超循環(huán)理論概論

1、超循環(huán)理論概論摘 要：超循環(huán)理論是20世紀70年代以來發(fā)展起來的，堪稱與耗散結構理論、協(xié)同論、突變論齊名的 一種關于非平衡系統(tǒng)的自組織理論。企業(yè)，市場等，好比是一個超循環(huán)的系統(tǒng)，這些大系統(tǒng)中的子系統(tǒng) 即在更新復制自己。同時也在使大系統(tǒng)中的組織更緊密，組織和結構具有多樣性，從而使系統(tǒng)的能量會 聚，并被大系統(tǒng)充分利用。本論文首先講述了超循環(huán)理論的提出，它的基本理論，特點，以及它在現(xiàn)實 生活中的應用實例。最后講述了本人學習系統(tǒng)科學概論的感受。關鍵詞：超循環(huán)系統(tǒng)組織1超循環(huán)理論的提出關于生命的起源，既是個古老的問題，也是現(xiàn)代生命科學的前沿課題。恩格斯就曾預言:“生命 的起源必然是通過化學的途徑實現(xiàn)的。

2、”在20世紀的30年代，前蘇聯(lián)的科學家奧巴林提出化學進化 學學說。從他的理論中可以看到，在原始地球的自然狀態(tài)下，從無機物可以合成有機物，從有機小 分子可以產(chǎn)生有機大分子直至嘌吟、嘧啶、核苷酸、氨基酸的可能性。4并沒有說明最初的原生細 胞是如何產(chǎn)生的。到了20世紀50年代,有學者提出：“核酸與蛋白質究竟哪個先發(fā)生？”這就使人們 回想起一個古老的悖論一一“先有蛋還是先有雞”?，F(xiàn)代分子遺傳學的中心法則中，是由DNA到RNA，再到蛋白質。表面上看，是先有DNA，再有蛋 白質。但是，DNA的復制，RNA的產(chǎn)生等等，這些生命活動的完成，均需要酶的生物催化完成。而酶 就是蛋白質。這就促使必須重新考慮核酸與蛋

3、白質的關系問題。聯(lián)邦德國生物物理化學家曼弗里德艾根通過探究生命起源這一問題。提出了生物大分子體系 經(jīng)歷超循環(huán)的自組織進化、是形成遺傳信息的重要機制。艾根在超循環(huán)理論中，提出了復雜系統(tǒng)的 循環(huán)式因果觀。即由多重反饋回路組成的封閉圈式的因果鏈。他指出，在遺傳信息的起源，提出“哪 個在先”，不是一個科學問題，是一個虛假的問題。在這里不存在時間的順序。實際上，這是一個無 法區(qū)分開端和末端的循環(huán)式因果鏈的關系。2超循環(huán)理論概述貝塔朗菲創(chuàng)立的系統(tǒng)論的初衷本是要開創(chuàng)一種機體論的新科學，但由于仍然不能超越構成論， 即整體由部分構成的預設，其后的發(fā)展仍然向著制造更復雜的機器論前進，以致許多人認為系統(tǒng)科 學并非科

4、學革命，因為它并未逃脫機械的邏輯和還原論的范疇。在這之后，系統(tǒng)科學的又一輪重大 突破是從超循環(huán)理論開始的，超循環(huán)理論通過探究生命發(fā)生的奧秘，來沖破了機械論的遮蔽，揭示 了生成的邏輯及由之生長起來的整體的規(guī)律。3超循環(huán)就是由多個反應循環(huán)相互結合構成的復雜反應循環(huán)。在超循環(huán)組織中，每個復制單元既 能指導自己的復制，又對下一個中間物的產(chǎn)生提供催化支持。超循環(huán)能使組織更加緊密，從而使得 組織和結構具有更大的豐富性和多樣性，使系統(tǒng)能量得以會聚，并被系統(tǒng)充分利用，提高體系的非 線性特征，促使系統(tǒng)進化。因此它不僅推動了系統(tǒng)科學從有機整體論走向生成整體論，而且展示出內(nèi)涵價值的自然界生成 演化的世界圖景，為人類

