自然界的演化规律.ppt

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1、第三章 自然界的演化规律,自然界演化发展的历史，也是自然规律发挥作用的历史。自然界的演化究竟受哪些规律的影响和支配？这是需要运用多学科的认识成果，从多角度进行分析总结的。从演化的过程看，它受时间之箭的影响和支配，具有可逆与不可逆的对立统一性；从演化的动因方面看，它受系统内外条件的影响和制约，具有线性与非线性、自组织与他组织的协同性；从演化的状态和形式看，它表现为进化与退化、有序与无序、循环与超循环的多种形式的复杂性。本章对这些基本规律将作进一步考察。,第一节 自然界演化的时间性自然界的演化与时间的关系，直接的表现形式是随着时间的推移，自然界物质的存在方式发生了变化。但在经典物理学中（如牛顿力学

2、和爱因斯坦的相对论）时间的作用却被忽视了，牛顿引入时间概念来解释运动，将运动定义为位置随时间的变化，但时间这个基本概念是什么，却缺乏界定。,对时间和物质存在方式的之间的关系的讨论，使爱因斯坦提出了相对论，可是相对论本身并不能对时间进行方向性区别，把正的时间换成负的时间时，度规结构（它决定了时空的几何性质）以及由它而来的运动方程都保持不变；给出在任一时空坐标上的条件后，宇宙的整个历史和将来都可以计算出来，但人们运用相对论思想研究宇宙起源时却发现存在奇点的困难，也就是说相对论在解释自然界的最初状态和演化的方向等方面仍是无效的。,但现实世界中，无论是热力学的熵增现象，还是生物学的进化现象，都表明自然

3、演化具有时间性的特征。如何将传统理论中包含的可逆性和不可逆性协调起来，一直是科学界和哲学界普遍关注的问题。,一、可逆与不可逆 可逆性是指事物在经过变化之后，仍能回复到以前的状态，因此系统科学长将可逆性称为回归性。严格的回归性要求完全回复到初始状态，一般的回归性只要求回到该状态的附近。有限次回归后便逃逸掉的状态，仍不能算是具有回归性，只有在t过程中无限次的回归到其附近的状态，即永不逃逸的状态，才真正具有回归性。从这个要求来看，世界上根本没有绝对的真正的可逆变化。,传统科学为了将复杂性的问题简单化处理，常常将不可逆性因素舍弃不予考虑。这样就出现了上面我们所说的经典物理学和相对论都没有讨论时间反演状

4、况下的物体运动规律的变化。,现代物理学在这方面进行了极其艰苦的探索，使这一状况获得了明显的突破。狄拉克的正电子在时间上具有向后退行的特征，费曼的电子理论需要不同的时间方向同时存在。吕德斯（G-Luders）于1954年，泡林于1955年分别提出了CPT定理，该定理对物质与反物质、空间对称性和时间的方向性作了最理想的处理和解释。这个定理来源于一些定律的对称性，把任何过程中的粒子换成反粒子、把该过程换成它的镜像、以及把时间倒转这三个变换同时操作的情况下，这些定律保持不变。即C电荷共轭，它把物质转换成反物质；P空间反演，它把空间坐标转换成它的镜像；T时间反演，它把时间方向倒转。CPT定理断言，物理规

5、律预言了在一种“泛镜像”世界中的等量但相反的事件；它同时可以说明，时间对称性是如何可能被破坏从而产生出时间箭头。,在微观基本粒子物理世界中，有一个奇特的现象，被认为是破坏了时间两个方向之间的对称性，这就是克罗宁（J-W-Cronin）和(V-L-Fitch)发现的长寿K介子的衰变过程。（他们因此获得1980年诺贝尔奖）在大多数衰变中，K介子生成一个负的介子、一个正电子和一个中微子，这一过程的CP对称性被证明是保持不变的；然而K介子同样也可以衰变为（大约在10亿次衰变中有一次）一个正的介子、一个电子和一个反中微子，这时候CP对称性就会受到破坏。按照CPT定理，T对称性在这罕见的过程中也同样受到破

