第2章自然界的演化发展.ppt

第第2 2章章 自然界的演化发展自然界的演化发展2.1 2.1 自然界演化的科学图景自然界演化的科学图景2.3 2.3 自然界演化的自然界演化的机制和条件机制和条件关键词：不可逆性关键词：不可逆性 自组织性自组织性2.1 2.1 自然界演化的科学图景自然界演化的科学图景v何谓何谓“自然演化具有自然演化具有历史性历史性”？ I.I.自然处于发展自然处于发展变动变动之中，而非之中，而非一成不变一成不变II.II.自然界的发展具有时序性、自然界的发展具有时序性、指向性指向性III.III.自然的演化过程具有自然的演化过程具有规律性规律性 1 1、自然的演化是否可以循环回复？、自然的演化是否可以循环回复？（1 1）“时间时间”箭头在描述自然箭头在描述自然的演化中有什么意义？的演化中有什么意义？（2 2）什么是）什么是不可逆不可逆变化？该过变化？该过程是否具有程是否具有普遍性普遍性？(2) (2) 不可逆变化不可逆变化运动运动 可逆变化可逆变化 ( (reversiblereversible）变化变化 不可逆变化不可逆变化（irreversible)irreversible) （演化）（演化）- - 时间反演变换时间反演变换： t -tt -t可逆过程与不可逆过程可逆过程与不可逆过程热力学系统由某一状态出发，经过某热力学系统由某一状态出发，经过某一过程到达另一状态后它能使系统和一过程到达另一状态后它能使系统和外界完全复原，如果存在另一过程外界完全复原，如果存在另一过程，即，使系统回到原来状态，同时即，使系统回到原来状态，同时又完又完全消除原来过程对外界所产生的一切全消除原来过程对外界所产生的一切影响影响，则，则原来原来的过程称为可逆过程。的过程称为可逆过程。反之，如果无论采用何种办法都不能反之，如果无论采用何种办法都不能使系统和外界完全复原，则原来的过使系统和外界完全复原，则原来的过程称为不可逆过程。程称为不可逆过程。 可逆过程可逆过程-一个一个无摩擦力、无耗散的准静态无摩擦力、无耗散的准静态过程称为过程称为可逆过程可逆过程-在可逆过程中，体系从始态变到在可逆过程中，体系从始态变到终态，再从终态回到始态，终态，再从终态回到始态，体系体系和环境都能恢复原状和环境都能恢复原状 自然界是否存在真正意义上自然界是否存在真正意义上 的可逆过程？的可逆过程？实现可逆过程必需包括两个基本实现可逆过程必需包括两个基本条件：条件：（1 1）过程进行时体系内部状态变化）过程进行时体系内部状态变化应始终保持在应始终保持在准静态准静态过程过程（2 2）对外界不留下任何影响）对外界不留下任何影响 不可逆变化的特点不可逆变化的特点v过程过程与与环境环境不能不能同时完全同时完全复复原原 自发自发进行的变化，不可能进行的变化，不可能自发自发地回到原来的状态，地回到原来的状态，而对外界而对外界不发生任何影响不发生任何影响v时间对称性破缺时间对称性破缺 熵：熵：系统演化的重要参数系统演化的重要参数熵熵（entropyentropy，能量的变异，能量的变异) ) s = s = 熵的宏观意义表征系统熵的宏观意义表征系统能量分布的均能量分布的均匀状态匀状态熵的微观意义表征系统内部粒子的熵的微观意义表征系统内部粒子的无无序序程度程度熵的信息学解释认为熵是系统熵的信息学解释认为熵是系统无组织无组织程度的量度程度的量度dQ TM M2 2 Q QT T1 1TT2 2S S1 1= - = - Q 0 Q 0 Q 0 T T2 2S S = = S S1 1+ +S S2 2 = = - - Q + Q + Q 0 Q 0 T T1 1 T T2 2热力学第二定律：热量不可能热力学第二定律：热量不可能自自动地动地从较冷的物体转移到较热的从较冷的物体转移到较热的物体（克劳修斯）物体（克劳修斯）熵的增加熵的增加表明系统中存在着表明系统中存在着自发自发不可逆不可逆的过程的过程2、自然界的演化方向、自然界的演化方向v 演化演化（evolution)evolution) 是一种具有是一种具有不可逆性不可逆性的运动的运动形态形态 系统的结构、特性行为、功系统的结构、特性行为、功能等随着时间的推移而能等随着时间的推移而发生的发生的变化变化，称为系统的演化，称为系统的演化用什么来描述自然的演化方向？用什么来描述自然的演化方向？ 序序 有序有序 无序无序 进化与退化进化与退化 序：体现为系统元素之间的关序：体现为系统元素之间的关系确定系确定 有序：系统诸要素和系统之间有序：系统诸要素和系统之间在时间、空间、结构、功能上在时间、空间、结构、功能上有规则的有规则的联系与转化联系与转化 无序无序 有序与无序是相对的有序与无序是相对的 什么是序？