第2讲-自然界的演化发展.ppt

自自 然然 观观n 第第2 2讲讲 自然界的演化发展自然界的演化发展3/8/20231自然辩证法-第二章一，自然界的历史性n自然界的演化过程n1，宇宙的起源与演化n宇宙大爆炸3/8/20232自然辩证法-第二章3/8/20233自然辩证法-第二章星系与恒星的演化n引力收缩阶段n主序星阶段n红巨星阶段n高密恒星阶段3/8/20234自然辩证法-第二章太阳系与地球的演化3/8/20235自然辩证法-第二章地球的演化3/8/20236自然辩证法-第二章生命的起源3/8/20237自然辩证法-第二章3/8/20238自然辩证法-第二章第二节第二节 自然界演化的若干规律自然界演化的若干规律n一、自然界演化的周期性和不可逆性一、自然界演化的周期性和不可逆性n 1、周期性n2、不可逆性 n可逆反应：过程可以反转、状态可以回归、系统与环境可以复原的变化。n单摆运动卡诺循环n时间反演对称n不可逆反应：变化过程不可反转，状态不能回归，系统和环境不能同时复原的变化。n时间反演不对称 3/8/20239自然辩证法-第二章二、自然界演化的方向性二、自然界演化的方向性n演化：不可逆变化，具有方向性，与时间箭头相联系，未来与过去是不同的，不具有时间反演的对称性，时间对称性的破缺n1、有序、无序与混沌n序 ：标志事物宏观可辨识性的范畴，是指某参量按规律取值的确定程度，能按规律取确定值的是有序，否则是无序。3/8/202310自然辩证法-第二章n序：（熵dS=dQ/T、序参量、信息量）nhttp:/ n故故 有序有序 对应的是对应的是 非对称非对称n 无序对应的则是无序对应的则是 对称对称3/8/202312自然辩证法-第二章3/8/202313自然辩证法-第二章n有序无序是个相对概念，是末状态相对于初状态的差异变化程度n混沌：是系统演化的一种方向。3/8/202314自然辩证法-第二章蝴蝶效应上个世纪的70年代，美国一个名叫洛伦兹的气象学家提出了著名的蝴蝶效应理论。那就是南美洲亚马逊河流域热带雨林中一只蝴蝶偶尔扇动几下翅膀，所引起的微弱气流对地球大气的影响可能随时间增长而不是减弱，甚至可能在两周后在美国得克萨斯州引起一场龙卷风。3/8/202315自然辩证法-第二章蝴蝶效应的含义初始条件的十分微小的变化经过不断放大，对其未来状态会造成极其巨大的差别。这就如古人所说的：“失之毫厘，谬之千里”，“一着不慎，满盘借输”。3/8/202316自然辩证法-第二章Forexample:断了一枚钉子，掉了一只蹄铁；掉了一只蹄铁，挂了一匹战马；挂了一匹战马，摔死了一位将军；摔死了一位将军，吃了一场败仗；吃了一场败仗，亡了一个国家3/8/202317自然辩证法-第二章蝴蝶效应的现代科学理论都告诫我们：要特别注意初始条件、初始状态、基本理论出发点上的微小差别，要对这方面的微小差别保持高度的敏感性。3/8/202318自然辩证法-第二章混沌理论在自然界和社会系统中，事物的运动状态分三类。3/8/202319自然辩证法-第二章第一类是确定性现象，也就是有序的现象，人们可以根据事物的规律，准确预言它们的发展变化和未来状况。第二类是随机性现象，在这种现象里，事物没有必然的运行规律，只能用几率来表示系统的未来状况。3/8/202320自然辩证法-第二章第三类是混沌现象，发生混沌现象的系统其运动规律虽然可以用描述清楚，但事物的发展后果并不可以预测。3/8/202321自然辩证法-第二章描述混沌现象运动规律的方程是非线性的。有些事物的发展变化虽然存在规律性，但未来某一时刻的突发事件，使初值发生微小的变动后，会引起事物在较长的时间内作出很大的改变。