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第二讲系统统自然观本讲稿第一页，共三十页第二讲 系统自然观 一、系统科学发展和系统自然观的产生一、系统科学发展和系统自然观的产生 1 1、系统科学的产生与发展、系统科学的产生与发展 2 2、系统自然观的基本内涵和思想、系统自然观的基本内涵和思想 二、自然系统的存在方式二、自然系统的存在方式 三、自然系统的演化方式三、自然系统的演化方式 四、系统自然观确立的重大意义四、系统自然观确立的重大意义 本讲稿第二页，共三十页一、系统科学发展和系统自然观的产生一、系统科学发展和系统自然观的产生1 1、系统科学（复杂科学）的产生与发展、系统科学（复杂科学）的产生与发展（1 1）系统科学的产生和发展）系统科学的产生和发展1616世纪文艺复兴之后的近代欧洲科学革命，是建立在经典力学和机械唯物主义世纪文艺复兴之后的近代欧洲科学革命，是建立在经典力学和机械唯物主义自然观基础上的科学体系。其主要特征：自然观基础上的科学体系。其主要特征：还原论、可逆性、简单性、线性有序性、因还原论、可逆性、简单性、线性有序性、因果决定论、绝对客观性等等果决定论、绝对客观性等等。认为复杂性是现实的表面现象，追求结果的简单性和统。认为复杂性是现实的表面现象，追求结果的简单性和统一性则构成了它的本质特征一性则构成了它的本质特征。系统科学是以系统为研究对象的一类新型的科学群。是系统科学是以系统为研究对象的一类新型的科学群。是2020世纪中叶以来发展最快世纪中叶以来发展最快的一大类综合性科学。的一大类综合性科学。它包括系统论、信息论、控制论、耗散结构论、协同论以及运筹学、系统工程、信息传它包括系统论、信息论、控制论、耗散结构论、协同论以及运筹学、系统工程、信息传播技术、控制管理技术等等许多学科在内。播技术、控制管理技术等等许多学科在内。本讲稿第三页，共三十页系统科学的发展主要包括以下三个阶段：系统科学的发展主要包括以下三个阶段：第一阶段：研究存在：第一阶段：研究存在：20世纪世纪4060年代，系统论、信息论、控制年代，系统论、信息论、控制论可以看作系统科学的理论奠基。论可以看作系统科学的理论奠基。19481948年，加拿大籍奥地利人，年，加拿大籍奥地利人，贝塔朗菲创立贝塔朗菲创立“系统论系统论”：是研究系统的一般模式、结构和规律的学问，它研究各种系统的共同是研究系统的一般模式、结构和规律的学问，它研究各种系统的共同特征，用数学方法定量地描述其功能，寻求并确立适用于一切系统的原理、原特征，用数学方法定量地描述其功能，寻求并确立适用于一切系统的原理、原则和数学模型，是具有逻辑和数学性质的一门科学。则和数学模型，是具有逻辑和数学性质的一门科学。1948 1948年，美国，年，美国，申农申农 “信息论信息论”:是运用概率论与数理统计的方法研究信息、信息熵、通信系统、数据传输、是运用概率论与数理统计的方法研究信息、信息熵、通信系统、数据传输、密码学、数据压缩等问题的应用数学学科。密码学、数据压缩等问题的应用数学学科。1948 1948年，美国，年，美国，维纳创立维纳创立“控制论控制论”:是研究各类系统的调节和控制规律的科学。它是自动控制、通讯技术、计算是研究各类系统的调节和控制规律的科学。