6、坏：时间可逆的事件被禁止，过程成为不可逆的，时间箭头便显现出来,按照基本粒子物理学的对称自发破缺规则，规范场的对称自发破缺的后果就是规范场量子获得了质量。在物理上一个简单例子是铁磁体的有序无序相变，在温度高于居里温度时，铁磁体的分子磁距是无规则的；如将其温度降至居里温度之下，分子磁距在单畴范围内取某一方向有序排列。经过对称破缺的宇宙，开始了一个新的相边过程，即进入暴涨时代。在这样的物质世界中，系统的演化具有完全不可复原的特征，就是我们所讨论的不可逆性。,现实的自然过程严格的说都是不可逆过程。不仅热传导、质量扩散、粘滞流动、功热转化、化学反应、生命发育、物种进化是不可逆的，即使经典物理所研究的单

7、摆、弹性碰撞、等温过程、绝热平衡过程等在考虑摩擦、辐射等因素时也是不可逆的。由此看来，可逆性是相对的,不可逆性是绝对的。但对于具体的过程来说，不可逆过程也往往包含着某些可逆的因素,功热转化在能量品位上是不可逆的，但转化能力却有可逆性；化学反应在总体上是不可逆的，但生成物依然可以复原为反应物；生长发育和衰老是不可逆过程，但机体的协调性和组织性却经历着由低到高和由高到低的过程,也许是基于这种考虑，普里戈津强调，无论可逆或不可逆都不是唯一普适的过程，在一个多元化的世界中，可逆性与不可逆性是并存于现实之中的。因此，对我们来说，重要的不是找出简单纯粹的可逆性与不可逆性，而是要探讨现实事物中究竟包含哪些可

8、逆与不可逆的因素，它们对物质世界的演化发展起着怎样的作用。,二、热力学的时间之箭：熵增加在卡诺的热机理论中，没有不可逆的热损失；在迈耶和焦尔的能量守恒与转化定律中，能量的损耗也被忽略了；但在克劳修斯的热力学第二定律中，热转化为功时，总有一部分热能被耗散掉了，这意味着能量转化具有不可逆的特征。在这个基础上，克劳修斯提出了“熵”的概念，它表示一个系统在一定过程中所吸收（或耗散）的热量的状态函数。在一个孤立的系统中，熵随着时间的增加而不停地增长，当所有的能量都耗尽时，它就达到了极大值。因而熵给所有孤立系统提供了一个时间箭头，当熵达到极大值时，孤立系统的时间演化就停止了，该系统就处于它最无序的状态,克

9、劳修斯将宇宙当成一个孤立系统，并预言宇宙的总熵是在无情地朝着它的极大值增长，即宇宙热寂说。在克劳修斯看来，熵增加是一个自发的不可逆过程，因为自然系统很难有绝对的热平衡态，这样在现实世界中，熵的意义可以有以下两种理解：第一，熵的宏观意义是系统能量分布均匀程度的衡量标志，能量分布越不均匀，熵越小；能量分布越均匀，熵越大；能量分布从不均匀趋向于均匀，则熵增加。第二，熵的微观意义是对系统内部粒子的无序化程度的标志，熵值越大，无序化程度越高，反之，熵值越小，系统内部的有序化程度增大。,随着非平衡态热力学的兴起，人们对不可逆性的理解又走向更为深刻地讨论之中。非平衡态热力学分成两个分支：线性分支描述接近平衡

10、的系统行为，非线性分支处理系统远离平衡时的情况。普里高津发现，在线性表现良好的区域，热力学耗散降到它可能的最低点。这样，系统熵的变化率，也就是内禀的熵产生将会减小：系统在通常情况下演化到一个稳定的或不变的状态时，耗散处于极小值；在热扩散的情况下，总的熵可能是增加的，但是当气体最终的浓度梯度已经建立以后，内禀熵的产生率就处在它的最低值。普里高津的最小耗散图像比起最大熵的平衡概念来对我们更为有用，因为它与实际世界的关系更为密切在实际世界中，没有什么是真正处于平衡态的。,对于远离平衡态的非线性系统，普里高津和布鲁塞尔学派的另一位系统科学家格兰斯多夫给出了一个新判据格兰斯多夫-普里高津判据。它的意思是