5、構建基于信息，內(nèi)涵價值的新科學提供了重要啟示。3超循環(huán)理論基礎自然界中普遍存在循環(huán)的現(xiàn)象，正如恩格斯所指出的“自然界是在永恒的流動和循環(huán)中運動著”。 艾根從生物大分子的角度進行研究，揭示了生命系統(tǒng)的起源和演化采取了循環(huán)發(fā)展的形式。生命系 統(tǒng)從低級循環(huán)向高級循環(huán)進化，直到超循環(huán)。超循環(huán)，就是以循環(huán)作為亞單元，并通過功能連接起 來所構成的再循環(huán)，通過循環(huán)過程的進行，使系統(tǒng)具有自組織所需的全部性質，使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地 和相干地自我優(yōu)化。超循環(huán)理論認為，物質之間的相互作用和因果轉化構成循環(huán)，一般而言，按照從低級到高級的 順序，循環(huán)可分為以下幾種形式：反應循環(huán)、催化循環(huán)和超循環(huán)。2反應循環(huán)。是指多步驟的化

6、學反應序列的持續(xù)不斷的反應過程。它是一組相互關聯(lián)的化學反應 序列，其中某一步的一種產(chǎn)物恰好是先前一步的反應物，例如A產(chǎn)生B，B產(chǎn)生C，C產(chǎn)生D， 最后產(chǎn)生A，從而形成一個循環(huán)。在反應循環(huán)中，催化劑E和反應物結合，形成中間復合物ES，再 轉化為EP，最后釋放出生成物P和催化劑E，繼而催化劑E又加入下一輪新的反應行列，在這種轉化反應中，催化劑的催化作用等價于中間物的循環(huán)復原，因此反應循環(huán)相似于生命系統(tǒng)的第一特征 新陳代謝，如圖1所示。反應循環(huán)是靠系統(tǒng)外部催化劑的催化作用來驅動的循環(huán)，因為它能夠 使循環(huán)被動的運行和耦合，所以循環(huán)運行效率較低，并且循環(huán)耦合力較弱，因此反應循環(huán)是較低級 的組織形式。S

7、ES EP P圖1催化循環(huán)。催化循環(huán)指的是在轉化反應過程中，至少存在一種中間物能夠對反應本身進行催化 的反應循環(huán)，并且這種中間物也是反應循環(huán)自身在相互作用過程中產(chǎn)生的。催化循環(huán)是由相互催化 的催化劑或相當于催化劑作用的反應循環(huán)所構成的循環(huán)網(wǎng)絡系統(tǒng)。由于催化循環(huán)中的催化劑是循環(huán) 系統(tǒng)內(nèi)部自己產(chǎn)生的，它能夠使循環(huán)自主的運行和耦合，而且兩個或多個互為的反應循環(huán)則可能形 成一種信息自保持或自復制的系統(tǒng)，所以催化循環(huán)的運行效率高，并且循環(huán)耦合力強，因此催化循 環(huán)是比反應循環(huán)更高級的循環(huán)組織形式，而且它具備生命系統(tǒng)的第二種特性一一自復制。催化循環(huán) 包括自催化反應和交叉催化反應兩種類型。自催化反應是催化反應

8、的最簡單代表形式，反應物A在催化劑B的作用下生成更多的B，其中 一部分生成物B又作為催化劑轉入下一輪新的反應，這樣往復來回，形成了一個持續(xù)不斷的自催化 循環(huán)，如圖2所示。B A 圖2當兩個或兩個以上反應物相互催化、相互生成時就構成了交叉催化反應循環(huán)，在交叉催化反應循環(huán)內(nèi)部可以包含自催化反應循環(huán)。圖3所示的是一個簡單的交叉催化反應。圖3超循環(huán)。超循環(huán)是由各個自催化的循環(huán)單元通過功能耦合而聯(lián)系起來的高級循環(huán)組織，它是循 環(huán)的循環(huán)，是由多個反應循環(huán)相互結合而構成的復雜反應循環(huán)。超循環(huán)不僅是一種形式上的循環(huán)系 統(tǒng)的整合，而且是一種功能性的綜合。在超循環(huán)組織中，每個組織單元不僅能夠自我催化，而且能 夠與

9、同級甚至不同級的其他組織單元進行交叉催化，即超循環(huán)中的復制單元不僅指導自身的復制， 而且控制下一個復制單元的復制。超循環(huán)系統(tǒng)能夠使組織聯(lián)系得更加緊密，通過循環(huán)的方式不斷積 累能量，當達到一定程度時，就發(fā)生突變，促使系統(tǒng)向更高層級躍遷。超循環(huán)相應于生命系統(tǒng)的第 部分文檔來自網(wǎng)絡收集，如有侵權，請聯(lián)系作者刪除3三個特征一一突變性，如圖4所示。圖4通過以上對三種循環(huán)方式的闡述，可知多個反應循環(huán)匯聚而成催化循環(huán)，無數(shù)個催化循環(huán)相互 聯(lián)系耦合而成超循環(huán)。循環(huán)等級不斷上升，循環(huán)的自主性也不斷提高。4超循環(huán)的特點與功能超循環(huán)是由非生命向生命飛躍時的必然選擇，因此它具有以下特點和功能：a超循環(huán)具有自復制、自適