它是自动控制、通讯技术、计算机科学、数理逻辑、神经生理学、统计力学、行为科学等多种科学技术相互渗透形成机科学、数理逻辑、神经生理学、统计力学、行为科学等多种科学技术相互渗透形成的一门横断性学科的一门横断性学科本讲稿第四页，共三十页第二阶段：研究演化：第二阶段：研究演化：6080年代，以耗散结构理论、协同学、年代，以耗散结构理论、协同学、超循环和突变论为代表的自组织理论先后兴起。超循环和突变论为代表的自组织理论先后兴起。自组织理论自组织理论第一次将生命性、演化、历史和选择等概念引入科学，从而在更根本的意第一次将生命性、演化、历史和选择等概念引入科学，从而在更根本的意义上架设了生命与非生命之间、物理学与生物学之间、科学与人文之间的桥梁；义上架设了生命与非生命之间、物理学与生物学之间、科学与人文之间的桥梁；19691969年，普里高津年，普里高津“耗散结构理论耗散结构理论”；它探索远离平衡态系统的非线性相互作用的自它探索远离平衡态系统的非线性相互作用的自组织特性。组织特性。19771977年，德国，哈肯年，德国，哈肯“协同学协同学”；它研究系统从一种组态向另一种组态转换过程中各它研究系统从一种组态向另一种组态转换过程中各组成部分协同行为的规律。组成部分协同行为的规律。7070年代开始，德国生物物理化学家曼弗雷德年代开始，德国生物物理化学家曼弗雷德艾根提出艾根提出超循环理论超循环理论，解释生命起源问，解释生命起源问题，即生命如何从物理和化学的层次突现出来的问题。超循环论认为，在化学进化之后，存在一个题，即生命如何从物理和化学的层次突现出来的问题。超循环论认为，在化学进化之后，存在一个生物大分子的自组织进化。在这个进化过程中，原始的蛋白质和核酸之间的相互作用形成了某种超生物大分子的自组织进化。在这个进化过程中，原始的蛋白质和核酸之间的相互作用形成了某种超循环组织，这种超循环组织能够稳定地、协同整合地朝着自我优化的方向进化。艾根认为，这个超循环组织，这种超循环组织能够稳定地、协同整合地朝着自我优化的方向进化。艾根认为，这个超循环的自组织进化阶段，是理解自然界由化学进化过渡到生物学进化的关键。循环的自组织进化阶段，是理解自然界由化学进化过渡到生物学进化的关键。6060年代末法国数学家年代末法国数学家R.R.托姆为了解释胚胎学中的成胚过程而提出托姆为了解释胚胎学中的成胚过程而提出突变论突变论 :它研究跳它研究跳跃式转变跃式转变、不连续过程和突发的质变，它的基础是结构稳定性。结构稳定性反映同种物、不连续过程和突发的质变，它的基础是结构稳定性。结构稳定性反映同种物体在形态上千差万别中的相似性。突变论的数学基础是奇点理论和分岔理论。体在形态上千差万别中的相似性。突变论的数学基础是奇点理论和分岔理论。本讲稿第五页，共三十页第三阶段：第三阶段：8090年代，混沌、分形、孤立子理论及复杂网络年代，混沌、分形、孤立子理论及复杂网络迅速发展起来，形成了系统科学发展的第三个阶段。迅速发展起来，形成了系统科学发展的第三个阶段。2020世纪世纪6060年代，洛仑兹、年代，洛仑兹、梅、梅、费根鲍姆费根鲍姆“混沌理论混沌理论”；是系统从有序突然变为无是系统从有序突然变为无序状态的一种演化理论，是对确定性系统中出现的内在序状态的一种演化理论，是对确定性系统中出现的内在“随机过程随机过程”形成的途径、机形成的途径、机制的研讨制的研讨。混沌理论认为在混沌系统中，初始条件十分微小的变化，经过不断放大，对其混沌理论认为在混沌系统中，初始条件十分微小的变化，经过不断放大，对其未来状态会造成极大的影响。未来状态会造成极大的影响。“蝴蝶效应蝴蝶效应”：一只蝴蝶在巴西轻拍翅膀，会使更多蝴蝶跟着一起轻拍翅膀。最后：一只蝴蝶在巴西轻拍翅膀，会使更多蝴蝶跟着一起轻拍翅膀。