論生物進(jìn)化中的突現(xiàn)論

論生物進(jìn)化中的突現(xiàn)論

“突現(xiàn)主義”無疑是傳統(tǒng)科學(xué)危機(jī)的產(chǎn)物，也是其在語言系統(tǒng)、研究主題、解釋模型和文本構(gòu)建方面的激烈革命變化。按照該概念的提出者托馬斯.庫恩對(duì)范式的理解,結(jié)合目前突現(xiàn)論研究的發(fā)展,我們可建立一個(gè)包括(1)符號(hào)概括(概念、范疇與定律);(2)原理與規(guī)律;(3)信念與綱領(lǐng);(4)范例;(5)價(jià)值觀的突現(xiàn)模型。當(dāng)然,此模型只能是簡單的和定性的,并且限于唯象的描述。1.還原論科學(xué)的范疇每一學(xué)科都有作為其體系基本組成材料的范疇。列寧曾形象地把范疇比喻為人類認(rèn)識(shí)之網(wǎng)的網(wǎng)上紐結(jié),它凝結(jié)了人類現(xiàn)階段在某一領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)成果。經(jīng)典的還原論科學(xué)的基本范疇是點(diǎn)質(zhì)量、電荷、能量、信息、引力、加速度等。與此相對(duì),新的突現(xiàn)論科學(xué)的基本范疇為:1.1吸引子的結(jié)構(gòu)吸引子在系統(tǒng)的演化中是個(gè)逐漸呈現(xiàn)的過程,即吸引子外的一切軌線最后都要收縮到吸引子上。吸引子與系統(tǒng)新狀態(tài)的出現(xiàn)相伴隨,并決定系統(tǒng)新狀態(tài)的特征和圖像。吸引子具有無窮嵌套的自相似結(jié)構(gòu),并對(duì)初始條件有敏感依賴性。吸引子的維數(shù)是分?jǐn)?shù)維?；煦缈茖W(xué)所研究的就是在什么現(xiàn)象中能發(fā)現(xiàn)哪種吸引子,即自然現(xiàn)象同吸引子之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。1.2宏觀協(xié)調(diào)行為H·哈肯在對(duì)激光的研究中提出協(xié)同學(xué):無數(shù)子系統(tǒng)的協(xié)同作用形成序參量,序參量又像一只看不見的手協(xié)調(diào)著子系統(tǒng)的行為。從而使系統(tǒng)整體表現(xiàn)出宏觀有序行為。哈肯特別舉了語言和文化的例子,認(rèn)為它們一旦產(chǎn)生,就具有支配個(gè)人行為的力量。序參量是支配系統(tǒng)演化的慢變量,通過絕熱消去法消去快變量就得到?jīng)Q定系統(tǒng)狀態(tài)和方向的序參量。1.3內(nèi)部圖式反映了復(fù)雜系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和非線性相互作用尋求系統(tǒng)的演化與突現(xiàn)規(guī)律,內(nèi)部圖式是關(guān)鍵。有時(shí)多個(gè)內(nèi)部圖式之間相互競爭(或相互合作),最后是一個(gè)或多個(gè)存留下來。1.4具有戲劇性的生物學(xué)事件出現(xiàn)分岔,每一個(gè)分支代表系統(tǒng)一個(gè)可能的方向,此時(shí)系統(tǒng)向何處演化完全是不可預(yù)測的分岔處系統(tǒng)對(duì)漲落異常敏感,一個(gè)偶然的漲落可能被迅速放大,使系統(tǒng)向不可預(yù)測的方向進(jìn)化。M·蓋爾曼曾在其一本論述復(fù)雜性的著作《夸克與美洲豹———簡單性和復(fù)雜性的奇遇》中提到生物進(jìn)化中的“關(guān)口事件”(gatewayevents),指在生物進(jìn)化過程中,在物理化學(xué)環(huán)境未發(fā)生根本變化的情況下,特別富有戲劇性的生物學(xué)事件,有時(shí)是中斷平衡中決定性的原因。這些事件具有開辟出可能的全新范圍的重大的、突破性意義。這是由喬治.馬森大學(xué)與圣菲研究所的哈諾德·莫洛惠茲發(fā)現(xiàn)并研究的。哈諾德.莫洛惠茲指出:不僅在生命的史前時(shí)期發(fā)生過導(dǎo)致地球生命產(chǎn)生的化學(xué)關(guān)口,而且在所有生物祖先的生命形式產(chǎn)生之后,生物進(jìn)化過程中依然發(fā)生類似的關(guān)口事件。在所有這些情形中,哈諾德.