11、：远离平衡的开放系统，能量和质量都可以变动，系统的行为由非常复杂的非线性关系所支配，当系统偏离平衡态太远时，这种稳恒状态就变得不稳定了。此时可能会出现一个“转折点”，或者称作“分差点”，系统在此处会偏离稳恒态，而演化到某种其他状态。,对于在第一个转折点之后会发生什么情况，进一步研究将显示系统出现的多种可能性或“分叉”。它可能预示着系统将出现多种状况，在整体熵快速增长的同时，却可能观察到极其有序行为的出现。对于一个化学家，这可能意味着一只周期性改变颜色的化学钟或者试管里显现的彩色图案；对于一个生态学家，可能意味着动物种群中新的稳恒态或交替变化；对于一个医生，也许意味着一次心脏病发作,也就是说远离

12、平衡态可能出现的是一种令人惊异的有序状态，此时无数个分子在时间和空间中的行为达到协调一致。普里高津将此称为“耗散结构”，因为它们发生在系统和外界之间有物质和能量交换的情况下，同时伴有系统的熵产生（耗散）。这些导致耗散结构生成的复杂而相互依赖的过程，共同的名称叫做“自组织”。,怎样使耗散结构与“宇宙热寂”的思想统一呢？如果我们不具体研究非平衡系统的演化，就会看着无序性的增长，最终一切变化停止而达到热平衡。但是对于非平衡过程的研究证明，一个远离平衡态演化的宇宙，是不能如此简单处理的。在这样的宇宙中，不可逆的非平衡态热力学允许产生自发的自组织结构，使得星系、行星直到细胞、生物得以出现。,三、进化论的

13、时间之箭：负熵增加对生物起源的解释，在很大程度上，人们都依赖进化论。但要从简单的物质形式演化出复杂的生命形态，是需要漫长的时间的。可是依照热力学第二定律，随着时间的推移，自然系统的熵值会不断增大，无序化趋势是在所难免，这样的自然界怎么可能允许出现有序化程度越来越高的生命现象存在呢？,薛定谔在生命是什么一书中说：“自然界中正在进行着每一件事，都意味着它在进行的那部分世界的熵的增加。因此，一个生命体在不断地增加它的熵，并趋于接近最大值的熵的危险状态，那就是死亡。要摆脱死亡，就是说要活着，唯一的办法就是从环境里不断地吸取负熵。有机体就是依赖负熵为生的。或者更确切地说，新陈代谢中的本质东西，乃是使有机

14、体成功地消除了当它自身站着的时候不得不产生的负熵。”,那么，什么是负熵呢？在热力学中，熵值只有在绝对零度时才为零而第三定律表明绝对零度不可能达到，所以，熵值根本不是指负的熵值，而是对与熵完全相反的一种情况的一种描述，如负熵是指能促进系统增加其秩序或组织性的一种特性。而玻尔兹曼的H函数是随着时间而减小的，这个函数为熵的箭头提供了一个互补的箭头，熵在系统向平衡态演化过程中是随时间增加的，这样他就通过“分子混沌”假设在分子层次上解释了不可逆性的根源。,但是一些科学家设想如果运用“粗粒化”方法，可以对玻尔兹曼的不可逆性问题重新解释，如物理学家杰恩斯（EdJaynes）说我们之所以对亿万个分子构成的运动

15、无法追踪认识，“不是因为物理过程本身不可逆，而是因为我们追循物理过程的能力有限。”也就是说，如果我们的感觉足够灵敏，我们就可以看到分子的单独运动，从而可以去证实，所有的过程在这种微观层次上是可逆的。这种思想经过信息论的处理变成了现实。申侬认为从伴随噪音而接收下来的一切信号中，可以获得有用的信息。噪音的本质是无序的，这与信息的有序性形成对照，信号中的信息量越大，它的熵就越小。,这样信息与熵之间构成了一种相反的关系，所以，维纳、布里渊、贝塔朗菲等多位科学家都将信息与负熵视为同义语。,生物的进化过程，是生物分子有序化程度不断提高的历史，也就是不断吸取负熵，提高自组织能力的历史。现在的生物化学表明，氨

