第1章 自然的演化

第一章自然的演化董传升本章重点1、自然界以系统方式存在,自然系统具有层次结构。2、自然演化是不可逆的，进化与退化存在辩证联系，自然演化具有自组织机制。3、人与自然具有对象性关系，必须关注自然的人化带来的当代社会全球性生态危机。一、自然的物质性1、自然界的物质形态物质，是指独立在人的意识之外，又可以为人的意识所反映的客观实在。自然界的物质形态可以划分为生命物质与非生命物质两大类。非生命物质的最简单形态是基本粒子和构成宇宙介质的各种物质场——引力场、电磁场、介子场等第一节自然存在观2.自然界物质形态的分类固态气态液态等离子态超密态真空态反物质态暗物质态处于极高压力下具有极高密度的物质。致密星中的物质即处于高密高压状态。白矮星物质的典型密度约为5吨/立方厘米。中子星物质的密度约为10亿吨/立方厘米。超密态反物质态反物质是由反粒子构成的。例如一颗反质子和一颗反电子〈正电子〉能形成一个反氢原子。物质与反物质的结合，会导致两者湮灭，且因而释放出高能光子（伽玛射线）或是其他能量较低的正反粒子对。反物质无法在自然界找，因此明显的正反物质不对称性成了物理的最大难题之一。暗物质态二、自然界的系统性1、何谓“系统”?美籍奥地利生物学家贝塔朗菲(Bertalanffy)将“系统”定义为“处于一定的相互关系中并与环境发生关系的各组成部分的总体”。钱学森则将“系统”表述为“由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体”。二、自然界的系统性系统概念的四个要点：其一，任何一个系统必须有两个或两个以上的要素构成；其二，“系统”在于“系”，即系统内诸要素之间、系统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；其三，“系统”还在于“统”，即要素彼此之间联系成为一个统一的有机整体，其四，系统作为一个整体对环境表现出特定的功能。2.系统的基本类型孤立系统，是与其环境隔绝的系统，亦即与其环境之间没有物质、能量、信息交换的系统。封闭系统，是与外界环境没有物质交换但有能量交换的系统开放系统，是与外界环境自由地进行物质、能量和信息交换的系统。每一种生物本质上都是开放系统。地球：一个完美的系统依据：物质信息能量与外界交换2.系统的基本类型热力学平衡态是系统能量和物质流已经消除了温度的差别和浓度的差别，系统的元素处于随机的混乱无序状态，而系统本身是均匀的，在动力学上是惰性的；近平衡态是一种线性非平衡态，温度和浓度有微小的差别，只要使它保持在非平衡状态的那些约束条件一取消，这种系统就立即趋向平衡，在远离平衡态中，系统处于非线性的非平衡态，它可能放大某些涨落，自发形成新的有序结构——“耗散结构”。依据：系统所处状态（自然界开放系统类型）3、自然系统的基本属性整体性：系统的整体性是指由若干要素组成的系统存在加和性与非加和性两种关系。开放性：系统的开放性是指，系统具有与外部环境不断进行物质、能量、信息交换的性质和功能。负熵与正熵：系统的开放需要把握开放度问题。开放度为“零”，系统封闭，就不可能发展；开放度为“1”，系统与环境没有边界，融为一体，系统自身就没有了存在可言。3、自然系统的基本属性层次性：系统均服从“层次越高，结合度越弱”的结合度递减规律。结合度是指系统内部要素之间结合的牢固程度，通常可以用要素间的结合力或使该系统解体所需的结合能来衡量。上层系统与下层系统之间以双向因果链的方式相互作用。下层系统就是上层系统的结构基础，而上层系统则是下层系统的环境。动态性：（1）任何系统都普遍存在着涨落现象。所谓涨落，就是刻画系统整体状态的宏观瞬时值对平均值的起伏。（2）系统客观上存在着新旧结构更替的可能。三、自然界的层次结构低级高级自然界的层次结构三、自然界的层次结构低级高级层次结构基本特征纵向等级构成性横向多元相干性间断性与连续性分层递阶秩序的稳定性程度是由结合能的大小决定一、自然界演化的图景第二节自然演化观四大起源：宇宙起源地球起源生命起源人类起源宇宙的起源和演化150亿年基本粒子核合成1秒-1万年实物阶段稳定原子原子星系恒星引力收缩主序星红巨星脉冲星高密阶段地球的起源和演化地球的形成（50亿年）地球的起源和演化生命的起源和进化生命的起源和进化人类的起源和进化二、自然界演化的方向二、自然界演化的方向进化•由无序到有序、由简单到复杂、从低级到高级不断上升的发展方向。退化•由有序到无序、由复杂到简单、从高级到低级不断退步的下降方向。