什么是序？进化与退化进化与退化 进化是指事物从无序到有序的进化是指事物从无序到有序的不可逆不可逆过程，或复杂性和多样过程，或复杂性和多样性的增长过程性的增长过程 进化与退化是系统演化的两个进化与退化是系统演化的两个重要方向重要方向进化标准的判定进化标准的判定 自然系统进化的标准：系统自然系统进化的标准：系统内部及其对环境的反应能力内部及其对环境的反应能力 非自然系统进化的标准：系非自然系统进化的标准：系统的功能及其满足人类目的的统的功能及其满足人类目的的程度程度 v 进化与退化的关系进化与退化的关系 - - 相互包含相互包含 - - 同存共生同存共生 - - 相互交替相互交替序（进化）的度量序（进化）的度量1 1、对称性与序、对称性与序 对称操作越多或对称元素增多对称操作越多或对称元素增多（越对称），就越无序（越对称），就越无序2 2、熵与序、熵与序 系统的系统的熵增加熵增加则有序程度降低则有序程度降低（走向（走向无序无序），熵减则走向有），熵减则走向有序序- - 从从进化进化的时间箭头上来看：的时间箭头上来看： 熵增（退化）意味着系统无序熵增（退化）意味着系统无序程度的提高程度的提高 负熵（负熵（与宏观意义的熵的反向与宏观意义的熵的反向量度量度）的增加表征系统的进化）的增加表征系统的进化自然界演化的核心机制自然界演化的核心机制 自组织机制自组织机制什么是自组织什么是自组织（self-organizationself-organization) )？系统依靠系统依靠自身自身的机制形成有的机制形成有序结构的过程序结构的过程系统的要素通过相干协同，系统的要素通过相干协同，而而非通过外界特定非通过外界特定干预形成特干预形成特定结构与功能的过程定结构与功能的过程其实质在于系统内部组分的其实质在于系统内部组分的相干与协同相干与协同他组织他组织 系统的要素按照特定指令而形系统的要素按照特定指令而形成特定结构与功能的过程成特定结构与功能的过程 其实质在于执行指令其实质在于执行指令自然演化的自组织机制自然演化的自组织机制1 1、开放开放是系统进化的先决条件是系统进化的先决条件2 2、非平衡非平衡是有序之源是有序之源3 3、系统进化的内在根据、系统进化的内在根据: :非线性机非线性机制制 4 4、系统进化的直接诱因：随机、系统进化的直接诱因：随机涨涨落落系统的三种状态系统的三种状态平衡态平衡态近平衡态近平衡态远离平衡态远离平衡态系统的三种状态系统的三种状态-平衡态平衡态：系统宏观参量无差别状态：系统宏观参量无差别状态-近平衡态近平衡态（线性平衡态）：（线性平衡态）： 系统状态参量仅有微小差异的状态系统状态参量仅有微小差异的状态-远离平衡态远离平衡态（进入非线性区）（进入非线性区） 系统状态参量之间存在着最大或较系统状态参量之间存在着最大或较大差异大差异熵增与进化熵增与进化v演化是一种具有演化是一种具有不可逆性不可逆性的的运动形态运动形态v一切一切不可逆不可逆过程都是向着过程都是向着熵熵增加增加的方向进行的方向进行v熵增意味着系统熵增意味着系统无序无序程度的程度的提高提高 薛定谔在薛定谔在生命是什么生命是什么? ?中指出：中指出： 一个生命有机体在不断地增加它的一个生命有机体在不断地增加它的熵熵你或者可以说在增加正熵你或者可以说在增加正熵并趋于接近最大熵值的危险状态，并趋于接近最大熵值的危险状态，那就是死亡，要摆脱死亡，就是说那就是死亡，要摆脱死亡，就是说要活着，唯一的办法是从环境中不要活着，唯一的办法是从环境中不断吸取断吸取负熵负熵，有机体是依赖负熵有机体是依赖负熵为生的为生的 ，这就是生命的热力学，这就是生命的热力学基础基础。开放系统的总熵变为开放系统的总熵变为：ds = dds = de es + ds + di is s 为系统内部的不可逆过程引起为系统内部的不可逆过程引起 的熵变化率，叫做熵产生的熵变化率，叫做熵产生 为系统与外界交换物质和能量为系统与外界交换物质和能量 引起的熵变化率，称熵流引起的熵变化率，称熵流当系统从外界获得的负熵流大于系统当系统从外界获得的负熵流大于系统内部的熵产生时：内部的熵产生时：ds des dis dt dt dt disdtdesdtdes dis ds0dt dt dt0系统的开放使之能够借助外部环境输系统的开放使之能够借助外部环境输入的负熵克服、入的负熵克服、抵消抵消系统内部的系统内部的熵增熵增，从而提供了进化从而提供了进化/ /发展的发展的可能可能开放系统与封闭系统开放系统与封闭系统开放系统：与环境进行物质、能量交开放系统：与环境进行物质、能量交换，其边界往往有间断点，具有可以换，其边界往往有间断点，具有可以进出的通道进出的通道封闭系统：封闭系统： 