16、基酸、类蛋白、类核酸等生物分子都可以通过人工合成的途径得到，但是在没有人工控制的原始自然条件下是如何完成这样严格的要求的呢？生物化学研究开始了对自然系统的自组织机制的探索。人们发现：不仅蛋白质使酶作为催化剂具有专一性，保证催化核酸使其完成自我复制及遗传变异，而且新近研究发现RNA高分子也具有自催化功能，它是细胞形成以前的第一推动者。,此种功能的发现使耶鲁大学的阿尔特曼Sidney Altman和科罗拉多大学的捷克Thomas Cech荣获1989年的诺贝尔奖）生物分子一旦具备了自组织的功能，非线性反应所需要的反馈机制也就形成了，这样就会出现复杂分子在时间和空间上的演化。奥帕林（Alexande

17、r Oparin）的“凝聚模型”、福克斯（S-W-Fox）的“团聚体”、哥岱科(Richard Goldaacre)的“类脂双层体”模型都用相近的方式解释了这个原理。DNA和RNA的演化变异被看成一个分子生物钟，高能辐射和复制过程中的错误都是导致突变的原因，在更复杂的范围内可以运用英国数学家和计算机科学家图灵的思想加以分析。图灵在把一个描述精神的简单机械图像和纯数学结合起来，说明了机器可以模拟思想，他力图找出生物学的形态来源，即细胞是如何构成有机体的，他发现在这个过程中信息的改变是导致细胞球体对称性破缺的重要因素,图灵运用数学方程给定了系统偏离均匀状态而进入远离平衡态的“临界点”。总之，在各种

18、生命形式里，生物信息对生物的进化发挥着重要作用。蛋白质作为催化剂时的高度专一性，保证了自己和其祖先核酸之间有一个共生关系。基因的遗传密码遵循生物中心法则逐级传递，在这个过程中基因的重组和基因的突变都有可能导致外部生物显性性状的改变。,对生物基因变异的原动力的解释是历来各派生物学争议的一个焦点，它们就是迄今为止形成的各种进化理论。传统的拉马克和达尔文的进化论以获得性遗传为基本构架，强调环境所引起的适应性变异是进化的根本原因，二十世纪美国摩尔根学派侧重于从基因突变、重组和染色体畸变等不定变异等方面解释生物进化的机制，他们的观点后经过发展形成了“中性突变进化论,其主要思想是：突变大部分是中性的，它不

19、会影响核酸和蛋白质的功能，对生物个体既无害也无利；在分子水平的进化上自然选择不起作用，“遗传漂变”通过在群体中的固定和逐渐积累，实现种群分化，形成新种；生物进化的速率由中性突变的速率所决定，它对于所有的生物几乎是恒定的，即同一分子的进化速度在不同的物种是相同的。据说，依照他们的定量分析可以估算出物种进化的时间表，它与化石研究所确定的进化时间比较接近。但因其完全排斥自然选择在进化过程中的作用，与实际经验观察分析难以吻合，也影响了其说服力，这样以耗散结构理论为依托的广义进化论就作为一种综合的理论出世了。,普利高津认为获得性遗传说和中性突变说两种思想都具有局部的合理性，但如果各执一端，就会流于片面，

20、不能真实地揭示生物的进化根源。他指出处于非平衡态的生物系统“不仅对它们的内部活动所产生的涨落敏感，而且对从它们的环境中来的涨落敏感”。（普利高津：从混沌到有序，第221页，上海译文出版社，1987年版。）在此基础上，拉兹洛根据古尔德（Gould）和埃尔德里奇（Etdredge）的“间断平衡理论”阐述了进化的宏观过程，,他说：“进化之所以发生，是由于有其他物种或亚种偶然闯进了边缘并打破了占支配地位的循环圈，从而使在进化枝中占支配地位的种群在自己的环境中失稳了。在这个时期，长期的静态稳定被破坏了，出现了从原先占支配地位而受到灭绝威胁的种群向处在边缘的物种或亚种的进化性飞跃。”（拉兹洛：广义综合理论