混沌理论原理3/8/202322自然辩证法-第二章洛伦兹吸引子n洛伦兹(E.N.Lorenz)是当代世界知名的动力气象学家、混沌理论的创立者之一。他在1963年发表的关于混沌理论的开创性研究在被冷落了12年之久以后才得到广泛承认。3/8/202323自然辩证法-第二章洛伦兹吸引子方程及图片n3/8/202324自然辩证法-第二章Forexample:两个质量大的星体和一个小质量的星体组成的系统就是一个混沌系统。虽然可以用牛顿定律写出这一系统的动力学方程，但却无法预言各星体的运动状态。3/8/202325自然辩证法-第二章Forexample:尽管现今的天气预报拥有高效的计算机和精确的测试数据（温度、风速、气压、方向），但气候的变化仍属于混沌现象。哪怕是一个很小的意外干扰，都会导致另一种气候状况。3/8/202326自然辩证法-第二章混沌现象虽然本质上是有序的，是一种确定性运动，但表现形式确实无序的，变化无常的，因而长期行为是无法预测的。3/8/202327自然辩证法-第二章混沌现象及其理论广泛地应用于城市交通、工程建筑、信息处理、循环系统、传感装置、甚至是经济预测和政治危机等方面。混沌理论的应用3/8/202328自然辩证法-第二章 如如:2007年年10月月17日中国证监会副主席屠光绍表日中国证监会副主席屠光绍表示正在研究示正在研究A股和股和H股互换问题。股互换问题。受消息面影响，受消息面影响，10月月18日深沪股市大幅缩量下挫，上日深沪股市大幅缩量下挫，上证指数一举跌破证指数一举跌破6000点，至收盘跌至点，至收盘跌至825.28点，下跌点，下跌211点，跌幅达点，跌幅达3.5。深证成指也跌去。深证成指也跌去606点，跌至点，跌至18681.35点，跌幅达点，跌幅达3.15。流通市值前十名的个股。流通市值前十名的个股全线飘绿，两市总市值较前一交易日蒸发了全线飘绿，两市总市值较前一交易日蒸发了10101亿元。亿元。18日晚有关部分表示屠的发言属“口误”3/8/202329自然辩证法-第二章2、进化和退化进化：有序程度提高，混乱程度减少.退化：无序程度提高，混乱程度增加病菌或害虫进化与退化的统一性认识到自然界存在进化和退化两种趋势和过程，进化退化相互包含、共存共生和相互交替3/8/202330自然辩证法-第二章问题：（1）进化与退化是否互相排斥？（2）系统的进化是以环境的某些退化为代价的吗？*back 系统dSe外界-dSe3/8/202331自然辩证法-第二章熵增原理 热力学第二定律通常表述为：热量总是从高温物质自动地传到低温物质，孤立系统内没有温差的热运动不能再转化为功。或者也可以表述为：任何一个封闭的系统乃至宇宙的无序性（或者说能量转化为有用功的不可逆性，克劳修斯将其命名为熵）总是不断增大，并趋向一个最大值熵增原理3/8/202332自然辩证法-第二章宇宙热寂学说 n克劳修斯将熵增原理推广到整个宇宙，克劳修斯将熵增原理推广到整个宇宙，得出得出“宇宙热寂论宇宙热寂论”，认为整个宇宙都发生着熵增加，认为整个宇宙都发生着熵增加，最后整个宇宙将会达到热平衡，熵值达到最大，最后整个宇宙将会达到热平衡，熵值达到最大，温度差消失，压力变为均匀，所有的能量都成温度差消失，压力变为均匀，所有的能量都成为不可再进行传递和转化的束缚能，整个宇宙为不可再进行传递和转化的束缚能，整个宇宙都陷入停止变化、停止发展的状态。克劳修斯都陷入停止变化、停止发展的状态。克劳修斯预计宇宙将在预计宇宙将在1867年发生热寂。年发生热寂。（与达尔文（与达尔文所提出的生物进化规律相矛盾）所提出的生物进化规律相矛盾）3/8/202333自然辩证法-第二章论宇宙热寂说n在19世纪，能够认识到热寂论谬误的科学只有波耳兹曼和麦克斯韦两人。