最后将有数千只的蝴蝶都跟着那只蝴蝶一同振翅，其所产生的巨风可以导致一个月后在美国德州将有数千只的蝴蝶都跟着那只蝴蝶一同振翅，其所产生的巨风可以导致一个月后在美国德州发生一场龙卷风。发生一场龙卷风。“钉子效应钉子效应”：丢失一个钉子，坏了一只蹄铁；丢失一个钉子，坏了一只蹄铁；坏了一只蹄铁，折了一匹战马；坏了一只蹄铁，折了一匹战马；折了一匹战马，伤了一位骑士；折了一匹战马，伤了一位骑士；伤了一位骑士，输了一场战斗；伤了一位骑士，输了一场战斗；输了一场战斗，亡了一个帝国。输了一场战斗，亡了一个帝国。本讲稿第六页，共三十页(2)(2)系统及其特点系统及其特点 系统系统是由若干相互联系、相互作用的要素组成的具有特定结构与功能的有机是由若干相互联系、相互作用的要素组成的具有特定结构与功能的有机整体，系统的特点是：整体，系统的特点是：第一第一,系统是由若干系统是由若干要素要素组成的；组成的；第二第二,各要素之间、要素与系统整体之间的相互联系、相互作用，形成了特定的各要素之间、要素与系统整体之间的相互联系、相互作用，形成了特定的结构结构；第三第三,要素彼此之间联系成为一个统一的有机要素彼此之间联系成为一个统一的有机整体整体;第四第四,系统作为一个整体对环境表现出特定的系统作为一个整体对环境表现出特定的功能功能.1 1、系统科学（复杂科学）的产生与发展、系统科学（复杂科学）的产生与发展本讲稿第七页，共三十页2 2、系统自然观的基本内涵和思想、系统自然观的基本内涵和思想 (1)(1)自然界是自然界是以系统形式存在的以系统形式存在的；(2)(2)自然系统自然系统不仅（静态）存在着，而且（动态）演化着；不仅（静态）存在着，而且（动态）演化着；(3)(3)自然界演化自然界演化具有自组织、自我运动、自我创造的特点具有自组织、自我运动、自我创造的特点；(4)(4)自然系统自然系统不仅是确定的，而且有不可预测的随机性；不仅是确定的，而且有不可预测的随机性；(5)(5)自然系统自然系统不仅是简单的、线性的，而且是复杂的、非线性的。不仅是简单的、线性的，而且是复杂的、非线性的。本讲稿第八页，共三十页第二讲 系统自然观 一、系统科学的发展和系统自然观的产生一、系统科学的发展和系统自然观的产生二、自然系统的存在方式二、自然系统的存在方式 1 1、系统是自然界的普遍存在形式、系统是自然界的普遍存在形式 2 2、自然系统的基本特点、自然系统的基本特点 3 3、自然系统的结构和功能、自然系统的结构和功能三、自然系统的演化方式三、自然系统的演化方式 四、系统自然观确立的重大意义四、系统自然观确立的重大意义 本讲稿第九页，共三十页二、自然系统的存在方式二、自然系统的存在方式 1 1、系统是自然界的、系统是自然界的普遍存在形式普遍存在形式自然界大系统自然界大系统总星系系统总星系系统超星系团超星系团星系团星系团银河系银河系太阳系太阳系地球地球生态系统生态系统群体群体个体个体器官器官自然界是无穷嵌套的系统，形成立体网络结构自然界是无穷嵌套的系统，形成立体网络结构本讲稿第十页，共三十页太阳太阳水星水星金星金星地球地球火星火星木星木星土星土星天王星天王星海王星海王星冥王星冥王星本讲稿第十一页，共三十页 农业系统生产子系统 管理、服务子系统科学、教育子系统本讲稿第十二页，共三十页 农业生产系统 产前子系统 产后子系统产中子系统本讲稿第十三页，共三十页 农业产中系统种种植植业业 林木业林木业低等生物业低等生物业 畜牧业畜牧业水产业水产业 本讲稿第十四页，共三十页二、自然系统的存在方式二、自然系统的存在方式 2 2、自然系统的基本特点、自然系统的基本特点自然物质系统自然物质系统能量能量要素要素信息信息要素要素物质物质要素要素（1 1）开放性：等结果性，不同的初始条件可能达到相同的最终状态。）