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在无限的混沌中生灭

21-08-08 15:11    作者:一只花蛤    相关股票:

文/姚斌

混沌理论是指在确定的物理模型下,如果给定的初始值有细微的差别,经过一定时间的演算后,所得出的结果可能会十分的巨大,例如“蝴蝶效应”。弗里德里希·克拉默教授在20世纪70年代就对此进行研究,并提出了“复杂性的分类原则”,构建了一个复杂性科学的基本框架。对于远离平衡态的非线性系统和自组织的深入研究,早在20世纪80年代就被纳入科学世界。而因分子生物学领域的卓越贡献而著称的克拉默教授,在那时就以其独特的洞见致力于展现一幅整体的图景。他从“生命是什么”入手,探索“根本复杂性”的深刻主题。

克拉默教授将“复杂性的增加”分类为三种:从亚临界复杂性到临界复杂性,再到根本复杂性。亚临界复杂性包括简单定律、牛顿学说、流平衡、细胞器、黏菌、原始汤、毕达哥拉斯简单逻辑、现象学、洞察力、赫拉克利特原始经验、编年史等。临界复杂性包括量子力学、微分方程、统计定律、耗散结构、大分子、细菌、阿米巴虫、多细胞生物、历史著作和历史系统等。根本复杂性则包括哥德尔不完备性、伯努利系统、湍流、遍历性、混沌、大分子间的相互作用、中枢神经系统、科学终结、客体毁灭、先验哲学、诗歌、艺术、卡尔·波普开放历史等。这种分类涵盖了之后的复杂性科学研究的基本主题。

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经典动力学与时间可逆的确定性行为相联系,这确是行星运动的情况,但这种描述仅适用于动力学系统的一个有限的类别。那些不稳定的动力学系统可能会引发混沌,产生信息。这才是克拉默教授关注的重点。他认为,现代生物学研究的成果对我们的思维方式有着深远的影响,并已成为我们世界观的一个完整的组成部分。科学结论常常过于复杂和困难,以至于对那些缺乏科学训练的哲学家来说是难以掌握的。但是,伊曼努尔·康德仍能从牛顿物理学带来的科学革命中推断出哲学的结论,而今天的某些思想家则不可能领悟由生物学带来的现代科学革命中的所有结论。

生命系统中的有序并不能与晶体中的静态现象相提并论。一方面,生命乃是从运动变化中创生的有序,并永远与走向混乱无序的衰败相伴随;另一方面,生命就是衰败。没有选择原理我们就无法理解物种的进化,新物种的出现总是伴随着旧物种的消亡。生命系统的结构和过程相互作用并形成网络,因而要认识生命系统中的有序将困难得多。

在大自然中,各种形态并非独立或任意,而是很有规律地相互关联。生命蓝图遵循着某些基本的但又能灵活变化的模式。因此,各种不同的鱼类并不表现出诸如奇异的翼或器官那样全新的特征。即使那些产生新功能的器官,也是按照变化原则发展出来的。例如,用于飞翔的翅膀是从爬行动物的前肢进化而来的。正如戈特弗里德·莱布尼茨所说的“自然无飞跃”,自然是不会跳跃式前进的。生命系统的连续性只是表面的。在出现新事物的分支点上,事实上秩序的破坏是必要的。混沌与秩序的相互作用成为自然造化万物的潜力所在。

“如果一个问题过于复杂,以至于一下子难以解决,那么就将原问题分解成一些足够小的问题,然后再分别解决。”这是“笛卡尔方法”。这种方法隐含了一个假定:当所有分割的问题都被解决之后,系统还可以恢复原状或重新组合起来。对于简单系统也许是成立的,但对于生命系统就不是这样的。整体总是大于部分之和。当系统被分解之后,某些东西生命本身就不可挽回地失去了。许多关键性的步骤是不可反转的,或者用专门术语来说,这样的系统是不可逆的。生命系统中的高度有序是一种极概然状态。也就是说,由纯粹的偶然性导致正确的结果的可能是10²ººººº分之一。这意味着,如果生命是从一系列随机事件中产生的,那么现在就根本不会有生命存在。