n早在1866年，玻耳兹曼就注意到生物的生长过程与熵增加相拮抗的事实。他说：“生物为了生存而作的一般斗争，既不是为了物质，也不是为了能量，而是为了熵而斗争。植物铺开了它的面积大得不可计量的叶片，以一种尚未探明的方式，迫使太阳去完成我们在实验室中不知道如何完成的化学合成。”3/8/202334自然辩证法-第二章“麦克斯韦妖”n麦克斯韦模模糊糊地意识到，自然界存在着与熵增加相抗衡的能量控制机制。但他当时无法清晰地说明这种机制。他只能假定一种“类人妖”，能够按照某种秩序和规则把作随机热运动的微粒分配到一定的相格里。这就是1871年出现的有名的“麦克斯韦妖”3/8/202335自然辩证法-第二章恩格斯评热寂说n恩格斯早就说过：“只有指出了辐射到宇宙间的热怎样变得可以重新利用，才能最终解决这个问题。”同时，恩格斯还明确地预言：“放射到太空中去的热一定有可能通过某种途径（指明这一途径，将是以后自然科学的课题）转变为另一种形式，在这种运动形式中，它能够重新集合和活动起来。”3/8/202336自然辩证法-第二章宇宙中散逸的热是怎样重新集中起来的n事实证明，仅从原子和分子这个层次上，是无法解决这一问题的，我们必须着眼于暗物质和恒星这两个层次上才行。n在我们的宇宙中各向同性地分布着许多这种暗物质，它们是以很高的速度作直线运动。计算表明，银河系的总质量至少比光学区的质量大10倍，即银河系的质量中至少有90%是属于暗物质。3/8/202337自然辩证法-第二章恒星演化n恒星发出的能量来源于核反应。德国的魏茨泽克恒星发出的能量来源于核反应。德国的魏茨泽克和美国的贝特认为，可能存在以下两种核反应使和美国的贝特认为，可能存在以下两种核反应使氢转变为氦。氢转变为氦。n质子质子质子反应。质子反应。n 这个反应过程，共有这个反应过程，共有6个质子参与，最后形成个质子参与，最后形成1个个氦核、氦核、2个质子、个质子、2个中微子、个中微子、2个正电子和个正电子和2个光个光子。同时释放子。同时释放24.158电子伏的能量。电子伏的能量。3/8/202338自然辩证法-第二章n碳碳氮氮氧循环氧循环 n这个循环的结果是这个循环的结果是4个质子合成一个氦核，同时产个质子合成一个氦核，同时产生生2个正电子、个正电子、2个中微子和个中微子和3个光子，释放出个光子，释放出25.03兆电子伏特的能量。参与反应的碳元素在核兆电子伏特的能量。参与反应的碳元素在核反应前后没有发生任何变化，而氮、氧同位素只反应前后没有发生任何变化，而氮、氧同位素只是在中间过程中产生又消失。是在中间过程中产生又消失。n当恒星里的氢耗尽后核反应会一个接着一个，氦当恒星里的氢耗尽后核反应会一个接着一个，氦聚变为碳、碳聚变为氧和镁、氧聚变为氖和硫、聚变为碳、碳聚变为氧和镁、氧聚变为氖和硫、.最后全部变成铁。然后恒星会崩溃而形成超最后全部变成铁。然后恒星会崩溃而形成超新星爆发。新星爆发。3/8/202339自然辩证法-第二章n天体中不断有氢生成并不是无中生有。它是由天体中不断有氢生成并不是无中生有。它是由暗物质生成的。暗物质在恒星中受到足够的阻暗物质生成的。暗物质在恒星中受到足够的阻碍速度变慢到一定的程度以后会相互凝聚成最碍速度变慢到一定的程度以后会相互凝聚成最简单的原子氢，原子氢象原子氧一样，其化学简单的原子氢，原子氢象原子氧一样，其化学性质极其活泼，相互聚合成氦而放出巨大的核性质极其活泼，相互聚合成氦而放出巨大的核能。能。n因此，暗物质在质量足够大的星体中会转变为因此，暗物质在质量足够大的星体中会转变为“明物质明物质”氢。