莫洛惠茲強(qiáng)調(diào)了關(guān)口的狹窄性,即通常只有少數(shù)特殊的化學(xué)反應(yīng)才有可能開辟出新的范圍;有時(shí)這種情形甚至只與一個(gè)反應(yīng)有關(guān)。哈諾德.莫洛惠茲等人認(rèn)為,在經(jīng)歷了一系列早期變化之后,由一次或幾次突變所引起的基因組中的微小變化,可以引發(fā)一起關(guān)口事件。從而引發(fā)打破相對(duì)平衡的主要革命性事件之一。進(jìn)入由關(guān)口事件所開創(chuàng)的領(lǐng)域時(shí),生物獲得了新的有重大意義的規(guī)律性,使其復(fù)雜性上升到一個(gè)更高的層次。值得注意的是,突現(xiàn)科學(xué)的術(shù)語與傳統(tǒng)還原論科學(xué)的術(shù)語在庫恩的意義上是“不可通約”的,即不可翻譯的。如“吸引子”與“狀態(tài)空間”均無法用傳統(tǒng)科學(xué)的術(shù)語完全充分地表達(dá)其涵義。2.基本原則和規(guī)律還原論的基本規(guī)律包括機(jī)械力學(xué)規(guī)律F=ma以及統(tǒng)計(jì)力學(xué)公式和電磁場運(yùn)動(dòng)方程等。與此相對(duì),突現(xiàn)論有以下基本規(guī)律或原理:2.1參量系統(tǒng)的演化方向H·哈肯在對(duì)激光的研究中發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)變量關(guān)系。系統(tǒng)演化過程中,往往某一個(gè)參量對(duì)系統(tǒng)的演化方向和道路起著決定性的作用,它支配、役使著其它變量。前者也可稱為慢變量,后者也可稱為快變量。且后者可用“絕熱消去法”消掉。2.2制約自組織的發(fā)展的規(guī)律和上述原理有密切聯(lián)系,指系統(tǒng)演化過程中,系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)之間的相關(guān)度隨外界條件的變化而變化,以至呈現(xiàn)從非協(xié)同到協(xié)同、從低級(jí)協(xié)同到高級(jí)協(xié)同發(fā)展的規(guī)律。協(xié)同學(xué)創(chuàng)始人H·哈肯指出:制約自組織的方程實(shí)際上是非線性的,從這些方程中我們可以發(fā)現(xiàn)模式,或者是競爭的結(jié)果只有一種模式繼續(xù)存在,或者是彼此共同存在。因此,按照協(xié)同學(xué)的觀點(diǎn),是非線性相互作用使得整體運(yùn)動(dòng)模式得以從包含了大量子系統(tǒng)的大系統(tǒng)中產(chǎn)生出來。2.3主導(dǎo)模式的預(yù)測自組織系統(tǒng)除了對(duì)初始條件的敏感依賴性外,還有一個(gè)引人注目的特征:微小的、偶然的漲落可能被迅速放大,從而推動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向不可預(yù)測的方向改變,使某個(gè)模式迅速成為占支配地位的主導(dǎo)模式,引起系統(tǒng)突現(xiàn)。這種某個(gè)微小的漲落被迅速放大的趨勢,學(xué)界尚無專門稱呼。有學(xué)者建議稱之為“緣接”(occasion-connection),它既強(qiáng)調(diào)了偶然和機(jī)緣(occasion),又強(qiáng)調(diào)了相互聯(lián)系和作用(connection),本文采納這一名稱,稱此規(guī)律為“緣接”(occasion-connection)原理。3.還原論的基本信念和領(lǐng)導(dǎo)權(quán)根據(jù)伊姆雷.拉卡托斯的“科學(xué)研究綱領(lǐng)”方法論,研究綱領(lǐng)乃是科學(xué)體系的“硬核”部分,它周圍有許多程度不同的“保護(hù)層”以保護(hù)體系不受相反的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的沖擊。范式的改變必是硬核發(fā)生變化的結(jié)果。還原論科學(xué)的范式在二十世紀(jì)科學(xué)出現(xiàn)的無數(shù)反例———不確定性、隨機(jī)性———的沖擊下已不再是唯一正確的科學(xué)范式,除了上述基本范疇、定律的變革外,還包括基本信念的改變。