超循环理论概论

1 2014年12月

超循环理论概论

摘要：超循环理论是20世纪70年代以来发展起来的，堪称与耗散结构理论、协同论、突变论齐名的一种关于非平衡系统的自组织理论。企业，市场等，好比是一个超循环的系统，这些大系统中的子系统即在更新复制自己。同时也在使大系统中的组织更紧密，组织和结构具有多样性，从而使系统的能量会聚，并被大系统充分利用。本论文首先讲述了超循环理论的提出，它的基本理论，特点，以及它在现实生活中的应用实例。最后讲述了本人学习系统科学概论的感受。

关键词: 超循环系统组织

1超循环理论的提出

关于生命的起源，既是个古老的问题，也是现代生命科学的前沿课题。恩格斯就曾预言：“生命的起源必然是通过化学的途径实现的。”在20世纪的30年代，前苏联的科学家奥巴林提出化学进化学学说。从他的理论中可以看到，在原始地球的自然状态下，从无机物可以合成有机物，从有机小分子可以产生有机大分子直至嘌呤、嘧啶、核苷酸、氨基酸的可能性。[4]并没有说明最初的原生细胞是如何产生的。到了20世纪50年代,有学者提出:“核酸与蛋白质究竟哪个先发生?”这就使人们回想起一个古老的悖论——“ 先有蛋还是先有鸡”。

现代分子遗传学的中心法则中，是由DNA到RNA，再到蛋白质。表面上看，是先有DNA，再有蛋白质。但是，DNA的复制，RNA的产生等等，这些生命活动的完成，均需要酶的生物催化完成。而酶就是蛋白质。这就促使必须重新考虑核酸与蛋白质的关系问题。

联邦德国生物物理化学家曼弗里德·艾根通过探究生命起源这一问题。提出了生物大分子体系经历超循环的自组织进化、是形成遗传信息的重要机制。艾根在超循环理论中，提出了复杂系统的循环式因果观。即由多重反馈回路组成的封闭圈式的因果链。他指出，在遗传信息的起源，提出“哪个在先”，不是一个科学问题，是一个虚假的问题。在这里不存在时间的顺序。实际上，这是一个无法区分开端和末端的循环式因果链的关系。2 超循环理论概述

贝塔朗菲创立的系统论的初衷本是要开创一种机体论的新科学，但由于仍然不能超越构成论，即整体由部分构成的预设，其后的发展仍然向着制造更复杂的机器论前进，以致许多人认为系统科学并非科学革命，因为它并未逃脱机械的逻辑和还原论的范畴。在这之后，系统科学的又一轮重大突破是从超循环理论开始的，超循环理论通过探究生命发生的奥秘，来冲破了机械论的遮蔽，揭示了生成的逻辑及由之生长起来的整体的规律。[3]

超循环就是由多个反应循环相互结合构成的复杂反应循环。在超循环组织中，每个复制单元既能指导自己的复制，又对下一个中间物的产生提供催化支持。超循环能使组织更加紧密，从而使得组织和结构具有更大的丰富性和多样性，使系统能量得以会聚，并被系统充分利用，提高体系的非线性特征，促使系统进化。

因此它不仅推动了系统科学从有机整体论走向生成整体论，而且展示出内涵价值的自然界生成演化的世界图景，为人类构建基于信息，内涵价值的新科学提供了重要启示。

3 超循环理论基础

自然界中普遍存在循环的现象，正如恩格斯所指出的“自然界是在永恒的流动和循环中运动着”。艾根从生物大分子的角度进行研究，揭示了生命系统的起源和演化采取了循环发展的形式。生命系统从低级循环向高级循环进化，直到超循环。超循环，

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就是以循环作为亚单元，并通过功能连接起来所构成的再循环，通过循环过程的进行，使系统具有自组织所需的全部性质，使系统能够稳定地和相干地自我优化。

超循环理论认为，物质之间的相互作用和因果转化构成循环，一般而言，按照从低级到高级的顺序，循环可分为以下几种形式：反应循环、催化循环和超循环。[2]

反应循环。是指多步骤的化学反应序列的持续不断的反应过程。它是一组相互关联的化学反应序列，其中某一步的一种产物恰好是先前一步的反应物，例如A产生B，B产生C，C产生D……，最后产生A，从而形成一个循环。在反应循环中，催化剂E和反应物结合，形成中间复合物ES，再转化为EP ，最后释放出生成物P和催化剂E，继而催化剂E又加入下一轮新的反应行列，在这种转化反应中，催化剂的催化作用等价于中间物的循环复原，因此反应循环相似于生命系统的第一特征——新陈代谢，如图1所示。反应循环是靠系统外部催化剂的催化作用来驱动的循环，因为它能够使循环被动的运行和耦合，所以循环运行效率较低，并且循环耦合力较弱，因此反应循环是较低级的组织形式。

图1

催化循环。催化循环指的是在转化反应过程中，至少存在一种中间物能够对反应本身进行催化的反应循环，并且这种中间物也是反应循环自身在相互作用过程中产生的。催化循环是由相互催化的催化剂或相当于催化剂作用的反应循环所构成的循环网络系统。由于催化循环中的催化剂是循环系统内部自己产生的，它能够使循环自主的运行和耦合，而且两个或多个互为的反应循环则可能形成一种信息自保持或自复制的系统，所以催化循环的运行效率高，并且循环耦合力强，因此催化循环是比反应循环更高级的循环组织形式，而且它具备生命系统的第二种特性——自复制。催化循环包括自催化反应和交叉催化反应两种类型。

自催化反应是催化反应的最简单代表形式，反应物A在催化剂B的作用下生成更多的B，其中一部分生成物B又作为催化剂转入下一轮新的反应，这样往复来回，形成了一个持续不断的自催化循环，如图2所示。

图2

当两个或两个以上反应物相互催化、相互生成时就构成了交叉催化反应循环，在交叉催化反应循环内部可以包含自催化反应循环。图3所示的是一个简单的交叉催化反应。

图3

超循环。超循环是由各个自催化的循环单元通过功能耦合而联系起来的高级循环组织，它是循环的循环，是由多个反应循环相互结合而构成的复杂反应循环。超循环不仅是一种形式上的循环系统的整合，而且是一种功能性的综合。在超循环组织中，每个组织单元不仅能够自我催化，而且能够与同级甚至不同级的其他组织单元进行交叉催化，即超循环中的复制单元不仅指导自身的复制，而且控制下一个复制单元的复制。超循环系统能够使组织联系得更加紧密，通过循环的方式不断积累能量，当达到一定程度时，就发生突变，促使系统向更高层级跃迁。超循环相应于生命系统的第三个特征——突变性，如图4所示。