21、，第79页，社会科学文献出版社，1988年版。）这样关于生物进化的基本机制和时间箭头就能很好地统一起来，同时它也在跨学科的意义上解决了热力学与进化论的对立局面，为我们构成一个统一的自然图景作出了重要贡献。,二、有序与无序序是标志系统从宏观到微观的不同层次上可辩识性的范畴，是指某些确定的参量按规律取值的确定程度，能够按规律取确定值的是有序，无法按规律取确定值的是无序。有序和无序是从系统的不同存在状态方面对系统所作的一种描述方式，就象进化与退化对生物现象进行分析一样，它具有自然系统的现实依据。如热力学中所说的熵、信息论中的信息量、协同学中的序参量，都是从特定角度对有序和无序问题的研究。,系统的有序

22、性首先指结构的有序性，系统内部各要素之间的联系方式是规则的、确定的。如简单有序，既可以表示要素在空间分布上的规则性排列，象晶体点阵即是；也可以是系统在时间延续中的规则性变化，如周期运动等。其次，系统的有序性还表现为行为的有序和功能的有序。系统的行为与功能是作为过程而展开的，包括多个阶段、步骤、程序等，它们经过有序地协调安排，才能使系统行为和功能优化。,行为和功能直接表现的是系统与环境的相互联系，联系方式有规则的与不规则的、较强的规则性与较弱的规则性的差别，但究其根源而言，都可以从系统要素的构成方面得到解释。复杂系统内部的线性和非线性相互作用使系统的秩序问题也显得很复杂，有序与无序，高序与低序常

23、常是互相交替，难以界定。,系统的无序性通常可视为系统的无规则性的联系。它也既有结构上的，也有行为和功能方面的表现形式。简单无序，指的是系统要素在空间分布上的无规则堆积，如垃圾堆；或是在时间延续中的任意变化，如随机运动。无序和有序之间的界限可以通过发生对称性破缺的临界点加以区分，系统处于平衡结构时，其表现特征基本是有序的，系统突破了原有平衡，而进入非平衡结构，其有序性特征在减少，逐渐被无序化特征所取代。,其实，纯粹的有序或无序只是理论抽象，真实系统的有序和无序是相对的，它们相比较而存在，相排斥而演变。晶体的有序排列中总有缺陷，四季交替中也难免反常，行星绕太阳周期性公转也有摄动；而在杂乱无章的堆积

24、物中也总能发现局部的规则性联系，随机运动中也有统计学上的确定性；至于复杂系统，有序和无序更是相互依存，相互制约，相互促进。空间排列上的分形结构，时间演化中的混沌行为，都是有许中包含无序，或无序中嵌套着有序。,三、系统自组织的条件一个系统在什么情况下会产生自组织，首先要看这个系统是不是开放性系统。如果该系统与环境之间具有物质、能量和信息等方面的交换，则该系统具备了开放性，它才有可能产生自组织行为；否则，一个与环境没有任何交换的封闭系统是不可能出现自组织行为的。普里高津运用一个总熵变公式，对系统内部熵的变化作了具体分析。即：dS=diS+deS 这里的dS是系统总熵的改变，diS是系统内部混乱性产

25、生的熵，热力学第二定律保证熵产生为非负量，即diS0；deS是系统通过与环境相互作用而交换来的熵，称为交换熵，可正可负,有四种可能性：（1）deS=0，系统是封闭的，与外界没有交换，内部的熵增使系统混乱程度不断增加，不可能出现自组织，只可能导致组织的退化。（2）deS0，与外界交换得到的是正熵，总熵变dS0，系统以比封闭状态下更快的速度增加混乱程度，不会发生自组织。（3）deS diS，从环境中得到的负熵大于内部的熵增加，总熵变dS0，系统出现减熵过程，即自组织过程。,可见，对外开放是系统自组织的必要条件，封闭系统不会出现减熵运动；开放系统如果从外界获得的仍然是正熵，或者获得的负熵不足以抵消自