以經(jīng)典力學(xué)為代表的機(jī)械還原論的基本綱領(lǐng)或信念為:(1)世界由無數(shù)的物質(zhì)實(shí)體(包括引力場)構(gòu)成;(2)這些物質(zhì)實(shí)體處在不間斷的相互作用之中;(3)這些物質(zhì)實(shí)體可以被分解為組成它們的基本粒子,并且可以無限地分割下去;(4)事物的運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)化、產(chǎn)生和消滅就是這些基本粒子的結(jié)合和分離;(5)一旦運(yùn)用分析方法確切知道了實(shí)體的各個(gè)組成部分的性質(zhì),就可以通過綜合的方法推知整體的性質(zhì);(6)規(guī)律是完全決定論或統(tǒng)計(jì)決定論的,知道當(dāng)下狀況或初始條件,就可以推知將來任一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀況。與此相對(duì),突現(xiàn)論的基本信念和綱領(lǐng)是:(1)世界是生成的,且處于永不停息地生滅與轉(zhuǎn)化之中;(2)事物和物質(zhì)不可能被無限分割為最后的組分和基本粒子;(3)整體不能還原為部分,整體的性質(zhì)也不能通過部分的性質(zhì)推導(dǎo)出來;(4)宏觀性質(zhì)相對(duì)于微觀層次來講是突現(xiàn)的;(5)系統(tǒng)的演化過程只能通過突現(xiàn)論的范疇與規(guī)律來刻畫和研究。還原論經(jīng)過幾百年的發(fā)展,其基本的理論構(gòu)架已經(jīng)成熟。比較起來,突現(xiàn)科學(xué)還是新生的嬰兒,有待于繼續(xù)發(fā)展和完善。但它已經(jīng)在技術(shù)、管理與社會(huì)領(lǐng)域得到了極其廣泛的運(yùn)用。它既然已經(jīng)誕生,則必定有光明的前景。4.示例4.1洛倫茲模型的建立這是洛倫茲在模擬全球天氣模式中發(fā)現(xiàn)的模型。陽光照射地球,從底部加熱大氣,寒冷的外部空間則從大氣外殼吸收熱量,底層空氣上升,上層空氣下降,形成對(duì)流。貝納德在一些實(shí)驗(yàn)中為此建立了模型。大量冷暖空氣之間的交流,用循環(huán)渦漩來代表,叫做貝納德元胞。在三維情形下,是熱空氣以環(huán)狀上升,冷空氣則從中心下降。于是大氣構(gòu)成了三維貝納德元胞的海洋,如同緊密堆積的六面體點(diǎn)陣。在典型的貝納德實(shí)驗(yàn)中,重力場中的流體層被從底部加熱,底部流體上升,頂部流體下降,形成對(duì)流。這兩種受到粘滯力的運(yùn)動(dòng)是相反的。對(duì)于小的溫度差dT,粘滯性占上風(fēng),流體保持靜止,熱傳導(dǎo)均勻地輸送熱量。系統(tǒng)的外部控制參量是所謂的粘滯性瑞利數(shù)R,它與dT成正比。在R的臨界值處,流體的狀態(tài)變得不穩(wěn)定,形成穩(wěn)定的對(duì)流卷模式。超出R的臨界值到一定程度,系統(tǒng)出現(xiàn)混沌。洛倫茲將描述貝納德實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜的微分方程簡化為三個(gè)。每一個(gè)微分方程有三個(gè)變量X、Y、Z,X正比于環(huán)流的速度,Y為上升與下降的流體元之間的溫度差,Z正比于垂直溫度對(duì)其平衡值的偏差。從這些方程中可以推導(dǎo)出,相應(yīng)的相空間的某一種表面的任一體積元都是隨時(shí)間指數(shù)收縮的。因此洛倫茲模型是耗散的。利用計(jì)算機(jī),可以形象地描畫出洛倫茲方程的軌跡。這些軌跡的路徑非常敏感地依賴于初始條件:值的細(xì)微偏差使軌跡很快地偏離原來路徑若干圈。洛倫茲吸引子屬于奇怪吸引子。顯然,奇怪吸引子是混沌的。從圖中看出,吸引子曲線密集纏繞又不互相切斷,它最終將走向某種分形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。我們采用曼德波羅本人對(duì)分形維的定義:“令M是n維相空間的吸引子的子集。現(xiàn)在,讓相空間被邊長為ε的立方體所覆蓋。設(shè)N(ε)是立方體的數(shù)目,立方體中包含了吸引子M的片斷。如果ε收縮到零(ε-0),那么N(ε)與ε的對(duì)數(shù)比值的負(fù)極限即D=-limlnN(ε)/lnε被稱為分形維?！比绻邮且粋€(gè)點(diǎn),則分形維為零;對(duì)于穩(wěn)定的極限環(huán),分形維為1。