这也从另一角度说明，暗氢。这也从另一角度说明，暗物质至少是比电子更小和更深层次的粒子。物质至少是比电子更小和更深层次的粒子。3/8/202340自然辩证法-第二章n暗物质相互凝聚成最简单的原子氢和原子氢相互聚合成暗物质相互凝聚成最简单的原子氢和原子氢相互聚合成氦的过程是从无序到有序的过程，也是一个放热的过程。氦的过程是从无序到有序的过程，也是一个放热的过程。在这一过程中，是暗物质和原子氢所含有的自由能变成在这一过程中，是暗物质和原子氢所含有的自由能变成热能，从而这一热能是负的（把消耗的热能看成是正的，热能，从而这一热能是负的（把消耗的热能看成是正的，产生的热能就是负的，消耗了一个负的热能，就是产生产生的热能就是负的，消耗了一个负的热能，就是产生了热能），也就是说在这一过程中产生了大量的负熵了热能），也就是说在这一过程中产生了大量的负熵S=-Q/T。这些负熵与宇宙中极其巨大的熵增加过程相。这些负熵与宇宙中极其巨大的熵增加过程相抗衡便足足有余了。抗衡便足足有余了。n同时，这一过程是自发进行的，它不会对环境产生任何同时，这一过程是自发进行的，它不会对环境产生任何影响，不会使环境产生更大的熵增。唯一有影响的是暗影响，不会使环境产生更大的熵增。唯一有影响的是暗物质减少了。有人会问，当暗物质减少到物质减少了。有人会问，当暗物质减少到0，这一过程不，这一过程不是终结了吗？是终结了吗？3/8/202341自然辩证法-第二章n当然不会发生这种情形，因为这还只说了一半，当然不会发生这种情形，因为这还只说了一半，还有熵增过程没有说。熵增的过程是由有序变还有熵增过程没有说。熵增的过程是由有序变无序的过程，恒星中产生出来的热，最终会使无序的过程，恒星中产生出来的热，最终会使氢等明物质重新还原成暗物质而完成一个循环。氢等明物质重新还原成暗物质而完成一个循环。n不难理解宇宙中散逸的热变成暗物质的自由能，不难理解宇宙中散逸的热变成暗物质的自由能，这些自由能又在恒星中重新集中起来变成热，这些自由能又在恒星中重新集中起来变成热，这一过程的不断重复，就是热的无限循环的动这一过程的不断重复，就是热的无限循环的动态平衡态平衡。3/8/202342自然辩证法-第二章只要你抬头仰望满天永不熄灭的繁星，你相信热寂说吗？n由此可见，认为整个宇宙都发生着熵增加，最后整个宇由此可见，认为整个宇宙都发生着熵增加，最后整个宇宙将会达到热平衡，熵值达到最大，温度差消失的观点宙将会达到热平衡，熵值达到最大，温度差消失的观点显然是错误的。因为整个宇宙都发生着熵增加是不符合显然是错误的。因为整个宇宙都发生着熵增加是不符合事实的，恒星中的暗物质变成明物质的过程就是熵减的，事实的，恒星中的暗物质变成明物质的过程就是熵减的，从而宇宙将永远不会达到热平衡，熵值不会达到最大，从而宇宙将永远不会达到热平衡，熵值不会达到最大，温度差永远不会消失，宇宙不会热寂。温度差永远不会消失，宇宙不会热寂。n其实，热寂说是热的静态平衡，而宇宙实际上是热的动其实，热寂说是热的静态平衡，而宇宙实际上是热的动态平衡。热能主要产生于恒星，在那里暗物质变成明物态平衡。热能主要产生于恒星，在那里暗物质变成明物质，氢聚变为氦，自由能变成热能，产生负熵；这些热质，氢聚变为氦，自由能变成热能，产生负熵；这些热能在宇宙间产生正熵，热能还原为自由能，氦裂变为氢，能在宇宙间产生正熵，热能还原为自由能，氦裂变为氢，明物质又逐渐变成暗物质。在这里物质守恒明物质又逐渐变成暗物质。