开放性：等结果性，不同的初始条件可能达到相同的最终状态。外部特征：交换；外部特征：交换；内部特征：新陈代谢内部特征：新陈代谢（2 2）动态性：运动、发展、变化；进化与退化）动态性：运动、发展、变化；进化与退化（3 3）整体性：整体大于部分之和）整体性：整体大于部分之和（4 4）层次性：纵向层次、平行并列层次）层次性：纵向层次、平行并列层次本讲稿第十五页，共三十页二、自然系统的存在方式二、自然系统的存在方式 3 3、自然系统的自然系统的结构结构和和功能功能结构结构功能功能（1 1）自然系统的结构：要素之间联系和作用的组织形式、秩序。）自然系统的结构：要素之间联系和作用的组织形式、秩序。主要作用：主要作用：引力引力相互作用（天体）；相互作用（天体）；电磁电磁相互作用；（分子）相互作用；（分子）弱相互作用弱相互作用（原子内部）；强相互作用（原子内部）（原子内部）；强相互作用（原子内部）主要结构类型：主要结构类型：同时态同时态的相对稳定的空间结构；的相对稳定的空间结构；历时态历时态的运动演化的时间结构。的运动演化的时间结构。（2 2）自然系统的功能：与外部环境相互作用中表现出来的性质、能力和功效。体现了系统与外）自然系统的功能：与外部环境相互作用中表现出来的性质、能力和功效。体现了系统与外部物质、能量、信息的输入与输出关系。部物质、能量、信息的输入与输出关系。本讲稿第十六页，共三十页第二讲 系统自然观 一、系统科学的发展和系统自然观的产生一、系统科学的发展和系统自然观的产生二、自然系统的存在方式二、自然系统的存在方式 1 1、系统是自然界的普遍存在形式、系统是自然界的普遍存在形式 2 2、自然系统的基本特点、自然系统的基本特点 3 3、自然系统的结构和功能、自然系统的结构和功能三、自然系统的演化方式三、自然系统的演化方式 四、系统自然观确立的重大意义四、系统自然观确立的重大意义 本讲稿第十七页，共三十页第二讲 系统自然观 一、系统科学的发展和系统自然观的产生一、系统科学的发展和系统自然观的产生二、自然系统的存在方式二、自然系统的存在方式三、自然系统的演化方式三、自然系统的演化方式 1 1、自然系统的演化与进化、自然系统的演化与进化 2 2、自然演化的自组织机制、自然演化的自组织机制 3 3、自然系统演化的基本方式：、自然系统演化的基本方式：分叉、突现和内在随机性分叉、突现和内在随机性四、系统自然观确立的重大意义四、系统自然观确立的重大意义 本讲稿第十八页，共三十页三、自然系统的演化方式三、自然系统的演化方式 1 1、自然系统的、自然系统的演化演化与与进化进化 自自然然系系统统1 1 自自然然系系统统2 2演化演化进化进化：上升的、从无序到有序、从低：上升的、从无序到有序、从低序到高序的不可逆过程或复杂性和多样序到高序的不可逆过程或复杂性和多样性的增长性的增长 。