热力学第二定律告诉我们,万物皆走向衰退。一切结构迟早会失去其秩序,除非持续不断的更新它。热力学第二定律暗示着所有生命系统终将崩溃,而所有高度有序的结构也都将土崩瓦解。确实,死亡就是机体进入了一种不再受外部流入能量支持的状态,它的所有系统因而崩溃。因此,克拉默教授将生命体定义为一个通过不断汲取外部能量来维持甚至扩展其有序结构的系统。生命不是一个力学问题,而主要是一个能量问题。

生命能够进行自组织,所需的指令以DNA的形式储存起来,并从这些“磁带”中读取信息。生命绝不仅仅涉及作用和反作用。生命是一个网络,它的每一部分都影响着整体。而且,生命是一个在时间和空间上不断变化的动态网络。在同样的条件下,在空间的同一点上出现不同的时间事件是可能的。同样,在同样的条件下,在时间的同一点中,有可能发生不同的空间事件。在这样的动力学系统中,高度的有序性只有通过新结构的持续形成才可能维持。这些对衰退的补偿总是与生命紧密相连,只有从其表面上看生命之流才是稳定不变的。在这宏观表面的下面,隐藏着物质和能量的循环。没有它们,生命将不复存在。

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混沌也许有它的基本规律。某些合理的,确实是全新的东西,可以从中涌现。蛋白质的生物合成是由DNA指导的,其任务是从20种不同的氨基酸中选出所需要的,然后把它们按照预定的顺序连接起来,所得到的氨基酸链就被称为蛋白质。生命系统的有序性只有在生命的构件——氨基酸,被准确选择出来并且无误的装配成蛋白质时才能得以延续。

高度准确地识别和选择氨基酸无疑是维持生命有序性的关键。如果大自然没有发展出一种全新的选择方法——“选择树”的话,那么这种灾难性状况将迅速导致混沌,生命系统中蛋白质的相互作用将会崩溃。这样的系统善于适应环境,它们远离平衡态。这表明了那个刻板的、机械的、笛卡尔-牛顿式的物质概念在生命科学中不再恰当。远离平衡态的物质,具有全新的性质,它变得善于适应、敏感,甚至具有智能。

进化是由遗传因子的逐步变化组成的,每一步都包含了一个突变,即核酸链上单独的一个碱基的变化。进化过程中的基本事件,就是伴随着基因复制的此类突变。没有突变就没有进化。选择机制利用它过滤出合适的突变体,并抛弃不合适的个体。进化就是这样一个从大量突变获得的全部可能性中不断进行滤除的过程。这个滤除过程把某些有利的现状或功能选择出来,这将有利于提高该个体在一个特定的自然生态位里生存的机会。突变可以通过多种方式产生,并在所有的生物体中持续不断地出现。生命世界比我们最初可能是想的要稳定得多。事实上,它所具有的稳定性是难以想象的。然而,通过突变产生的少数偏差(即随机误差)却由此成为进化的驱动力。

数学家勒内·托姆是突变论的创立者,他尝试把自然界中各种形态的发生归因于“对称破缺”和“分岔突变”。它涉及的是关于基本间断点的数学描述,轨道或轨道处在这些间断点上突然变化或分岔。最简单的间断是发生在任何树结构中的分支或分岔,即折叠型突变。许多具有间断点的系统都可通过这种方法来描述,例如股票市场的崩溃。股票市场的控制因素是对股票的需求以及卖方的投机策略。强烈的投机行为使得系统到达折叠区上面的曲面或者甚至达到尖拐处,导致股票市场的突然暴跌,甚至崩溃。

在复杂多变的生活条件下,如果任何一个生物发生变化,不管这种以任何方式对自身有利的变化多么微小,这种生物将有一个更好的生存机会,因而它就被自然地选择了。因为自然选择只能通过积累微小的、相继的、有利的变异来起作用,它不能产生巨大的或突然的改变,只能通过细小的、缓慢的步骤来起作用。因此,“自然无飞跃”的法则是可以理解的。在自然选择的压力下,物种产生的那些最能适应它们自然环境的遗传变体就幸存下来,并不断增值繁衍,因而物种就离原来的样子越来越远了。物种的变异归根结底源自特定基因上的点突变。大多数这种突变是不利的,并会导致相应遗传变体的灭绝,而少数具有生存优势的变体则向四处传播。