但對(duì)于混沌系統(tǒng),分形維不是一個(gè)整數(shù)。一般地,分形維只可能通過數(shù)值計(jì)算得到。對(duì)于洛倫茲模型,奇怪吸引子的分形維D大約為2.06。4.2序列型的分岔一個(gè)離散的映射方程,如果它導(dǎo)致相空間的體積發(fā)生收縮它就被稱為耗散的映射方程。一個(gè)著名的離散映射的例子是所謂的邏輯映射,它在自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)中都有許多運(yùn)用。在數(shù)學(xué)上,邏輯映射用二次(非線性)迭代映射來定義:xn+1=axn(1-xn),其中0≤x≦1,控制參量0≤a≦4序列x1,x2,x3……的函數(shù)值可以由計(jì)算機(jī)簡單計(jì)算。對(duì)于a<3,結(jié)果收斂到一個(gè)不動(dòng)點(diǎn)。如果a繼續(xù)增加到超過臨界值a1,經(jīng)過一段時(shí)間,序列的值就在兩個(gè)值之間周期地跳躍。如果a進(jìn)一步增加,超過了臨界值a2,周期的長度將增加一倍。如果再進(jìn)一步地一增再增,那么周期每次都增加一倍,相應(yīng)有臨界值序列a1,a2,……。但是在超過了某個(gè)臨界值ac以后,此發(fā)展就變得越來越無規(guī)和混沌。有的倍周期分岔系列受一個(gè)常數(shù)定律的支配,這是格羅斯曼和托麥在邏輯映射中發(fā)現(xiàn)的,后來費(fèi)根鮑姆發(fā)現(xiàn)這是一類函數(shù)的普適性質(zhì)(費(fèi)根鮑姆常數(shù))。還有分別對(duì)應(yīng)于不同控制參量的吸引子不動(dòng)點(diǎn)、周期振蕩、混沌,它們也都有各自不同的倍周期分岔圖。值得注意的是,像邏輯映射這樣簡單的迭代系統(tǒng)卻產(chǎn)生了分岔和混沌這樣的復(fù)雜行為。這里分岔的多少標(biāo)志復(fù)雜性增加的程度。每一個(gè)分岔是非線性方程的一個(gè)可能解。如果平衡態(tài)被理解為一種對(duì)稱狀態(tài),那么混沌和相變就是一種對(duì)稱破缺。5.個(gè)體與集體:嚴(yán)格決定論的未來托馬斯.庫恩認(rèn)為,隨著科學(xué)的發(fā)展,科學(xué)中內(nèi)涵的價(jià)值成分日益增長,科學(xué)共同體在選擇與評(píng)價(jià)科學(xué)理論時(shí)受到時(shí)代流行的價(jià)值觀影響的趨向也越來越突出。還原論與構(gòu)成論范式中內(nèi)涵的價(jià)值觀是原子式的個(gè)人主義與機(jī)械決定論的混合物。世界被視為一架機(jī)器,按預(yù)先規(guī)定好的規(guī)律運(yùn)轉(zhuǎn),對(duì)人的感情與價(jià)值需求漠不關(guān)心。人也是這個(gè)巨大機(jī)器上的齒輪與零件,未來被完全確定。個(gè)人是孤立的、分離的原子,既缺乏競爭,也缺乏合作。這種原子主義與嚴(yán)格決定論相混合的社會(huì)只可能產(chǎn)生兩種結(jié)果:獨(dú)裁或無政府主義。以突現(xiàn)論為代表的新科學(xué)范式內(nèi)涵的價(jià)值觀是開放的,個(gè)人之間既競爭又合作,充滿非線性相互作用。其中偶然性與個(gè)人自由具有特殊重要的意義。未來是不確定的,有無限的可能性。世界與人處于一種親密關(guān)系之中?？藙谒?邁因策爾在《復(fù)雜性中的思維》一書中寫道:我們的探究方式表明,物理的、社會(huì)的和精神的實(shí)在都是非線性的和復(fù)雜的。協(xié)同認(rèn)識(shí)論的這個(gè)最基本的結(jié)論要求我們,注意我們的行為的嚴(yán)重后果。正如我們所強(qiáng)調(diào)的,在一個(gè)非線性的復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)中,線性思維是危險(xiǎn)的。作為一個(gè)例子,我們必須記住,我們需要的是一個(gè)在生態(tài)學(xué)與經(jīng)濟(jì)學(xué)之間有著良好均衡的復(fù)雜系統(tǒng)。我們的醫(yī)生和心理學(xué)家,必須學(xué)會(huì)把人看作復(fù)雜的精神和肉體的非線性體。線性思維可能會(huì)作出不正確的診斷。醫(yī)療中的局部的、孤立的