论生物进化中的突现论

论生物进化中的突现论

“突现主义”无疑是传统科学危机的产物，也是其在语言系统、研究主题、解释模型和文本构建方面的激烈革命变化。按照该概念的提出者托马斯.库恩对范式的理解,结合目前突现论研究的发展,我们可建立一个包括(1)符号概括(概念、范畴与定律);(2)原理与规律;(3)信念与纲领;(4)范例;(5)价值观的突现模型。当然,此模型只能是简单的和定性的,并且限于唯象的描述。1.还原论科学的范畴每一学科都有作为其体系基本组成材料的范畴。列宁曾形象地把范畴比喻为人类认识之网的网上纽结,它凝结了人类现阶段在某一领域的认识成果。经典的还原论科学的基本范畴是点质量、电荷、能量、信息、引力、加速度等。与此相对,新的突现论科学的基本范畴为:1.1吸引子的结构吸引子在系统的演化中是个逐渐呈现的过程,即吸引子外的一切轨线最后都要收缩到吸引子上。吸引子与系统新状态的出现相伴随,并决定系统新状态的特征和图像。吸引子具有无穷嵌套的自相似结构,并对初始条件有敏感依赖性。吸引子的维数是分数维。混沌科学所研究的就是在什么现象中能发现哪种吸引子,即自然现象同吸引子之间的对应关系。1.2宏观协调行为H·哈肯在对激光的研究中提出协同学:无数子系统的协同作用形成序参量,序参量又像一只看不见的手协调着子系统的行为。从而使系统整体表现出宏观有序行为。哈肯特别举了语言和文化的例子,认为它们一旦产生,就具有支配个人行为的力量。序参量是支配系统演化的慢变量,通过绝热消去法消去快变量就得到决定系统状态和方向的序参量。1.3内部图式反映了复杂系统的内部结构和非线性相互作用寻求系统的演化与突现规律,内部图式是关键。有时多个内部图式之间相互竞争(或相互合作),最后是一个或多个存留下来。1.4具有戏剧性的生物学事件出现分岔,每一个分支代表系统一个可能的方向,此时系统向何处演化完全是不可预测的分岔处系统对涨落异常敏感,一个偶然的涨落可能被迅速放大,使系统向不可预测的方向进化。M·盖尔曼曾在其一本论述复杂性的著作《夸克与美洲豹———简单性和复杂性的奇遇》中提到生物进化中的“关口事件”(gatewayevents),指在生物进化过程中,在物理化学环境未发生根本变化的情况下,特别富有戏剧性的生物学事件,有时是中断平衡中决定性的原因。这些事件具有开辟出可能的全新范围的重大的、突破性意义。这是由乔治.马森大学与圣菲研究所的哈诺德·莫洛惠兹发现并研究的。哈诺德.莫洛惠兹指出:不仅在生命的史前时期发生过导致地球生命产生的化学关口,而且在所有生物祖先的生命形式产生之后,生物进化过程中依然发生类似的关口事件。在所有这些情形中,哈诺德.莫洛惠兹强调了关口的狭窄性,即通常只有少数特殊的化学反应才有可能开辟出新的范围;有时这种情形甚至只与一个反应有关。哈诺德.莫洛惠兹等人认为,在经历了一系列早期变化之后,由一次或几次突变所引起的基因组中的微小变化,可以引发一起关口事件。从而引发打破相对平衡的主要革命性事件之一。进入由关口事件所开创的领域时,生物获得了新的有重大意义的规律性,使其复杂性上升到一个更高的层次。值得注意的是,突现科学的术语与传统还原论科学的术语在库恩的意义上是“不可通约”的,即不可翻译的。如“吸引子”与“状态空间”均无法用传统科学的术语完全充分地表达其涵义。2.基本原则和规律还原论的基本规律包括机械力学规律F=ma以及统计力学公式和电磁场运动方程等。与此相对,突现论有以下基本规律或原理:2.1参量系统的演化方向H·哈肯在对激光的研究中发现的系统变量关系。系统演化过程中,往往某一个参量对系统的演化方向和道路起着决定性的作用,它支配、役使着其它变量。前者也可称为慢变量,后者也可称为快变量。且后者可用“绝热消去法”消掉。