超循环理论概论

12014年12月超循环理论概论摘要：超循环理论是20世纪70年代以来发展起来的，堪称与耗散结构理论、协同论、突变论齐名的一种关于非平衡系统的自组织理论。企业，市场等，好比是一个超循环的系统，这些大系统中的子系统即在更新复制自己。同时也在使大系统中的组织更紧密，组织和结构具有多样性，从而使系统的能量会聚，并被大系统充分利用。本论文首先讲述了超循环理论的提出，它的基本理论，特点，以及它在现实生活中的应用实例。最后讲述了本人学习系统科学概论的感受。关键词:超循环系统组织1超循环理论的提出关于生命的起源，既是个古老的问题，也是现代生命科学的前沿课题。恩格斯就曾预言：“生命的起源必然是通过化学的途径实现的。”在20世纪的30年代，前苏联的科学家奥巴林提出化学进化学学说。从他的理论中可以看到，在原始地球的自然状态下，从无机物可以合成有机物，从有机小分子可以产生有机大分子直至嘌呤、嘧啶、核苷酸、氨基酸的可能性。[4]并没有说明最初的原生细胞是如何产生的。到了20世纪50年代,有学者提出:“核酸与蛋白质究竟哪个先发生?”这就使人们回想起一个古老的悖论——“先有蛋还是先有鸡”。现代分子遗传学的中心法则中，是由DNA到RNA，再到蛋白质。表面上看，是先有DNA，再有蛋白质。但是，DNA的复制，RNA的产生等等，这些生命活动的完成，均需要酶的生物催化完成。而酶就是蛋白质。这就促使必须重新考虑核酸与蛋白质的关系问题。联邦德国生物物理化学家曼弗里德·艾根通过探究生命起源这一问题。提出了生物大分子体系经历超循环的自组织进化、是形成遗传信息的重要机制。艾根在超循环理论中，提出了复杂系统的循环式因果观。即由多重反馈回路组成的封闭圈式的因果链。他指出，在遗传信息的起源，提出“哪个在先”，不是一个科学问题，是一个虚假的问题。在这里不存在时间的顺序。实际上，这是一个无法区分开端和末端的循环式因果链的关系。2超循环理论概述贝塔朗菲创立的系统论的初衷本是要开创一种机体论的新科学，但由于仍然不能超越构成论，即整体由部分构成的预设，其后的发展仍然向着制造更复杂的机器论前进，以致许多人认为系统科学并非科学革命，因为它并未逃脱机械的逻辑和还原论的范畴。在这之后，系统科学的又一轮重大突破是从超循环理论开始的，超循环理论通过探究生命发生的奥秘，来冲破了机械论的遮蔽，揭示了生成的逻辑及由之生长起来的整体的规律。[3]超循环就是由多个反应循环相互结合构成的复杂反应循环。在超循环组织中，每个复制单元既能指导自己的复制，又对下一个中间物的产生提供催化支持。超循环能使组织更加紧密，从而使得组织和结构具有更大的丰富性和多样性，使系统能量得以会聚，并被系统充分利用，提高体系的非线性特征，促使系统进化。因此它不仅推动了系统科学从有机整体论走向生成整体论，而且展示出内涵价值的自然界生成演化的世界图景，为人类构建基于信息，内涵价值的新科学提供了重要启示。3超循环理论基础自然界中普遍存在循环的现象，正如恩格斯所指出的“自然界是在永恒的流动和循环中运动着”。艾根从生物大分子的角度进行研究，揭示了生命系统的起源和演化采取了循环发展的形式。生命系统从低级循环向高级循环进化，直到超循环。超循环，22014年12月就是以循环作为亚单元，并通过功能连接起来所构成的再循环，通过循环过程的进行，使系统具有自组织所需的全部性质，使系统能够稳定地和相干地自我优化。超循环理论认为，物质之间的相互作用和因果转化构成循环，一般而言，按照从低级到高级的顺序，循环可分为以下几种形式：反应循环、催化循环和超循环。[2]反应循环。是指多步骤的化学反应序列的持续不断的反应过程。它是一组相互关联的化学反应序列，其中某一步的一种产物恰好是先前一步的反应物，例如A产生B，B产生C，C产生D……，最后产生A，从而形成一个循环。在反应循环中，催化剂E和反应物结合，形成中间复合物ES，再转化为EP，最后释放出生成物P和催化剂E，继而催化剂E又加入下一轮新的反应行列，在这种转化反应中，催化剂的催化作用等价于中间物的循环复原，因此反应循环相似于生命系统的第一特征——新陈代谢，如图1所示。