第三章 自然界的演化规律

也就是说远离平衡态可能出现的是一种令人 惊异的有序状态，此时无数个分子在时间和 空间中的行为达到协调一致。普里高津将此 称为“耗散结构”，因为它们发生在系统和 外界之间有物质和能量交换的情况下，同时 伴有系统的熵产生（耗散）。这些导致耗散 结构生成的复杂而相互依赖的过程，共同的 名称叫做“自组织”。
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自然界演化发展的历史，也是自然规律发挥作用的 历史。自然界的演化究竟受哪些规律的影响和支配？ 这是需要运用多学科的认识成果，从多角度进行分 析总结的。从演化的过程看，它受时间之箭的影响 和支配，具有可逆与不可逆的对立统一性；从演化 的动因方面看，它受系统内外条件的影响和制约， 具有线性与非线性、自组织与他组织的协同性；从 演化的状态和形式看，它表现为进化与退化、有序 与无序、循环与超循环的多种形式的复杂性。本章 对这些基本规律将作进一步考察。
二、热力学的时间之箭：熵增加 在卡诺的热机理论中，没有不可逆的热损失；在迈耶和焦尔 的能量守恒与转化定律中，能量的损耗也被忽略了；但在克 劳修斯的热力学第二定律中，热转化为功时，总有一部分热 能被耗散掉了，这意味着能量转化具有不可逆的特征。在这 个基础上，克劳修斯提出了“熵”的概念，它表示一个系统 在一定过程中所吸收（或耗散）的热量的状态函数。在一个 孤立的系统中，熵随着时间的增加而不停地增长，当所有的 能量都耗尽时，它就达到了极大值。因而熵给所有孤立系统 提供了一个时间箭头，当熵达到极大值时，孤立系统的时间 演化就停止了，该系统就处于它最无序的状态
那么，什么是负熵呢？在热力学中，熵值只有在绝 对零度时才为零而第三定律表明绝对零度不可能达 到，所以，熵值根本不是指负的熵值，而是对与熵 完全相反的一种情况的一种描述，如负熵是指能促 进系统增加其秩序或组织性的一种特性。而玻尔兹 曼的H函数是随着时间而减小的，这个函数为熵的 箭头提供了一个互补的箭头，熵在系统向平衡态演 化过程中是随时间增加的，这样他就通过“分子混 沌”假设在分子层次上解释了不可逆性的根源。
对时间和物质存在方式的之间的关系的讨论，使爱 因斯坦提出了相对论，可是相对论本身并不能对时 间进行方向性区别，把正的时间换成负的时间时， 度规结构（它决定了时空的几何性质）以及由它而 来的运动方程都保持不变；给出在任一时空坐标上 的条件后，宇宙的整个历史和将来都可以计算出来， 但人们运用相对论思想研究宇宙起源时却发现存在 奇点的困难，也就是说相对论在解释自然界的最初 状态和演化的方向等方面仍是无效的。
但现实世界中，无论是热力学的熵增现象， 还是生物学的进化现象，都表明自然演化具 有时间性的特征。如何将传统理论中包含的 可逆性和不可逆性协调起来，一直是科学界 和哲学界普遍关注的问题。
一、可逆与不可逆 可逆性是指事物在经过变化之后，仍能回复到以 前的状态，因此系统科学长将可逆性称为回归性。 严格的回归性要求完全回复到初始状态，一般的回 归性只要求回到该状态的附近。有限次回归后便逃 逸掉的状态，仍不能算是具有回归性，只有在t→∝ 过程中无限次的回归到其附近的状态，即永不逃逸 的状态，才真正具有回归性。从这个要求来看，世 界上根本没有绝对的真正的可逆变化。
也许是基于这种考虑，普里戈津强调，无论 可逆或不可逆都不是唯一普适的过程，在一 个多元化的世界中，可逆性与不可逆性是并 存于现实之中的。因此，对我们来说，重要 的不是找出简单纯粹的可逆性与不可逆性， 而是要探讨现实事物中究竟包含哪些可逆与 不可逆的因素，它们对物质世界的演化发展 起着怎样的作用。
怎样使耗散结构与“宇宙热寂”的思想统一 呢？如果我们不具体研究非平衡系统的演化， 就会看着无序性的增长，最终一切变化停止 而达到热平衡。但是对于非平衡过程的研究 证明，一个远离平衡态演化的宇宙，是不能 如此简单处理的。在这样的宇宙中，不可逆 的非平衡态热力学允许产生自发的自组织结 构，使得星系、行星直到细胞、生物得以出 现。