10、應和自進化的新陳代謝性功能。1一個能夠進化的系統(tǒng)必須通過新陳代謝來維持自身存在和自身結構。由于存在著熱力學上的不斷 增墑作用，所以進化系統(tǒng)必須不斷地與外界進行物質、能量、信息的交換，通過新生的部分代替衰 敗死亡的部分才能保持系統(tǒng)和生命的存在。b超循環(huán)具有突變性和擬種性。1在系統(tǒng)的演化過程中，由于混沌的作用，難免會發(fā)生突變，并生成一個不穩(wěn)定的、暫時虛擬性 的突變體，一般稱之為“擬種。擬種與舊的超循環(huán)系統(tǒng)組成一個臨時的新超循環(huán)。如果外部環(huán)境不 利，這種新的超循環(huán)就會很快解體，恢復原狀；如果外部環(huán)境有利，新的超循環(huán)就會很快鞏固下來。 超循環(huán)組織正是依靠這些突變，通過自然選擇保留了有用的變異，從而向更

11、高的復雜性層次增長。 可以說突變是新的有序的源泉。因為超循環(huán)具有特殊結構，所以超循環(huán)能夠提高物質、能量和信息 流等的利用效率，它可以通過擴大或縮小其規(guī)模去獲得某種優(yōu)勢。C超循環(huán)通過功能耦合和協(xié)同性，具有整合功能。1任何系統(tǒng)進化的動力都來自于系統(tǒng)內(nèi)外部的兩種相互作用：競爭和協(xié)同。所謂協(xié)同，就是系統(tǒng)中諸多子系統(tǒng)之間的相互協(xié)調(diào)的、合作的或同步的聯(lián)合作用與集體行為。 從微觀上看，在超循環(huán)組織內(nèi)部，各子系統(tǒng)通過協(xié)同作用，以循環(huán)的形式利用物質、能量、信息， 其整體容量、功能都遠遠大于原有組成部分的代數(shù)和。從宏觀上看，企業(yè)與其他企業(yè)的關系并不僅 僅是競爭，而且競爭的目的也不僅僅是淘汰對手，而在于創(chuàng)造性、合理

12、性地利用資源，優(yōu)勢互補， 共同形成一個宏觀的超循環(huán)聯(lián)盟。因此，超循環(huán)通過功能耦合和協(xié)同性，使所有聯(lián)系起來的擬種能 夠穩(wěn)定地、受控制的共存，相干的生長和進化，促進各個子系統(tǒng)之間形成更加緊密的聯(lián)系，容易形 成共生的結合體，具有整合功能。d超循環(huán)具有非線性體系在超循環(huán)組織內(nèi)部存在著非線性的作用，各個組織單元不僅能夠自我復制、自我適應、自我進 化，而且能夠以循環(huán)的形式將彼此的功能結合起來，為其它單元的進化提供催化支持，如此循環(huán)往 復，達到彼此穩(wěn)定共存、協(xié)同進化的理想效果。由于超循環(huán)的非線性性質，使得它的選擇優(yōu)勢表現(xiàn)在群體上。因此新的物種不易取代已經(jīng)建立 起的超循環(huán)系統(tǒng)。但超循環(huán)在其穩(wěn)定的自復制過程中會

13、出現(xiàn)復制誤差，新的物質便可能從復制誤差 中產(chǎn)生出來，并使系統(tǒng)引入新的非線性相互作用，還可推動系統(tǒng)越過不穩(wěn)定性而進入新的穩(wěn)定秩序。 超循環(huán)組織正是通過復制誤差，來保留下有意義的差異，向更高的復雜性生長的。超循環(huán)作為一種 進化方式，它的形成是在自然規(guī)律支配下自然產(chǎn)生出來的，它是一種自組織的過程，不需要任何外 部驅動來維持。超循環(huán)理論注重的是各種介質所構成的因果關系，在因果之間的多重相互作用下建立起一個宏 觀的功能組織，它包括了自產(chǎn)生、自選擇、自進化到高度有組織的水平，當達到一定高度水平時， 這種體系可以擺脫其在起源時所需的先決條件，并能夠在一定程度上按照自己的利益改變生存條件。 同時超循環(huán)理論還強