2.2制约自组织的发展的规律和上述原理有密切联系,指系统演化过程中,系统内部子系统之间的相关度随外界条件的变化而变化,以至呈现从非协同到协同、从低级协同到高级协同发展的规律。协同学创始人H·哈肯指出:制约自组织的方程实际上是非线性的,从这些方程中我们可以发现模式,或者是竞争的结果只有一种模式继续存在,或者是彼此共同存在。因此,按照协同学的观点,是非线性相互作用使得整体运动模式得以从包含了大量子系统的大系统中产生出来。2.3主导模式的预测自组织系统除了对初始条件的敏感依赖性外,还有一个引人注目的特征:微小的、偶然的涨落可能被迅速放大,从而推动系统结构向不可预测的方向改变,使某个模式迅速成为占支配地位的主导模式,引起系统突现。这种某个微小的涨落被迅速放大的趋势,学界尚无专门称呼。有学者建议称之为“缘接”(occasion-connection),它既强调了偶然和机缘(occasion),又强调了相互联系和作用(connection),本文采纳这一名称,称此规律为“缘接”(occasion-connection)原理。3.还原论的基本信念和领导权根据伊姆雷.拉卡托斯的“科学研究纲领”方法论,研究纲领乃是科学体系的“硬核”部分,它周围有许多程度不同的“保护层”以保护体系不受相反的经验事实的冲击。范式的改变必是硬核发生变化的结果。还原论科学的范式在二十世纪科学出现的无数反例———不确定性、随机性———的冲击下已不再是唯一正确的科学范式,除了上述基本范畴、定律的变革外,还包括基本信念的改变。以经典力学为代表的机械还原论的基本纲领或信念为:(1)世界由无数的物质实体(包括引力场)构成;(2)这些物质实体处在不间断的相互作用之中;(3)这些物质实体可以被分解为组成它们的基本粒子,并且可以无限地分割下去;(4)事物的运动、转化、产生和消灭就是这些基本粒子的结合和分离;(5)一旦运用分析方法确切知道了实体的各个组成部分的性质,就可以通过综合的方法推知整体的性质;(6)规律是完全决定论或统计决定论的,知道当下状况或初始条件,就可以推知将来任一时刻的运动状况。与此相对,突现论的基本信念和纲领是:(1)世界是生成的,且处于永不停息地生灭与转化之中;(2)事物和物质不可能被无限分割为最后的组分和基本粒子;(3)整体不能还原为部分,整体的性质也不能通过部分的性质推导出来;(4)宏观性质相对于微观层次来讲是突现的;(5)系统的演化过程只能通过突现论的范畴与规律来刻画和研究。还原论经过几百年的发展,其基本的理论构架已经成熟。比较起来,突现科学还是新生的婴儿,有待于继续发展和完善。但它已经在技术、管理与社会领域得到了极其广泛的运用。它既然已经诞生,则必定有光明的前景。4.示例4.1洛伦兹模型的建立这是洛伦兹在模拟全球天气模式中发现的模型。阳光照射地球,从底部加热大气,寒冷的外部空间则从大气外壳吸收热量,底层空气上升,上层空气下降,形成对流。贝纳德在一些实验中为此建立了模型。大量冷暖空气之间的交流,用循环涡漩来代表,叫做贝纳德元胞。在三维情形下,是热空气以环状上升,冷空气则从中心下降。于是大气构成了三维贝纳德元胞的海洋,如同紧密堆积的六面体点阵。在典型的贝纳德实验中,重力场中的流体层被从底部加热,底部流体上升,顶部流体下降,形成对流。这两种受到粘滞力的运动是相反的。对于小的温度差dT,粘滞性占上风,流体保持静止,热传导均匀地输送热量。系统的外部控制参量是所谓的粘滞性瑞利数R,它与dT成正比。在R的临界值处,流体的状态变得不稳定,形成稳定的对流卷模式。超出R的临界值到一定程度,系统出现混沌。洛伦兹将描述贝纳德实验的复杂的微分方程简化为三个。每一个微分方程有三个变量X、Y、Z,X正比于环流的速度,Y为上升与下降的流体元之间的温度差,Z正比于垂直温度对其平衡值的偏差。