系统阻止自身与环境进行系统阻止自身与环境进行物质交换，其边界是完全封闭的、连物质交换，其边界是完全封闭的、连续的、不可渗透的，没有可以进出的续的、不可渗透的，没有可以进出的通道（注：只是与环境的交换及其微通道（注：只是与环境的交换及其微弱，可以忽略不计）弱，可以忽略不计）系统进化的基本条件系统进化的基本条件（1 1）远离平衡态远离平衡态（2 2）开放开放：必须与外界进行物质、：必须与外界进行物质、能量的交换，即必须开放才有可能量的交换，即必须开放才有可能远离平衡态能远离平衡态v开放与远离平衡是系统进化的开放与远离平衡是系统进化的必要必要而而非充分非充分条件条件3 3、系统进化的内在根据、系统进化的内在根据系统元素之间的系统元素之间的非线性相互作用非线性相互作用是是系统进化的基础和根本机制系统进化的基础和根本机制非线性作用产生的非线性作用产生的相干相干效应效应、分岔、分岔效应和效应和临界临界效应是系统存在和进化效应是系统存在和进化的重要前提和基本机制的重要前提和基本机制非线性机制规定了系统演化的可能非线性机制规定了系统演化的可能方向与路径方向与路径线性作用与非线性作用的对比线性作用与非线性作用的对比线性作用线性作用非线性作用非线性作用f(ax1+bx2)=af(x1)+bf(x2)满足叠加原满足叠加原理理 y= f( , x ) 不满足叠加不满足叠加原理原理各因素相互独立，整体各因素相互独立，整体等于部分之和等于部分之和 各作用因素具有相干性，整各作用因素具有相干性，整体不等于部分之和体不等于部分之和表现为均匀性与确定性表现为均匀性与确定性表现为明显的不规则性与非表现为明显的不规则性与非均匀性均匀性非平衡态系统的动力学方程非平衡态系统的动力学方程分岔分岔在控制参数越过临界值时，原来的热在控制参数越过临界值时，原来的热力学分支失去了稳定性，同时产生了新力学分支失去了稳定性，同时产生了新的稳定的耗散结构分支，在这一过程中的稳定的耗散结构分支，在这一过程中系统从热力学混沌状态系统从热力学混沌状态转变为有序转变为有序的耗的耗散结构状态，其间微小的涨落起到了关散结构状态，其间微小的涨落起到了关键的作用键的作用阈值即临界值对系统性质的变化有着阈值即临界值对系统性质的变化有着根本的意义根本的意义突变突变这种在临界点附近控制参数的这种在临界点附近控制参数的微小改变导致系统状态明显的大微小改变导致系统状态明显的大幅度变化的现象，叫做突变幅度变化的现象，叫做突变耗散结构的出现都是以这种临耗散结构的出现都是以这种临界点附近的突变方式实现界点附近的突变方式实现的的4 4、系统进化的直接诱因、系统进化的直接诱因随机涨落随机涨落某一时刻对系统状态某一时刻对系统状态统计平均值的统计平均值的微小偏微小偏离离可由系统内部的可由系统内部的不规不规则运动则运动，也可由环境，也可由环境不可控的不可控的干扰干扰引起，引起，是一种随机的、不可是一种随机的、不可预言的事件预言的事件 微小涨落使系统发生微小变化，这微小涨落使系统发生微小变化，这一变化通过非线性的反馈机制而被一变化通过非线性的反馈机制而被放大，从而使系统跃迁到一个新的放大，从而使系统跃迁到一个新的稳定有序状态稳定有序状态耗散结构理论耗散结构理论一个一个远离平衡态远离平衡态的的非线性非线性的的开放系统开放系统( (不管是物理的、化学的、生物的乃至不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统社会的、经济的系统) )通过不断地与外通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个参界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过量的变化达到一定的阈值时，通过涨落涨落，系统可能发生系统可能发生突变突变即非平衡相变，由原即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态空间上或功能上的有序状态这种在远离平衡的非线性区形这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，成的新的稳定的宏观有序结构，由于需要不断与外界交换物质由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称之为或能量才能维持，因此称之为“耗散结构耗散结构” ” (dissipative structure)自然的演化特征自然的演化特征自然界的演化是有序与无序不断转化，自然界的演化是有序与无序不断转化，进化与退化不断交替，处于永恒的物进化与退化不断交替，处于永恒的物质循环之中质循环之中