26、身的熵增趋势，都不可能出现自组织行为，只有正确的开放获得了足够遏制熵增趋势的负熵，而且负熵的补给是源源不断的，才能维持系统的自组织。就自然现象而言，贝纳德对流、激光的受激辐射、B-Z反应都是开放系统；宏观上的生命个体、生物群落、地球环境都是开放系统，严格意义上的封闭系统也许不存在，否则，就很难说明宇宙的演化。,其次，非平衡结构是系统自组织的状态性前提。在系统内部各要素相互作用的过程中，如果各方面的势力处于均衡，系统就处于平衡状态，这时的系统不会随着时间而变化，也就不会出现具有自组织特征的耗散结构。系统只有在失去内部结构的稳定性状态下，才有可能产生内部的随机性运动，才会导致内部的重组。如在贝纳德

27、花样中，流体上下温差与密度差以及热传输的存在，使微小体积元的随机涨落有被放大的可能；在激光现象中，高能级原子和辐射的激活性，使随机性的光子有按几何级数增长的可能；,在B-Z反应中，化学亲和势以及正反化学反应速度之差的存在，使介质浓度的随机涨落有被放大为一种宏观的周期性变化的可能性。非平衡结构有两种状况，一是近平衡态，系统内部主要是线性因素起作用，系统具有较为稳定的特征，系统不可能出现从无序到有序的进化。然而，等到系统内部出现非线性作用时，局部的涨落可能被放大，进而影响到整个系统，强迫系统向着某个新的秩序进化，这就是远离平衡态，在近平衡态和远离平衡态之间存在着一个临界的阈值，在没有达到该临界点之

28、前，是近平衡态，突破该点就是远离平衡态。,第三，非线性相互作用是系统实现自组织的基本依据。普里高津说：“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之间的相互作用中存在着一种非线性的机制。”艾根认为：“只有非线性系统才能提供开始自组织所需要的全部性质，并允许系统继续向高水平进化，直至能够逃脱它起源时的特定前提。”（艾根：超循环论，第18页，上海译文出版社，1990年版。）非线性相互作用与线性相互作用相比具有两个重要特征：,一是这种相互作用使各要素见产生相干效应与协调动作，从而可以使系统从杂乱无章变为井然有序。如果系统内各要素间的相互作用是线性的，那么它们的组合就只有量的增长，而不会有质

29、的突变。例如，杂乱的发光原子线性叠加，仍然只能杂乱地发出自然光，不可能向有序的激光转变；只有发光原子产生非线性的相干效应，才有可能形成相位、频率一致的激光。二是非线性的相互作用还会使系统的演化产生多个可能的分支，即会出现不同的结果。这种过程反复进行就导致了类似“生物进化树那样的分支系统，使系统的结构和功能趋于丰富多样。,第四，内部涨落是系统实现自组织的直接诱因。一般来说，表征系统某种属性的量度并不严格精确地处于平均状态，而是有或多或少、或大或小的偏离，这种偏离或偏差就叫涨落。涨落可由系统内部的不规则运动引起，也可由环境不可控的干扰引起，其大小、形态、范围等变化在宏观上是无法预见的。涨落的存在是

30、一切实际系统的固有特征，而它对系统的影响则视具体情况而定。通常情况下，涨落会被系统结构的约束力所平息，并不引起重要结果。只有当系统状态处于临界点上，微小的涨落才会得以放大，变成具有宏观尺度的“巨涨落”，从而推动系统发生质变，形成有序结构。涨落在决定系统向哪个方向分支进化方面起着重要作用。,换句话说，系统中的非线性相互作用虽然规定了多种可能的途径，但究竟哪一种途径成为现实，是由涨落随机选择的。涨落的这种作用表明自然界的演化是偶然性与必然性相互影响的过程。在上述四个条件之中，开放性是必要条件，但不是充分条件；只有系统内部出现非平衡结构、非线性相互作用和随机涨落等条件时，才有可能发生自组织过程,这正