反应循环是靠系统外部催化剂的催化作用来驱动的循环，因为它能够使循环被动的运行和耦合，所以循环运行效率较低，并且循环耦合力较弱，因此反应循环是较低级的组织形式。图1催化循环。催化循环指的是在转化反应过程中，至少存在一种中间物能够对反应本身进行催化的反应循环，并且这种中间物也是反应循环自身在相互作用过程中产生的。催化循环是由相互催化的催化剂或相当于催化剂作用的反应循环所构成的循环网络系统。由于催化循环中的催化剂是循环系统内部自己产生的，它能够使循环自主的运行和耦合，而且两个或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，所以催化循环的运行效率高，并且循环耦合力强，因此催化循环是比反应循环更高级的循环组织形式，而且它具备生命系统的第二种特性——自复制。催化循环包括自催化反应和交叉催化反应两种类型。自催化反应是催化反应的最简单代表形式，反应物A在催化剂B的作用下生成更多的B，其中一部分生成物B又作为催化剂转入下一轮新的反应，这样往复来回，形成了一个持续不断的自催化循环，如图2所示。图2当两个或两个以上反应物相互催化、相互生成时就构成了交叉催化反应循环，在交叉催化反应循环内部可以包含自催化反应循环。图3所示的是一个简单的交叉催化反应。图3超循环。超循环是由各个自催化的循环单元通过功能耦合而联系起来的高级循环组织，它是循环的循环，是由多个反应循环相互结合而构成的复杂反应循环。超循环不仅是一种形式上的循环系统的整合，而且是一种功能性的综合。在超循环组织中，每个组织单元不仅能够自我催化，而且能够与同级甚至不同级的其他组织单元进行交叉催化，即超循环中的复制单元不仅指导自身的复制，而且控制下一个复制单元的复制。超循环系统能够使组织联系得更加紧密，通过循环的方式不断积累能量，当达到一定程度时，就发生突变，促使系统向更高层级跃迁。超循环相应于生命系统的第三个特征——突变性，如图4所示。32014年12月图4通过以上对三种循环方式的阐述，可知多个反应循环汇聚而成催化循环，无数个催化循环相互联系耦合而成超循环。循环等级不断上升，循环的自主性也不断提高。4超循环的特点与功能超循环是由非生命向生命飞跃时的必然选择，因此它具有以下特点和功能：a超循环具有自复制、自适应和自进化的新陈代谢性功能。[1]一个能够进化的系统必须通过新陈代谢来维持自身存在和自身结构。由于存在着热力学上的不断增墒作用，所以进化系统必须不断地与外界进行物质、能量、信息的交换，通过新生的部分代替衰败死亡的部分才能保持系统和生命的存在。b超循环具有突变性和拟种性。[1]在系统的演化过程中，由于混沌的作用，难免会发生突变，并生成一个不稳定的、暂时虚拟性的突变体，一般称之为“拟种”。拟种与旧的超循环系统组成一个临时的新超循环。如果外部环境不利，这种新的超循环就会很快解体，恢复原状；如果外部环境有利，新的超循环就会很快巩固下来。超循环组织正是依靠这些突变，通过自然选择保留了有用的变异，从而向更高的复杂性层次增长。可以说突变是新的有序的源泉。因为超循环具有特殊结构，所以超循环能够提高物质、能量和信息流等的利用效率，它可以通过扩大或缩小其规模去获得某种优势。C超循环通过功能耦合和协同性，具有整合功能。[1]任何系统进化的动力都来自于系统内外部的两种相互作用：竞争和协同。所谓协同，就是系统中诸多子系统之间的相互协调的、合作的或同步的联合作用与集体行为。从微观上看，在超循环组织内部，各子系统通过协同作用，以循环的形式利用物质、能量、信息，其整体容量、功能都远远大于原有组成部分的代数和。从宏观上看，企业与其他企业的关系并不仅仅是竞争，而且竞争的目的也不仅仅是淘汰对手，而在于创造性、合理性地利用资源，优势互补，共同形成一个宏观的超循环联盟。因此，超循环通过功能耦合和协同性，使所有联系起来的拟种能够稳定地、受控制的共存，相干的生长和进化，促进各个子系统之间形成更加紧密的联系，容易形成共生的结合体，具有整合功能。