各种新的遗传性状,如果能适应某种自然环境,就能够成功地表达。如果不适应这种环境,生物体就不能在那里存活,并最终归于灭亡。于是,进化的每一个分支点对应于一个跃变,一个不连续。从表面上看,进化被描述为一个关于生物的连续系统,正是这个原因使它能够被达尔文所发现。然而,事实上进化是按一种不连续的机制运行的,无论在物理学意义还是在数学意义上。它是在一个不可逆的时间尺度中发生的。

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一个进化系统,如果要维持进化,就不应到达绝境。进化的一个显著特征是它那永无止境的过程。虽然各物种独立地发展,但它们之间并非完全独立。进化是一个相互作用的网络,显然它自始至终就是这样的。否则,生命世界将一无所有,只有一个接一个的绝境。

牛顿过程是连续的事件,它可以在任何时候任何地方重新产生出来。但是,这对于高度复杂的系统(比如生命)并不正确。同样,对高能物理,对包含湍流的系统,或者对基本粒子物理也不正确。复杂系统通过不可再现的过程形成,它们伸展,生活,变老,死亡。在线性系统中,每一个过程都是可重复的和可逆的。在关于线性的经典力学中,时间是可逆的,它的结构没有极性,因此牛顿系统并不变老。伊利亚·普里戈金对此评论道:“经典物理学的观察基础是确信未来由现在所决定的,因而对现代状态的细致研究可以揭示未来。然而,这从来不过是一个理论上的可能性。”

为此,普里戈金建立了关于远离平衡态的耗散结构理论。“在远离平衡态处,化学动理学和反应系统的时空结构之间呈现出意想不到的关系。”耗散结构中有三个方面总是联系在一起:由化学方程表示的功能;由不稳定性产生的时空结构;以及引起不稳定性的涨落。这三个方面之间的相互作用导致最变幻莫测的现象的产生,包括通过涨落达到有序。

在查尔斯·达尔文之前,生命世界是静止的,之后则是进化的。生命不仅仅是“蛋白质的存在方式”。达尔文凭其敏锐的思想来考察他在环球旅行过程中收集起来的材料,逐步建立了一个关于物种起源的普遍理论。科学已经证明他是对的。这里所说的“科学”,不仅包括早期生物学和动物学的现象学研究,而且包括现代分子生物学。达尔文的动态自然史观,产生了一些看上去令人不快的结果,因为再也不能以固定不变的观念理解生命。今天大约有500万种生物存在于世上,但在地球历史的长河中大约出现过5亿种生物。我们现在看到的物种数仅相当于曾经在这一或那一时期存在过的物种数目的1%。

自量子物理和相对论引入之后,自然科学的状况经历了一个逐渐而深刻的转变。在动态系统中,两个对立的因素相互作用,并由此创造出动态的有序。有序通过结构的形成和分解而产生。复杂性概念在社会或历史的结构中扮演着重要的角色。与周围的高度混沌世界相比,“系统在它们的稳定边界内维持,并形成复杂性低的岛屿”。因此,不可能观察到整个历史或者甚至其中的一部分。历史基本上是混沌的,它的描述只有通过观察孤立系统才成为可能。

秩序、形式产生、创造力皆是混沌不可避免的内在结果。世界是动态的,它运动,它发展。作为结果,尽管采用了避免混沌的任何策略,整体的部分将重新落入混沌。个体生命也将最终结束于混沌——个体就这样死亡,然而总体世界总是保持混沌和创造性。秩序在世界的边缘诞生于混沌,世界从死亡中孕育了自身,然后又将归于死亡。

达尔文主义是自然的历史。从大爆炸到智人,我们的世界通过进化过程得以兴起。更高级、更复杂的秩序的建立并不必然要通过终极斗争而消除先前的秩序,而是通过适者生存而达到这个目的。进化并不意味着对先行者的破坏,它表明的是变化。进化不仅是变化,它还是灭绝。演化系统必须能到达死亡阶段。反过来,只有能“发掘死亡”的系统才能演化。因此,为了保证它无限制的生存,系统必须将演化停顿。这就是人类到达的地方,也就是我们的危机和我们的机会的源头。这就构成了最别开生面的灭绝理论。


 
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