宇宙、地球、生命、人类宇宙、地球、生命、人类退化退化：下降的、从有序到无序、从高：下降的、从有序到无序、从高序到低序的过程序到低序的过程 时间之矢时间之矢不可逆性不可逆性 有有序序化化 不对称性（对称性破缺）不对称性（对称性破缺）本讲稿第十九页，共三十页宇宙演化生命进化社会发展的不可逆性时间之矢本讲稿第二十页，共三十页三、自然系统的演化方式三、自然系统的演化方式 2 2、自然演化的自组织机制、自然演化的自组织机制 p32 p32 自然系统自然系统1 1 自然系统自然系统2 2演演化化(1)(1)必要条件必要条件:开放性开放性 (2)(2)外部原因外部原因:远离平衡态（环境影响）远离平衡态（环境影响）(3)(3)内在根据内在根据:非线性相互作用（相干作用）非线性相互作用（相干作用）(4)(4)内部机制内部机制:正负反馈正负反馈(5)(5)直直接接诱诱因因：内内部部涨涨落落在在系系统统远远离离平平衡衡态态的的情情况况下下,内内部部因因素素微微小的涨落会导致新系统的产生，即小的涨落会导致新系统的产生，即“生序原理生序原理”。自组织自组织是开放性的自然界物质系统是开放性的自然界物质系统自发自发地或地或自主自主地有序化、组织化和系统化地有序化、组织化和系统化的过程。的过程。其机制在五方面：其机制在五方面：p34-36p34-36本讲稿第二十一页，共三十页三、自然系统的演化方式三、自然系统的演化方式 3 3、自然系统演化的基本方式：、自然系统演化的基本方式：(1)1)分叉分叉 自自然然系系统统进进化化中中的的不不断断分分化化，产产生生多多种种可可能能性性和和分分支支的的演演化形式化形式自自然然系系统统1自然系统自然系统2（1）演化自然系统自然系统2（2）稳定稳定不稳定不稳定稳定稳定分分叉叉本讲稿第二十二页，共三十页进化树的分叉进化树的分叉本讲稿第二十三页，共三十页三、自然系统的演化方式三、自然系统的演化方式 3 3、自然系统演化的基本方式、自然系统演化的基本方式：(2)2)突现突现 自然系统中新形态、结构和性质作为整体的突然出现自然系统中新形态、结构和性质作为整体的突然出现。自自然然系系统统1 1 自然系统自然系统2 2 渐变演化 自然系统自然系统1 1 突变演化 突发性突发性间断性间断性不可预测性不可预测性新情况新情况 新物种新物种本讲稿第二十四页，共三十页三、自然系统的演化方式三、自然系统的演化方式 3 3、自然系统演化的基本方式、自然系统演化的基本方式：(3)3)内在随机性内在随机性 p60 p60 对对于于确确定定性性的的非非线线性性系系统统，即即使使没没有有外外部部的的随随机机作作用用，系系统统内内部也会产生内在随机性，如量子力学。部也会产生内在随机性，如量子力学。自自然然系系统统1 1 自然系统自然系统2 2 线性演化 自然系统自然系统1 1 非线性演化 相互作用的量相互作用的量之间没有比例之间没有比例不确定性不确定性偶然性偶然性相互作用的量之相互作用的量之间有比例间有比例确定性确定性必然性必然性本讲稿第二十五页，共三十页第二讲 系统自然观 一、系统科学的发展和系统自然观的产生一、系统科学的发展和系统自然观的产生二、自然系统的存在方式二、自然系统的存在方式三、自然系统的演化方式三、自然系统的演化方式 1 1、自然系统的演化与进化、自然系统的演化与进化 2 2、自然演化的自组织机制、自然演化的自组织机制 3 3、自然系统演化的基本方式：、自然系统演化的基本方式：分叉、突现和内在随机性分叉、突现和内在随机性四、系统自然观确立的重大意义四、系统自然观确立的重大意义 本讲稿第二十六页，共三十页第二讲 系统自然观 一、系统科学的发展和系统自然观的产生一、系统科学的发展和系统自然观的产生二、自然系统的存在方式二、自然系统的存在方式三、自然系统的演化方式三、自然系统的演化方式 四、系统自然观确立的重大意义四、系统自然观确立的重大意义 1 1、丰富和发展了辩证唯物主义自然观、丰富和发展了辩证唯物主义自然观 2 2、系统自然观提供了系统思维方式、系统自然观提供了系统思维方式本讲稿第二十七页，共三十页四、系统自然观确立的重大意义四、系统自然观确立的重大意义 (1)(1)揭揭示示了了自自然然界界的的系系统统性性、整整体体性性和和层层次次性性，丰丰富富和和深深化化了了辩辩证证唯唯物物主主义义的的物质观物质观。