31、如普里高津所说：“这使我们对于物质世界有了一个多元论的观点，在这个世界里，各种现象作为影响体系的条件一个挨一个地共处其中，而这条件本身又是变化的。也就是说对系统自组织的规律的理解应从多角度、全范围的去考察，同时它们各种因素之间的关系也是互为因果的，因此，自然界的演化才变得错综复杂，进化与退化，有序与无序，周期性与超循环性同时并举。,第三节 自然界演化的循环性 自然界物质系统的不断演化，必然导致自然界物质演化的另一种基本特征循环发展性，即这种特征一方面表现为自然界的演化具有周期性，另一方面又具有非重复性的超循环性，就是说自然界的整个演化过程是由一系列彼此交替的螺旋式循环构成的，同时也是演化的方向

32、性、多样性与无限性等相互交织的辩证否定规律得到充分证实的历程。,一、演化的周期性与超循环性自然界物质系统的演化，经过产生、发展和消亡的辩证否定过程，完成了一个周期。周期性的表现形式是自然界经过一定的演化历程之后有着向原来出发点回归的倾向。物质系统演化的周期性现象，在自然界已是一个普遍的客观事实。从当代科学发展的成果看，宇宙中的微观世界和宏观世界都具有周期性的规律。,俄国著名化学家门捷列夫的元素周期表，在微观的意义上揭示了物质世界的基本构成元素具有周期性的内在联系，经过后人的进一步完善，元素周期律更为全面地表达了这种特征。元素的性质是随着原子的核电荷数的递增而呈现周期性变化，无论是元素化合价的递

33、变，或是元素金属性和非金属性的递变都是如此。周期表上每一周期的元素，从左到右是非金属性逐渐增加、金属性逐渐减弱，但从上到下则相反。而且，不论是从上到下，或是从左到右，后一周期都不是前一周期同族元素性质变化的再现。,在有生命的世界，这种周期性也是显而易见的。脱氧核糖核酸DNA的自我复制具有周期性，生物细胞的新陈代谢具有自己的生命周期，植物的生根发芽、开花结果与气候的季节性变化存在着很大的对应关系；动物的孕育成长直至衰老都具有周期性特点。呼吸周期、体液循环、心跳节律、神经活动的兴奋抑制周期更是成为人的生命节律的周期性表现形式。,在宏观世界，地质的演化、冰川的活动也都具有周期性；慧星、卫星、行星、恒

34、星、星系的运转也具有周期性，地震、火山、地球板块碰撞、太阳风、耀斑、黑子、脉冲星、超新星爆发等地质活动和天文现象都具有周期性变化特征，暴涨宇宙模型在解释宇宙演化时，也是将恒星、宇宙都看成是一个具有固定的生命周期的存在物，我们现在的宇宙膨胀到某一最大体积后，有可能发生收缩，温度也随之升高，终于又恢复到“原始火球”状态。然后在一定条件下，宇宙又一次进行大爆炸，这样交替循环；恒星是由弥漫星际物质凝聚而成，其后它在燃烧的过程中因物质能量衰退而变为红巨星、白矮星直至新的星际物质，如此循环不已。,但是，值得注意的是，任何物质系统的循环都不是对过去的行为和状态的简单重复，而是有所突破、有所变异，从而使自然界

35、的演化具有不可逆性和超循环的特征。关于自然界的这种特征的研究最早是在化学中的贝鲁索夫扎孛廷斯基（简称BZ）反应而引起人们重视的，贝鲁索夫发现，在控制柠檬酸、溴酸钾、硫酸等反应物浓度的条件下，催化剂铈离子的浓度随时间作周期性的变化，会造成混合物液体的颜色在无色和黄色之间来回振荡，就象变化的时钟一样很有规则。,关于自然界的这种特征的研究最早是在化学中的贝鲁索夫扎孛廷斯基（简称BZ）反应而引起人们重视的，贝鲁索夫发现，在控制柠檬酸、溴酸钾、硫酸等反应物浓度的条件下，催化剂铈离子的浓度随时间作周期性的变化，会造成混合物液体的颜色在无色和黄色之间来回振荡，就象变化的时钟一样很有规则。扎孛廷斯基又以铈离子