在这里物质守恒,能量守恒能量守恒,正正熵和负熵也相互平衡熵和负熵也相互平衡3/8/202343自然辩证法-第二章三、自然界演化的自组织性n1、被组织和自组织n被组织：结构和功能直接由外界作用所 决定，实质是执行指令n自组织：结构和功能并非直接由外界所决定，实质是相干协同3/8/202344自然辩证法-第二章自组织的若干规律n协同规律：自组织的本质是子系统的协同，自组织的过程即系统自发产生序参量的过程，非线性是这种协同整体性的根源。n突变规律：自组织的突变指在临界点附近，系统控制参量的微小变化引起状态的巨变。n对称性破缺规律：3/8/202345自然辩证法-第二章2 2、自然界中的自组织现象自然界中的自组织现象nA、贝纳德花样nB、激光nC、生物界自然演化自组织性3/8/202346自然辩证法-第二章非平衡自组织理论非平衡自组织理论n耗散结构理论n协同学n超循环理论3/8/202347自然辩证法-第二章耗散结构理论n耗散结构是指处在远离平衡态的复杂系统在外界能量流或物质流的维持下，通过自组织形成的一种新的有序结构。n耗散结构理论是研究远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化规律的一种理论。3/8/202348自然辩证法-第二章理论的创立n普里高津（比利时布鲁塞尔学派著名的统计物理学家）n1969年在理论物理和生物学国际会议上提出的一个概念.n19711977年耗散结构理论的研究有了进一步的发展。（非线性数学vs分岔，随机过程vs涨落和耗散；在化学和生物学等方面的应用）n提出非平衡是有序的起源，并以此作为基本出发点，在决定性和随机性两方面建立了相应的理论。3/8/202349自然辩证法-第二章理论的特点n 一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。3/8/202350自然辩证法-第二章理论的哲学观点n开放系统、非平衡系统（开放系统更接近事物的真实，因此也更能揭示事物的本质）n非线性、混沌（整个宇宙、自然界、人类社会，则表现为非线性的关系，表现为混沌）n复杂性和整体性（从研究单个到研究系统，不但是从还原论向整体论的升华，也是从简单走向复杂的升级。对于一个复杂的系统，必须进行整体性的研究。）3/8/202351自然辩证法-第二章协同学协同学n定义：n协同学是从70年代起逐渐形成的一门新兴的，研究各种不同的系统在质变的过程中所遵循的共同规律的综合性学科。3/8/202352自然辩证法-第二章协同学的起源：协同学的起源：n协同学的创始人是联邦德国斯图加特大学理论物理教授赫尔曼哈肯。n他在研究激光理论的基础上，于70年代初提出协同学的概念，1977年又发表协同学导论，从而建立了协同学的理论框架3/8/202353自然辩证法-第二章协同学的研究对象和理论基础协同学的研究对象和理论基础n研究对象：是由大量子系统组成的系统。研究对象：是由大量子系统组成的系统。n理论基础：协同学以信息论、控制论、突变论理论基础：协同学以信息论、控制论、突变论为其理论甚础，还运用了统计学和动力学知识。为其理论甚础，还运用了统计学和动力学知识。3/8/202354自然辩证法-第二章协同学的主要概念和方法：协同学的主要概念和方法：n协同：是协同学的一个最基本的概念。协同：是协同学的一个最基本的概念。n有序度和序参量有序度和序参量 n 慢变量和快变量。慢变量和快变量。n数学方法：概率论、数值方法、解析法、突变理论数学方法：概率论、数值方法、解析法、突变理论和分岔理论和分岔理论 n研究方法：类比法；研究方法：类比法；协同学主要从两方面进行类比：协同学主要从两方面进行类比：一方面，在不同学科、不同系统间进行类比；一方面，在不同学科、不同系统间进行类比；另一方面，协同学将非平衡系统在临界点上所发另一方面，协同学将非平衡系统在临界点上所发生的相变或类似于相变的行为与平衡态相变进行类生的相变或类似于相变的行为与平衡态相变进行类比比。