无一不是跨学科的，它们共同的目标是探索大自然的复杂性， 并从 不同的角度揭示出复杂现象的规律性。这些理论为我们的科学研究开创了一个新 的方向，使我们对自然与人体健康这些现在认识到的复杂问题的研究与探索更加 深入，从而认识到其根本的理论基础。第三节 自组织的微观本质分析一、自组织的微观本质我们都知道微观有序状态体现宏观性质，不同的微观有序结构体现不同的宏 观性质。例如同样是由碳元素组成的物质，石墨、金刚石等，其碳原子的排列方 式不同，体现的宏观性能完全不同。铁晶体在室温下具有磁

39、性，但当加热到一定温度，即 774c时，磁性突然消 失。其微观原理是这样的：组成磁铁的基本粒子即铁原子中的电子，有正负极， 此“基本磁体”相互间有着力的作用。在有序的磁相中，所有基本磁体排列整齐， 在排列整齐时，所有磁体指向统一方向（量子力学可以解释为什么排列整齐时就 指向同一方向），在宏观上体现的就是整个磁体具有了磁性。 而在无序的磁相中， 他们各自指向不同方向，在宏观上此时就不具备磁性。热运动的本质就是无序的 随机的运动，随着温度的升高，基本磁体的热运动加强，基本磁体的指向是趋向 杂乱，无序，从而使有序的磁相变为无序的磁相。 在宏观上“磁铁”就失去了 “磁 性”。自组织的本质，就是由于外在

40、力量作用于系统后，组成系统的微观粒子受外 界影响而发生变化，在一定阈值内，微观大量粒子以非线性机制通过涨落突然形 成新的有序排列，微观层面的有序排列形成并体现了宏观层面的新的结构和功 能。二、自组织的核心是研究微观和宏观的关系.研究微观的参数不是微观的，而是宏观的。即是以宏观的角度来观察微 观的变化。普里戈金说：“耗散结构实际上相当于一种超分子组织的形式。虽然描述晶体结构的参数可以从组成它们的分子的性质中导出，特别是可以从这些分子间的引力和斥力的范围中导出，但贝纳德格子和一切耗散结构一样，主要是产 生它们的那个全局性非平衡状态的一种反映。描述它们的那些参数是宏观的，它 们不是像晶体分子间距离那

41、样具有10-8厘米的数量级，而是具有厘米的数量级。 同样，时间的尺度也是不同的，它们不是和分子的时间（如某种分子的振荡周期 可能为10-15秒左右）相对应，而是和宏观的时间相对应，如数秒、数分钟或数小 时。” 伊普里戈金，伊斯唐热著，曾庆宏，沈小峰译.从混沌到有序一一人与自然的新对话.上海世纪出版集团.2005年.第144页.自组织的本质是微观层面粒子的有序排列形成系统宏观的结构。磁铁的 磁性就是通过磁铁的基本磁体微观铁原子的相互有序排列而实现的。激光的发射也是同样的原理，它是由于不同的光波自组织地趋向一致的过程。首先一种波建立了主导地位，光电子的所有能量都将输给那种非常有规律振荡的波， 从而

42、使各 个电子按同一节拍振荡，这样形成的激光也是单一有序的光源。.系统宏观的结构也可以反馈性地影响微观粒子。宏观系统对微观粒子的 影响，其本质机制就是反馈机制。远离平衡态的系统的重要特征就是反馈。因此宏观结构的微观粒子的反馈性影响是时时刻刻存在的。从宏观结构的形成来分 析，微观粒子的变化规律起着关键性作用。 但有个重要的现象是：在微观粒子形 成新的宏观现象时，是以整体性一一即系统的粒子共同突变其作用的。 从这一点 可以得知，微观粒子还是服从于一种宏观状态的。 因此，宏观状态对微观粒子的 作用是很大的。同时，一旦宏观结构形成，进入此宏观结构的微观粒子必然服从 于这一宏观结构的运行规律。例如，水的对