14、調(diào)在進化過程中，物種之間所應具有的協(xié)作關系，它認為競爭固然存在，但競 爭的目的并不在于擊敗對手，而更重要的在于形成合理的新生事物，即優(yōu)勢互補的綜合超循環(huán)系統(tǒng)。 當幾個系統(tǒng)各自產(chǎn)出表現(xiàn)為一個對其他系統(tǒng)更為有利的結果，而且此種利他關系可以形成一個多單 元的因果循環(huán)時，系統(tǒng)便會形成彼此相互依賴而不可分割的更大規(guī)模的超循環(huán)系統(tǒng)。5超循環(huán)系統(tǒng)的應用實例像高技術企業(yè)，就是一個超循環(huán)的系統(tǒng)。它們的子系統(tǒng)在某一階段的工作，都為下一階段的工 作積累了經(jīng)驗，提供了催化支持。比如說，研發(fā)子系統(tǒng)的催化循環(huán)，就是指研發(fā)子系統(tǒng)內(nèi)部的繼承 和創(chuàng)新問題，每一項研發(fā)工作都是在已有技術經(jīng)驗積累、技術成果積累的基礎上進行的，而該項

15、研 發(fā)工作又會為下一階段的工作提供催化支持。子系統(tǒng)在不斷的進行創(chuàng)新，完善自己。這使得大系統(tǒng) 中的組織更緊密，組織和結構具有多樣性，使這個系統(tǒng)的能量會聚，并被大系統(tǒng)充分利用。其他大 的系統(tǒng)，如政府，國家，生態(tài)系統(tǒng)，甚至到了宇宙，都是一個超級循環(huán)系統(tǒng)。6課程感想經(jīng)過這門課程的學習。在我的心中，系統(tǒng)，不再是windows系統(tǒng)，人體的組織系統(tǒng)等。正如錢 學森所說的：“由相互作用和相互聯(lián)系的若干組成部分結合而成的具有特定功能的整體，而且這個系 統(tǒng)本身又是它所從屬的一個更大的系統(tǒng)的組成部分”。在這門課的前階段，令我印象很深的是熵理論。用熵能描述系統(tǒng)的紊亂程度。熱力學第二定律， 其實就是熵的另一種表達。系統(tǒng)

16、總是自發(fā)的向著熵增大的方向，即無序方向發(fā)展。首先，看到這觀 點時，感覺這理論囊括了萬物。就拿兩種氣體混合來說，在同一容器中時，就是自發(fā)的向無序發(fā)展， 混合。然而要將它們重新分離開來，那就得費很大的功夫了。在下一個階段，學習了系統(tǒng)學里的理論，如耗散結構理論，協(xié)同學，混沌，突變論等。這些理 論介紹了系統(tǒng)的規(guī)律特征，為我們展示了復雜系統(tǒng)內(nèi)部的真面目。其中，我對混沌理論非常感興趣， 因為當時看蝴蝶效應這部電影時，老看不明白。不知道主人公伊萬每次回到從前是想干什么。 通過混沌理論中蝴蝶效應的學習。知道了任何事物發(fā)展均存在定數(shù)與變數(shù)，事物在發(fā)展的過程中， 其發(fā)展軌跡有規(guī)律可循，但同時也存在不可預測的變數(shù)。

17、微小的變化都能影響事物的發(fā)展。伊萬盡 管想回到從前，能使他的人生變得更完美，但他還是不能避免那些不可預測的事情，所以他把事情 變得越來越糟。在后階段的學習中，學習了對策論，圖論，排隊論等等。當時正在學習電網(wǎng)絡理論，就是用圖 論的方法來解決電路中的問題，如短路，開路參數(shù)的求解。但通過這階段對圖論的學習，發(fā)現(xiàn)圖論 能將問題用一個網(wǎng)絡來描述。然后我們通過里面的邊，點，以及樹等來求解最優(yōu)解。在對策論中， 再一次見識了約翰那什。以前在電影美麗心靈中，并未介紹他的理論，只講述了他在妻子的 幫助下，與精神分裂做斗爭的經(jīng)歷。在這次學習中，通過囚徒困境問題，性別問題，以及田忌賽馬 來介紹了博弈論。領悟到了如何用博弈論的方法來分析問題，選擇最優(yōu)的方案。系統(tǒng)科學已經(jīng)發(fā)展很多年了，但通過這次對系統(tǒng)科學概論的學習