3/8/202355自然辩证法-第二章协同学的研究体系与内容：协同学的研究体系与内容：协同学的研究体系：n首先，协同学用概率论和统计方法，把有序和无首先，协同学用概率论和统计方法，把有序和无序变化的偶然性与必然性加以统一，从大量的偶序变化的偶然性与必然性加以统一，从大量的偶然性中寻求这种变化的规律。然性中寻求这种变化的规律。n 其次，协同学用系统的结构，也叫其次，协同学用系统的结构，也叫“序度序度”的概的概念和方法，来描述事物有序和无序的变化。知道念和方法，来描述事物有序和无序的变化。知道了系统的了系统的“序度序度”，就可以确定系统的秩序状态。，就可以确定系统的秩序状态。n 第三，协同学还试图用各种数学模式，描述有序第三，协同学还试图用各种数学模式，描述有序和无序转化的不同类型，通过对不同数学方程求和无序转化的不同类型，通过对不同数学方程求解，从而定量地描述有序和无序的转化。解，从而定量地描述有序和无序的转化。3/8/202356自然辩证法-第二章G内容协同学的研究内容：协同学主要说明两个问协同学的研究内容：协同学主要说明两个问题：题：n 涨落问题；涨落问题；n 自组织问题。自组织问题。3/8/202357自然辩证法-第二章协同学的方法论意义：协同学的方法论意义：协同学具有深远的哲学方法论意义协同学具有深远的哲学方法论意义:协同学成了连接不同学科的桥梁和纽带，具有协同学成了连接不同学科的桥梁和纽带，具有明显的方法论意义。明显的方法论意义。n 协同学所采用的分析以及类比研究方法，不协同学所采用的分析以及类比研究方法，不仅具有重要的哲学意义，而且对自然科学和社仅具有重要的哲学意义，而且对自然科学和社会科学都有指导作用。会科学都有指导作用。n协同学完全从相对的意义上重新定义宏观和微协同学完全从相对的意义上重新定义宏观和微观的概念，使得宏观和微观这对哲学范畴就具观的概念，使得宏观和微观这对哲学范畴就具有了更加普遍的意义，可以广泛地应用到各个有了更加普遍的意义，可以广泛地应用到各个学科中去。学科中去。3/8/202358自然辩证法-第二章协同学的应用协同学创立的时间虽然不长，但获得了广泛的应用：n在自然科学方面主要用于物理学、化学、生物学、生态学和很新的学科认知科学等方面。例如，在生态学方面求出了捕食者与被捕食者群体消长关系等；n在社会科学方面主要用于社会学、经济学、心理学和行为科学等方面。例如，在社会学中得到社会舆论形成的随机模型；n在工程技术方面主要用于电气工程、机械工程和土木工程等方面。n在军事上，协同学的应用也很广泛，如排兵布阵，海、陆、空各军兵种的主体综合协同作战等。3/8/202359自然辩证法-第二章超循环理论M.艾根以生物化学理论为基础来研究的关于生命起源的理论”超循环”，相对于其他复杂系统理论来说，是一个较为完善的自组织理论，其中包含了系统的开放与非平衡机理，自复制与自稳定机理，突变原理，以及群体选择评价原理，是对现代科学的一般进化论和自组织机理研究的一个重大贡献。3/8/202360自然辩证法-第二章超循环理论的产生超循环理论是一种关于生命起源的生物进化理论。它吸收了达尔文进化论,群体遗传论，中性突变理论以及多门自组织理论的成果.3/8/202361自然辩证法-第二章超循环理论的产生复制和突变能力的复杂化学分子系统，正是这分子系统，正是这种分子系统引导了无机物质到生命细胞形成的过程。