43、流形成后，在加入少量水时，其必然 迅速加入到对流这一宏观结构中来。三、微观粒子形成有序结构的条件.首先是开放系统，同时要不断向系统输入能量和物质或信息。自组织的形成，关键是涨落的形成。而涨落的形成，需要能量和物质的输入。 能量和物质向系统的输入，就说明系统是开放性的。按照波耳兹曼的有序性原理 （此原理只适合于封闭平衡系统），出现贝纳尔德对流的概率几乎为零，注意到 这一点是很有趣的。在贝纳德对流的情况中，我们可以想象总是有一些小的对流 作为对平均状态的涨落而出现，但当温度梯度低于一定的临界值时， 这些涨落将 被阻尼并消失。若超过了这个临界值，则某些涨落被放大，并且出现宏观的流动。 新的分子有序性

44、出现了，它基本上相当于因与外界交换能量而稳定化了的巨型涨 落。这个有序性的特点就是现了我们所说的耗散结构。 耗散结构基本上相当于因 与外界交换能量而稳定化了的巨型涨落。 作为一个巨型涨落（即耗散结构）需要 稳定，就要求系统不停地消耗能量。因此，作为一个系统形成自组织结构，必须 要求系统是开放性的，要求不断地输入能量和物质。.组成系统的粒子要有一定的数量。单个粒子或很少粒子的有序运动很难使宏观表现出有序。例如在激光的实验中，不是通过增加电流强度激发光电子，而是让每个原子的泵入强度保持不变， 只是不断增加激光原子的数目。当激光原子少于某个数目时不可能发射出激光， 而只有当激光原子的数目增加到这个确

45、定的临界数时，激光才突然发射出来。.系统的组成粒子以一个整体起作用，即整体性或全局性才有可能形成有 序结构。首先，体现出所有粒子包含于一个整体，即某系统，所有微观的粒子的变化只有体现在某一整体系统中才有意义。第二，系统中微观粒子趋向于一个方向， 并形成某“整体性”结果。第三，系统形成有序结构不是组成粒子之间的短程作 用（如价键力、氢键、范德瓦尔斯力），而是长程关联在起作用。因此在远离平 衡态时，化学动力学和反应系统的时空结构之间出现了意想不到的关系。虽然， 决定有关动力学常数和输运系数值的那些相互作用是短程作用（如价键力、氢键、 范德瓦尔斯力）。但是，除此之外，有关方程的解还依赖于全局的特点。

46、这种对 全局特性的依赖在靠近平衡态的热力学分支上是无关紧要的，但在工作于远离平衡态条件下的化学系统中，它就变成决定性的了。例如耗散结构的发生通常要求 系统的大小超过某个临界值，而这个临界值是反应扩散过程各参数的一个复杂函 数。因此我们可以说，化学不稳定性包含了长程有序性，通过这种长程有序性， 系统作为一个整体起作用。.临界状态的涨落是有序结构产生的直接根源。对于平衡态而言，涨落可以略去。”在许多情形中涨落只相当于小的校正。作为一个例子，让我们取体积为V的容器中的由Nt分子组成的气体。我们把这个 体积划分为两个相等的部分。其中一个部分内的粒子数 X是多少？这里变量是一 个随机变量，我们可以期望其

47、值在 N/2左右。概率论中的一个基本定理，即大数 定律，给出对由涨落造成的“误差”的一个估计。实际上，大数定律指出，如果 我们测量X,我们必须期望数量级为N/2N/2的值，假如N是个很大的数，由涨落 所引起的相又t误差具有（N/2）/（N/2）或1/N的数量级，因而对于足够大的Nfi,它 趋向于零。只要系统变得足够大，我们根据大数定律便可在均值和涨落之间做出 清晰的区分，而可以把涨落略去。但在非平衡态中，涨落将是起到重要的作用， 甚至是决定全局的结果” 80 “当我们接近分叉点时，涨落变得异常的大，且大 数定律被违反了”。9临界状态是指系统处于一种特殊的敏感状态，微小的局部变化可以被放大， 甚至扩展到整个系统。一个系统的临界状态就是分叉的前边沿。 临界状态的涨落 是有序结构产生的直接根源。1987年丹麦科学家Bak等人提出来了 “自组织临界性”理论 （self-organizationcriticality;SOC ）,自组织临界性理论是复杂性科学中的一个重要分支，该理论解释了广延耗散结构的组织原则， 即自然界中开放、远离 平衡态、相互作用的耗散动力系统通过自组织过程， 自发地向临界态演化。系统 的临界性研究将是个重要研究方向。.必要的时间。微观粒子在形成一个有序结构的过程中， 有一个时间尺度的问题，不同结构 的形成均需要