(2)(2)揭揭示示了了自自然然界界物物质质系系统统的的开开放放性性、动动态态性性和和自自组组织织性性，极极大大地地丰丰富富和和深深化化了了辩辩证唯物主义的证唯物主义的运动观运动观。(3)(3)揭示了时间的不可逆性，揭示了时间的不可逆性，丰富和深化了辩证唯物主义的丰富和深化了辩证唯物主义的时空观。时空观。(4)(4)揭揭示示了了自自然然界界在在循循环环发发展展中中有有序序与与无无序序、进进化化与与退退化化的的辩辩证证统统一一，论论证证了了辩辩证证唯唯物物主义自然观关于主义自然观关于运动、发展的大循环思想。运动、发展的大循环思想。1 1、丰富和发展了辩证唯物主义自然观。、丰富和发展了辩证唯物主义自然观。本讲稿第二十八页，共三十页(1(1)系系统统思思维维方方式式，即即把把对对象象当当作作一一个个系系统统的的整整体体加加以以思思考考，根根据据系系统统的的性性质质、关关系系、结结构构，把把对对象象的的各各个个组组成成要要素素有有机机地地组组织织起起来来，构构成成模模型型，研研究究系系统统的的功功能能和和行行为，它是具有整体性、综合性、定量化和精确化特征的思维方式。为，它是具有整体性、综合性、定量化和精确化特征的思维方式。(2)(2)系统思维方式认识研究对象的基本思路系统思维方式认识研究对象的基本思路：第第一一，把把对对象象作作为为要要素素以以一一定定的的联联系系组组成成的的结结构构与与功功能能的的统统一一整整体体(系系统统)来来考考察察，从从整整体体、部部分分、环环境境的的相相互互联联系系、相相互互制制约约、相相互互依依赖赖的的关关系系中中，揭揭示示对对象象的的整整体体性性质质和和运动规律。运动规律。第二，第二，整体整体具有不同于各要素功能简单相加的新功能。具有不同于各要素功能简单相加的新功能。第第三三，把把所所观观察察的的系系统统都都看看作作动动态态的的开开放放系系统统，任任何何系系统统都都处处于于一一定定环环境境之之中中，它它与外界环境有着千丝万缕的联系。与外界环境有着千丝万缕的联系。第第四四，系系统统思思维维方方式式对对某某一一具具体体系系统统的的研研究究侧侧重重于于无无序序、不不稳稳定定性性、多多样样性性、不不平平衡性、非线性等方面。衡性、非线性等方面。2 2、系统自然观提供了系统思维方式、系统自然观提供了系统思维方式 本讲稿第二十九页，共三十页第二讲 系统自然观 一、系统科学的发展和系统自然观的产生一、系统科学的发展和系统自然观的产生 1 1、系统系统科学的产生与发展科学的产生与发展 2 2、基本内涵和思想、基本内涵和思想 （系统、演化、自组织、随机性、非线形）（系统、演化、自组织、随机性、非线形）二、自然系统的存在方式二、自然系统的存在方式 （嵌套立体网络、特点、结构和功能）嵌套立体网络、特点、结构和功能）三、自然系统的演化方式三、自然系统的演化方式 （演化：进化与退化；分叉、突现、随机；循环无限）演化：进化与退化；分叉、突现、随机；循环无限）四、系统自然观确立的重大意义四、系统自然观确立的重大意义 本讲稿第三十页，共三十页