这就是”超循环”系统，它是由三级循环系统构成的复杂系统：反应循环系统，催化循环系统和催化超循环系统。3/8/202362自然辩证法-第二章反应循环系统一种化学分子经过多步骤的反应过程形成另一种产物化学分子，在这种反应中由于中间产物保持着一定的浓度，反应过程持续的进行，因此稳定的反应系列就相当于一个反应循环反应循环类似于生命系统的第一特征新陈代谢。它是由状态中浓度的非平衡引起的,也是一种最简单的开放性耗散系统。由于浓度差引起了反应流，使系统离开了混乱的平衡,出现了简单的有序。3/8/202363自然辩证法-第二章催化循环系统催化循环是由多个反应循环相互联系形成的二级循环网络.这种循环网络的形成要求有两种变化:第一是反应循环的产物不是任意的,而是一种催化作用的催化剂,比如酶等;第二是多个产物使催化剂的反应循环之间形成了彼此催化的相互作用或循环催化作用.催化循环系统相当于生命系统的第二特征自复制.一个单独的反应循环不可能是自稳定和自我信息保持的,一个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.3/8/202364自然辩证法-第二章催化超循环系统催化超循环系统是由催化循环系统相互联系构成的第三等级的化学反应系统.它的要求是:第一,催化循环不仅是内部自催化的,它还能产生副产品,产生其它催化循环有作用的催化剂;第二,通过这些催化剂,形成了相互催化和循环催化的超循环催化网络系统.催化超循环相当于生命系统的第三特征出现突变性.3/8/202365自然辩证法-第二章超循环理论的意义超循环理论是续耗散结构理论和协同学之后的又一种关于非平衡系统的自组织理论.超循环理论之所以摆脱了庸俗进化论和形而上学发展观,在于它深刻的揭示了生物进化中的多样性和同一性的对立统一。3/8/202366自然辩证法-第二章n超循环理论的正确性在于,内在的基因突变和自我复制是发展变化的根据,外部的环境选择适应和物质,能量,信息的供应是发展变化的条件,它是辩证发展的循环观,因而是超循环.艾根建立超循环理论之后特别指出,超循环理论的基本原理具有社会科学和思维科学的意义.3/8/202367自然辩证法-第二章3.系统进化的机制和条件系统进化的机制和条件n1)开放是系统进化的先决条件系统要从无序走向有序，必须保持对外环境的开放性，与外界交换物质和能量。n孤立系统：与外界环境之间没有任何的物质或者能量交换n封闭系统：封闭系统与外界环境之间虽然没有物质交换，却可以有能量交换n开放系统：与外界环境之间既可以有物质交换也可以有能量交换。3/8/202368自然辩证法-第二章n其中：n孤立系统的自发过程使系统内部的各种差异削平，系统的有序程度降低，处于近平衡态或平衡态。3/8/202369自然辩证法-第二章n封闭系统的行为可以用亥姆霍兹自由能公式表达:F=E-TSn式中，E是系统的内能，S是系统的熵，T为绝对温度。封闭系统的平衡态，可用自由能的极小值来定义。当温度很低时，熵S的影响几乎可以忽略，系统的自由能接近于内能，系统形成低温平衡有序结构，但不可能出现非平衡有序结构。3/8/202370自然辩证法-第二章n系系统统要要从从无无序序走走向向有有序序，必必须须保保持持对对外外环境的开放性，与外界交换物质和能量。环境的开放性，与外界交换物质和能量。n开放才有可能建立、维持、扩大系统内部的某种差异，从而使系统的有序程度提高，处于远离平衡态；3/8/202371自然辩证法-第二章ndS=dSe+dSindS：系统熵的增量ndSe：外界对系统的熵流ndSi：系统内部的熵ndSi0ndSe可正可负，ndS小于零时熵减少，n系统趋向于有序3/8/202372自然辩证法-第二章n问题：n是否只有开放系统才能进化？