第一节 自然界演化的时间性 自然界的演化与时间的关系，直接的表现形 式是随着时间的推移，自然界物质的存在方 式发生了变化。但在经典物理学中（如牛顿 力学和爱因斯坦的相对论）时间的作用却被 忽视了，牛顿引入时间概念来解释运动，将 运动定义为位置随时间的变化，但时间这个 基本概念是什么，却缺乏界定。
此种功能的发现使耶鲁大学的阿尔特曼Sidney Altman和科 罗拉多大学的捷克Thomas Cech荣获1989年的诺贝尔奖） 生物分子一旦具备了自组织的功能，非线性反应所需要的反 馈机制也就形成了，这样就会出现复杂分子在时间和空间上 的演化。奥帕林（Alexander Oparin）的“凝聚模型”、 福克斯（S-W-Fox）的“团聚体”、哥岱科(Richard Goldaacre)的“类脂双层体”模型都用相近的方式解释了 这个原理。DNA和RNA的演化变异被看成一个分子生物钟， 高能辐射和复制过程中的错误都是导致突变的原因，在更复 杂的范围内可以运用英国数学家和计算机科学家图灵的思想 加以分析。图灵在把一个描述精神的简单机械图像和纯数学 结合起来，说明了机器可以模拟思想，他力图找出生物学的 形态来源，即细胞是如何构成有机体的，他发现在这个过程 中信息的改变是导致细胞球体对称性破缺的重要因素
对于在第一个转折点之后会发生什么情况，进一步 研究将显示系统出现的多种可能性或“分叉”。它 可能预示着系统将出现多种状况，在整体熵快速增 长的同时，却可能观察到极其有序行为的出现。对 于一个化学家，这可能意味着一只周期性改变颜色 的化学钟或者试管里显现的彩色图案；对于一个生 态学家，可能意味着动物种群中新的稳恒态或交替 变化；对于一个医生，也许意味着一次心脏病发作
但是一些科学家设想如果运用“粗粒化”方法，可 以对玻尔兹曼的不可逆性问题重新解释，如物理学 家杰恩斯（EdJaynes）说我们之所以对亿万个分 子构成的运动无法追踪认识，“不是因为物理过程 本身不可逆，而是因为我们追循物理过程的能力有 限。”也就是说，如果我们的感觉足够灵敏，我们 就可以看到分子的单独运动，从而可以去证实，所 有的过程在这种微观层次上是可逆的。这种思想经 过信息论的处理变成了现实。申侬认为从伴随噪音 而接收下来的一切信号中，可以获得有用的信息。 噪音的本质是无序的，这与信息的有序性形成对照， 信号中的信息量越大，它的熵就越小。
克劳修斯将宇宙当成一个孤立系统，并预言宇宙的 总熵是在无情地朝着它的极大值增长，即宇宙热寂 说。在克劳修斯看来，熵增加是一个自发的不可逆 过程，因为自然系统很难有绝对的热平衡态，这样 在现实世界中，熵的意义可以有以下两种理解：第 一，熵的宏观意义是系统能量分布均匀程度的衡量 标志，能量分布越不均匀，熵越小；能量分布越均 匀，熵越大；能量分布从不均匀趋向于均匀，则熵 增加。第二，熵的微观意义是对系统内部粒子的无 序化程度的标志，熵值越大，无序化程度越高，反 之，熵值越小，系统内部的有序化程度增大。
随着非平衡态热力学的兴起，人们对不可逆性的理解又走向 更为深刻地讨论之中。非平衡态热力学分成两个分支：线性 分支描述接近平衡的系统行为，非线性分支处理系统远离平 衡时的情况。普里高津发现，在线性表现良好的区域，热力 学耗散降到它可能的最低点。这样，系统熵的变化率，也就 是内禀的熵产生将会减小：系统在通常情况下演化到一个稳 定的或不变的状态时，耗散处于极小值；在热扩散的情况下， 总的熵可能是增加的，但是当气体最终的浓度梯度已经建立 以后，内禀熵的产生率就处在它的最低值。普里高津的最小 耗散图像比起最大熵的平衡概念来对我们更为有用，因为它 与实际世界的关系更为密切——在实际世界中，没有什么是 真正处于平衡态的。
这样信息与熵之间构成了一种相反的关系， 所以，维纳、布里渊、贝塔朗菲等多位科学 家都将信息与负熵视为同义语。
生物的进化过程，是生物分子有序化程度不断提高 的历史，也就是不断吸取负熵，提高自组织能力的 历史。现在的生物化学表明，氨基酸、类蛋白、类 核酸等生物分子都可以通过人工合成的途径得到， 但是在没有人工控制的原始自然条件下是如何完成 这样严格的要求的呢？生物化学研究开始了对自然 系统的自组织机制的探索。人们发现：不仅蛋白质 使酶作为催化剂具有专一性，保证催化核酸使其完 成自我复制及遗传变异，而且新近研究发现RNA高 分子也具有自催化功能，它是细胞形成以前的第一 推动者。