d超循环具有非线性体系在超循环组织内部存在着非线性的作用，各个组织单元不仅能够自我复制、自我适应、自我进化，而且能够以循环的形式将彼此的功能结合起来，为其它单元的进化提供催化支持，如此循环往复，达到彼此稳定共存、协同进化的理想效果。由于超循环的非线性性质，使得它的选择优势表现在群体上。因此新的物种不易取代已经建立起的超循环系统。但超循环在其稳定的自复制过程中会出现复制误差，新的物质便可能从复制误差中产生出来，并使系统引入新的非线性相互作用，还可推动系统越过不稳定性而进入新的稳定秩序。超循环组织正是通过复制误差，来保留下有意义的差异，向更高的复杂性生长的。超循环作为一种进化方式，它的形成是在自然规律支配下自然产生出来的，它是一种自组织的过程，不需要任何外部驱动来维持。超循环理论注重的是各种介质所构成的因果关系，在因果之间的多重相互作用下建立起一个宏观的功能组织，它包括了自产生、自选择、自进化到高度有组织的水平，当达到一定高度水平时，这种体系可以摆脱其在起源时所需的先决条件，并能够在一定程度上按照自己的利益改变生存条件。同时超循环理论还强调在进化过程中，物种之间所应具有的协作关系，它认为竞争固然存在，但竞争的目的并不在于击败对手，而更重要的在于形成合理的新生事物，即优势互补的综合超循环系统。当几个系统各自产出表现为一个对其他系统更为有利的结果，而且此种利他关系可以形成一个多单元的因果循环时，系统便会形成彼此相互依赖而不可分割的更大规模的超循环系统。42014年12月5超循环系统的应用实例像高技术企业，就是一个超循环的系统。它们的子系统在某一阶段的工作，都为下一阶段的工作积累了经验，提供了催化支持。比如说，研发子系统的催化循环，就是指研发子系统内部的继承和创新问题，每一项研发工作都是在已有技术经验积累、技术成果积累的基础上进行的，而该项研发工作又会为下一阶段的工作提供催化支持。子系统在不断的进行创新，完善自己。这使得大系统中的组织更紧密，组织和结构具有多样性，使这个系统的能量会聚，并被大系统充分利用。其他大的系统，如政府，国家，生态系统，甚至到了宇宙，都是一个超级循环系统。6课程感想经过这门课程的学习。在我的心中，系统，不再是windows系统，人体的组织系统等。正如钱学森所说的：“由相互作用和相互联系的若干组成部分结合而成的具有特定功能的整体，而且这个系统本身又是它所从属的一个更大的系统的组成部分”。在这门课的前阶段，令我印象很深的是熵理论。用熵能描述系统的紊乱程度。热力学第二定律，其实就是熵的另一种表达。系统总是自发的向着熵增大的方向，即无序方向发展。首先，看到这观点时，感觉这理论囊括了万物。就拿两种气体混合来说，在同一容器中时，就是自发的向无序发展，混合。然而要将它们重新分离开来，那就得费很大的功夫了。在下一个阶段，学习了系统学里的理论，如耗散结构理论，协同学，混沌，突变论等。这些理论介绍了系统的规律特征，为我们展示了复杂系统内部的真面目。其中，我对混沌理论非常感兴趣，因为当时看《蝴蝶效应》这部电影时，老看不明白。不知道主人公伊万每次回到从前是想干什么。通过混沌理论中蝴蝶效应的学习。知道了任何事物发展均存在定数与变数，事物在发展的过程中，其发展轨迹有规律可循，但同时也存在不可预测的变数。微小的变化都能影响事物的发展。伊万尽管想回到从前，能使他的人生变得更完美，但他还是不能避免那些不可预测的事情，所以他把事情变得越来越糟。在后阶段的学习中，学习了对策论，图论，排队论等等。当时正在学习电网络理论，就是用图论的方法来解决电路中的问题，如短路，开路参数的求解。但通过这阶段对图论的学习，发现图论能将问题用一个网络来描述。然后我们通过里面的边，点，以及树等来求解最优解。在对策论中，再一次见识了约翰·那什。以前在电影《美丽心灵》中，并未介绍他的理论，只讲述了他在妻子的帮助下，与精神分裂做斗争的经历。在这次学习中，通过囚徒困境问题，性