n开放系统必然会进化吗nTo3/8/202373自然辩证法-第二章2)“非平衡是有序之源”要从无序向有序进化，系统必须远离平衡态。n系统的状态：n1，平衡态：稳定n不可能出现新结构，不会进化n2，近平衡态n3，远离平衡态：失稳n状态有可能变化，有可能进化n什么情况下远离平衡态呢？3/8/202374自然辩证法-第二章3)非线性机制是系统进化的内在根据系系统统要要素素之之间间的的非非线线性性相相互互作作用用是是系系统统进进化化的的基基础础和和根本机制。根本机制。系系统统要要素素间间的的相相互互作作用用可可用用数数学学形形式式来来刻刻划划，可可分分为为线性的与非线性的。线性的与非线性的。非非线线性性相相互互作作用用产产生生的的相相干干效效应应、分分岔岔效效应应和和临临界界效效应应是系统进化的基本机制。是系统进化的基本机制。非线性机制规定了系统演化的可能方向与路线。非线性机制规定了系统演化的可能方向与路线。n只有非线性机制才能使系统内诸要素之间相互维系形成有机整体，导致系统失稳、旧结构瓦解、新的有序结构得以产生。3/8/202375自然辩证法-第二章4）随机涨落是直接诱因涨落是指系统的某宏观量在某时刻对统计平均值的偏离或起伏。涨落选择系统未来的发展方向。随机涨落是非平衡系统失稳的“导火线”，是非平衡有序结构的“胚芽”，是非平衡系统进化的“驱动力”。3/8/202376自然辩证法-第二章问题：n如何理解系统的演化是确定性与随机性的统一？3/8/202377自然辩证法-第二章四、突现的涵义与基本特点（P92）n1、突现的涵义n所谓突现，是指由系统的各个要素（或主体）相互作用所生成的单个要素（或主体）所不具有的性质、行为、功能和结构。它是高层次事物具有而其要素不具有且事先不能加以预测的性质。3/8/202378自然辩证法-第二章n2、突现的特点n（1）突现是生成的，而不是构成的。n（2）突现是一个由各组成要素经局域（local）相互作用进行到全域相互作用的自发过程。3/8/202379自然辩证法-第二章n（3）突现是一个受限的生成过程。n当系统处于临界点或临界边缘上，受涨落的作用，就会发生分叉和自组织，系统会从组成部分的随机运动中创生出各种多样性的宏观构型，只有那些能适合环境的构型才能稳定、保持和生长繁殖，而不适合的构型则会在环境的选择压力下瓦解。3/8/202380自然辩证法-第二章n（4）突现出来的稳定模式的功能是由其所处的环境所决定的。n由于非线性作用，系统的功能是通过环境来体现的。在生物系统中，随着环境的变化，许多系统的行为将变得不适应环境，于是，通过环境来决定哪些行为是最适合的。3/8/202381自然辩证法-第二章n（4）存在一种典型的突现现象：组成部分不断变化，而不改变系统的稳定模式。n如在有机体中，所有组成成分的原子都会更新，但器官整体从外形到功能一般都不会有大的变化。“铁打的营盘，流水的兵。”3/8/202382自然辩证法-第二章n（5）产生突现现象的规律将导致存在差别的稳定性。n即是说，一个能遗传的物种能够产生变异，一个稳定性的东西必然将差异性内含其中。稳定的事物自身包含着差异性。3/8/202383自然辩证法-第二章n（6）突现具有整体性与突现具有微观性。n比如，原子的稳定性质将反馈给其内部的不稳定的粒子。自由的中子的寿命很短，但是它处于原子核中就获得了很长的寿命。所谓微观突现，是指整体之中的部分也会在整体的作用下不等于部分，即在整体的作用下，部分大于部分，或者部分小于部分。突现后的整体中的部分具有不等于突现前的部分。3/8/202384自然辩证法-第二章