传统科学为了将复杂性的问题简单化处理， 常常将不可逆性因素舍弃不予考虑。这样就 出现了上面我们所说的经典物理学和相对论 都没有讨论时间反演状况下的物体运动规律 的变化。
现代物理学在这方面进行了极其艰苦的探索，使这一状况获 得了明显的突破。狄拉克的正电子在时间上具有向后退行的 特征，费曼的电子理论需要不同的时间方向同时存在。吕德 斯（G-Luders）于1954年，泡林于1955年分别提出了CPT 定理，该定理对物质与反物质、空间对称性和时间的方向性 作了最理想的处理和解释。这个定理来源于一些定律的对称 性，把任何过程中的粒子换成反粒子、把该过程换成它的镜 像、以及把时间倒转这三个变换同时操作的情况下，这些定 律保持不变。即C电荷共轭，它把物质转换成反物质；P空 间反演，它把空间坐标转换成它的镜像；T时间反演，它把 时间方向倒转。CPT定理断言，物理规律预言了在一种“泛 镜像”世界中的等量但相反的事件；它同时可以说明，时间 对称性是如何可能被破坏从而产生出时间箭头。
三、进化论的时间之箭：负熵增加 对生物起源的解释，在很大程度上，人们都 依赖进化论。但要从简单的物质形式演化出 复杂的生命形态，是需要漫长的时间的。可 是依照热力学第二定律，随着时间的推移， 自然系统的熵值会不断增大，无序化趋势是 在所难免，这样的自然界怎么可能允许出现 有序化程度越来越高的生命现象存在呢？
薛定谔在《生命是什么》一书中说：“自然界中正 在进行着每一件事，都意味着它在进行的那部分世 界的熵的增加。因此，一个生命体在不断地增加它 的熵，并趋于接近最大值的熵的危险状态，那就是 死亡。要摆脱死亡，就是说要活着，唯一的办法就 是从环境里不断地吸取负熵。有机体就是依赖负熵 为生的。或者更确切地说，新陈代谢中的本质东西， 乃是使有机体成功地消除了当它自身站着的时候不 得不产生的负熵。”
在微观基本粒子物理世界中，有一个奇特的现象， 被认为是破坏了时间两个方向之间的对称性，这就 是克罗宁（J-W-Cronin）和(V-L-Fitch)发现的长寿 K介子的衰变过程。（他们因此获得1980年诺贝尔 奖）在大多数衰变中，K介子生成一个负的π介子、 一个正电子和一个中微子，这一过程的CP对称性被 证明是保持不变的；然而K介子同样也可以衰变为 （大约在10亿次衰变中有一次）一个正的π介子、 一个电子和一个反中微子，这时候CP对称性就会受 到破坏。按照CPT定理，T对称性在这罕见的过程 中也同样受到破坏：时间可逆的事件被禁止，过程 成为不可逆的，时间箭头便显现出来
现实的自然过程严格的说都是不可逆过程。不仅热 传导、质量扩散、粘滞流动、功热转化、化学反应、 生命发育、物种进化是不可逆的，即使经典物理所 研究的单摆、弹性碰撞、等温过程、绝热平衡过程 等在考虑摩擦、辐射等因素时也是不可逆的。由此 看来，可逆性是相对的,不可逆性是绝对的。但对于 具体的过程来说，不可逆过程也往往包含着某些可 逆的因素,功热转化在能量品位上是不可逆的，但转 化能力却有可逆性；化学反应在总体上是不可逆的， 但生成物依然可以复原为反应物；生长发育和衰老 是不可逆过程，但机体的协调性和组织性却经历着 由低到高和由高到低的过程
对于远离平衡态的非线性系统，普里高津和布鲁塞 尔学派的另一位系统科学家格兰斯多夫给出了一个 新判据——格兰斯多夫-普里高津判据。它的意思是： 远离平衡的开放系统，能量和质量都可以变动，系 统的行为由非常复杂的非线性关系所支配，当系统 偏离平衡态太远时，这种稳恒状态就变得不稳定了。 此时可能会出现一个“转折点”，或者称作“分差 点”，系统在此处会偏离稳恒态，而演化到某种其 他状态。
按照基本粒子物理学的对称自发破缺规则，规范场 的对称自发破缺的后果就是规范场量子获得了质量。 在物理上一个简单例子是铁磁体的有序无序相变， 在温度高于居里温度时，铁磁体的分子磁距是无规 则的；如将其温度降至居里温度之下，分子磁距在 单畴范围内取某一方向有序排列。经过对称破缺的 宇宙，开始了一个新的相边过程，即进入暴涨时代。 在这样的物质世界中，系统的演化具有完全不可复 原的特征，就是我们所讨论的不可逆性。