从这些方程中可以推导出,相应的相空间的某一种表面的任一体积元都是随时间指数收缩的。因此洛伦兹模型是耗散的。利用计算机,可以形象地描画出洛伦兹方程的轨迹。这些轨迹的路径非常敏感地依赖于初始条件:值的细微偏差使轨迹很快地偏离原来路径若干圈。洛伦兹吸引子属于奇怪吸引子。显然,奇怪吸引子是混沌的。从图中看出,吸引子曲线密集缠绕又不互相切断,它最终将走向某种分形的拓扑结构。我们采用曼德波罗本人对分形维的定义:“令M是n维相空间的吸引子的子集。现在,让相空间被边长为ε的立方体所覆盖。设N(ε)是立方体的数目,立方体中包含了吸引子M的片断。如果ε收缩到零(ε-0),那么N(ε)与ε的对数比值的负极限即D=-limlnN(ε)/lnε被称为分形维。”如果吸引子是一个点,则分形维为零;对于稳定的极限环,分形维为1。但对于混沌系统,分形维不是一个整数。一般地,分形维只可能通过数值计算得到。对于洛伦兹模型,奇怪吸引子的分形维D大约为2.06。4.2序列型的分岔一个离散的映射方程,如果它导致相空间的体积发生收缩它就被称为耗散的映射方程。一个著名的离散映射的例子是所谓的逻辑映射,它在自然科学与社会科学中都有许多运用。在数学上,逻辑映射用二次(非线性)迭代映射来定义:xn+1=axn(1-xn),其中0≤x≦1,控制参量0≤a≦4序列x1,x2,x3……的函数值可以由计算机简单计算。对于a<3,结果收敛到一个不动点。如果a继续增加到超过临界值a1,经过一段时间,序列的值就在两个值之间周期地跳跃。如果a进一步增加,超过了临界值a2,周期的长度将增加一倍。如果再进一步地一增再增,那么周期每次都增加一倍,相应有临界值序列a1,a2,……。但是在超过了某个临界值ac以后,此发展就变得越来越无规和混沌。有的倍周期分岔系列受一个常数定律的支配,这是格罗斯曼和托麦在逻辑映射中发现的,后来费根鲍姆发现这是一类函数的普适性质(费根鲍姆常数)。还有分别对应于不同控制参量的吸引子不动点、周期振荡、混沌,它们也都有各自不同的倍周期分岔图。值得注意的是,像逻辑映射这样简单的迭代系统却产生了分岔和混沌这样的复杂行为。这里分岔的多少标志复杂性增加的程度。每一个分岔是非线性方程的一个可能解。如果平衡态被理解为一种对称状态,那么混沌和相变就是一种对称破缺。5.个体与集体:严格决定论的未来托马斯.库恩认为,随着科学的发展,科学中内涵的价值成分日益增长,科学共同体在选择与评价科学理论时受到时代流行的价值观影响的趋向也越来越突出。还原论与构成论范式中内涵的价值观是原子式的个人主义与机械决定论的混合物。世界被视为一架机器,按预先规定好的规律运转,对人的感情与价值需求漠不关心。人也是这个巨大机器上的齿轮与零件,未来被完全确定。个人是孤立的、分离的原子,既缺乏竞争,也缺乏合作。这种原子主义与严格决定论相混合的社会只可能产生两种结果:独裁或无政府主义。以突现论为代表的新科学范式内涵的价值观是开放的,个人之间既竞争又合作,充满非线性相互作用。其中偶然性与个人自由具有特殊重要的意义。未来是不确定的,有无限的可能性。世界与人处于一种亲密关系之中。克劳斯.迈因策尔在《复杂性中的思维》一书中写道:我们的探究方式表明,物理的、社会的和精神的实在都是非线性的和复杂的。协同认识论的这个最基本的结论要求我们,注意我们的行为的严重后果。正如我们所强调的,在一个非线性的复杂的现实中,线性思维是危险的。作为一个例子,我们必须记住,我们需要的是一个在生态学与经济学之间有着良好均衡的复杂系统。我们的医生和心理学家,必须学会把人看作复杂的精神和肉体的非线性体。线性思维可能会作出不正确的诊断。医疗中的局部的、孤立的