演化方向的一般特点间断性稳定性重建自发性三、自然演化的规律•三种时间观：牛顿不变时间观、热力学退化时间观、达尔文进化时间观•两种冲突：可逆与不可逆冲突、进化与退化冲突演化的不可逆性•普遍性•开放性：质的多样性、长短多样性、环节与阶段多样性•开放性演化的周期性•非生命界：吸引与排斥矛盾•生物进化：生物与环境的相互作用演化发展的动力三、自然演化的规律进化与退化的冲突热力学第二定律：演化向下——无序和随机（宇宙热寂说）进化论：演化向上——有序和系统自然演化的自组织机制四、自然界演化的自组织机制理论•是研究不同事物共同特征及其协同机理的新兴学科，是近十几年来获得发展并被广泛应用的综合性学科。它着重探讨各种系统从无序变为有序时的相似性。耗散结构理论协同学•是强调变化过程的间断或突然转换的意思。突变论的主要特点是用形象而精确的数学模型来描述和预测事物的连续性中断的质变过程。突变论•在生命现象中包含许多由酶的催化作用所推动的各种循环，而基层的循环又组成了更高层次的循环，即超循环，还可组成再高层次的超循环。超循环系统即经循环联系把自催化或自复制单元连接起来的系统。在此系统中，每一个复制单元既能指导自己的复制，又能对下一个中间物的产生提供催化帮助。超循环理论一个远离平衡态的非线性的开放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。四、自然界演化的自组织机制自组织“如果一个系统在获得空间的、时间的或功能的结构过程中，没有外界的特定干涉，我们便说该系统是自组织的。”四、自然界演化的自组织机制自组织过程从非组织到组织组织程度低到组织程度高同层组织由简单到复杂四、自然界演化的自组织机制自组织的条件开放系统远离平衡态非线性相互作用正反馈放大作用巨涨落四、自然界演化的自组织机制开放系统•与环境交换物质、能量、信息的系统。•熵与熵流•熵变公式：ds=dis+des•dis系统内部产生的熵，叫做熵产生，根据热力学第二定律dis0；des表示系统与环境交换的熵，叫做熵流，可正可负。四、自然界演化的自组织机制（1）孤立系统当des=0时，ds=dis0无序（2）开放系统当des0时,ds=dis+des0无序（3）开放系统当des0时且|des|dis时，ds=dis+des0无序（4）开放系统当des0时,且|des|＝dis时，ds＝0宏观结构不变（5）开放系统当des0时,且|des|dis时，ds=dis+des0有序系统状态分析图四、自然界演化的自组织机制远离平衡态•平衡态处处均匀，无序；近平衡态有一定的差异，最终会趋向无序；趋使系统远离平衡状态依靠开放及内在因素。正反馈•放大系统内部的差异四、自然界演化的自组织机制一只南美洲亚马逊河流域热带雨林中的蝴蝶，偶尔扇动几下翅膀，可以在两周以后引起美国德克萨斯州的一场龙卷风。在一个动力系统中，初始条件下微小的变化能带动整个系统的长期的巨大的连锁反应。四、自然界演化的自组织机制非线性作用•普里高津：“对于耗散结构所必须的另一个基本特征是在系统的各个元素中存在着一种非线性机制。”线性作用相互作用非线性作用相干性非加和性多重选择性独立性叠加性单一性四、自然界演化的自组织机制杨子之邻人亡羊,既率其党;又请杨子之竖追之.杨子曰:嘻!亡一羊,何追者之众邻人曰:多歧路.既反,问:获羊乎曰:亡之矣.曰:奚亡之曰:歧路之中又有歧焉,吾不知所之,所以反也.列子·说符四、自然界演化的自组织机制巨涨落•孤立系统和开放系统中的涨落其表现不同：孤立系统—忽略不计，开放系统—巨涨落。•分叉点上系统有序结构的重新形成取决于在外部环境影响下系统内部快速增长的巨涨落。•涨落导致有序（普利高津）•举例：贝纳德对流四、自然界演化的自组织机制1900年贝纳德发现了对流有序现象，他在一个圆盘中倒入一些液体。当从下面加热这一薄层液体时，刚开始上下液面温差不太大，液体中只有热传导。但当上下液面温差△T超过某一临界值△Tc时，对流突然发生，并形成很有规律的对流花样。从上往下俯视，是许多像蜂房那样的正六角形格子。中心液体往上流，边缘液体往下流，或者相反。五、运动技术系统演化的自组织机制运动技术，系统性存在？运动技术系统要素？运动技术系统结构？运动技术系统功能？自组织机制？？？运动技术又称“动作技术”，是指符合人体运动规律，能充分发挥身心基本能力，有效完成动作的方法。运动技术系统？在运动中，由相互作用和相互依赖的若干动作要素和心理过程结合成的具有特定功能的、并与环境发生关系的动作有机整体。七大要素：身体姿势、动作轨迹、动作时间、动作速率、动作速度、动作力量、动作节奏身体•身体姿势动作轨迹动作时间动作速率动作速度动作力量动作节奏心理•感觉知觉信息识别信息匹配系统决策动作执行完成反馈•身体姿势动作轨迹动作时间•动作速率动作速度动作力量•动作节奏身体运动过程刺激辨别应答选择应答编程参照比较器误差反馈肌肉感觉运动感觉环境感觉运动程序脊髓肌肉动作环境运动中神经反应过程（反射弧）人体环境身心协同完成动作近人体环境人与器材协同完成动作远人体环境人与场馆场地协同完成动作人体运动技术系统结构图主体客体主体表征共客体鸣解读情境运动技术系统结构图