36、作催化剂，让丙二酸被溴酸氧化，发现反应物出现红蓝相间的空间构型以及红蓝相间的扩散波。普里高津和勒菲弗（Rene Lefever）也在几乎同时构造了一个具有空间自组织必需条件的、起化学反应的模型系统，（这就是后来由弗吉尼亚大学的泰森John Tyson所说的布鲁塞尔振子）他们证明了该准则具有与热力学第二定,律不矛盾的特点。BZ反应的一个重要特征是：在整个反应过程中，两种不同的产物相互催化对方的合成物，这种交叉催化反应被艾根称为超循环。在此核酸的自我复制本身就是一种循环，蛋白质是其催化剂，而这些催化剂又构成经核酸翻译的循环，这种催化循环的循环就是超循环。它不仅局限于化学或生物制品中的交叉催化反应，

37、而是一种具有相当意义的普遍性，它表明自然系统在一定的外界条件作用下，通过自组织过程完成系统的进化。艾根说：“超循环是一个自然的自组织原理，它使一组功能上耦合的自复制体整合起来并一起进化。”（艾根：超循环论，第3页，上海译文出版社，1988年版。）,一些科学家也指出：“我们不可能忽略BZ反应和有机世界中许多我们熟悉的组织之间的关系。化学钟里的螺旋波与心脏病发作时的波动、原始粘菌、旋涡星系、飓风等等之间大有相似之处。”（英国 彼得柯文尼罗杰海菲尔德时间之箭，第200页，湖南科学技术出版社，1995年版。）由此可见，自然界的演化一方面具有周期性的特征，但在周期性的发展中具有不可逾越的超循环特征，否则

38、，就不能解释自然界的演化在宏观上具有不可逆的和进化的趋势。,总之，没有天体演化的周期性，就没有绚丽夺目的夜空；没有生命过程的周期性，生物就不会有新老交替、生生不息；没有季节变换、沧海桑田就谈不上变化发展。当然，自然界的任何变化都不可能是单调的前进，或者是单调的衰退，而是相互贯穿、迂回曲折、辩证发展的，周期性和超循环性在自然界的螺旋式演进中得到了高度的统一。,二、演化的方向性 自然界物质系统的演化总是具有一定的趋向，或是进化或是退化，或是向上或是向下，或是朝着有序演进或是朝着无序衰退。这些都是自然演化成的方向性的表现形式。进化与退化是自然界辩证发展的典型形式。它们代表着两个截然不同的演化方向,进

39、化是指在物质演化中由无序到有序的过程，它是通过提高自然系统的自组织方式实现的。在自然界中存在着大量的进化事实。达尔文的进化论揭示了生物领域里的进化性演变过程，天文学和天体物理学的研究表明，宇宙星体的演化也具有逐步演进的特征。自然，无论是生物进化还是天体演化都不能看作是自然界唯一的变化趋势，因为与此同时还存在着退化的可能性。退化是指在物质演化中由有序到无序的过程，它是自然系统的自我崩溃瓦解的过程,热力学第二定律表明自然系统的能量和物质的损耗具有不可逆的递减规律，它体现为利用效率较高的能量变为利用效率较低的能量，组织性较强的体系变为组织性较差的体系。这类现象在自然界也是很普遍，如炉火燃尽、热茶变凉

40、、覆水难收、破镜难圆、生老病死、星体衰退等等，都是自然系统趋于退化的表现。那么，自然界究竟是朝哪种方向演变呢？,其实，就自然本身的演变来看，我们不能用一种趋向来否定另一种趋向，因为进化与退化具有不可分割的统一性，即它们是相互依存、相互渗透的。纯粹的进化和纯粹的退化是极其罕见的，进化与退化往往是一个过程的两个方面比如，一个系统有序程度的提高，需要以负熵流的引入为代价，这相当于把系统的熵增转移到了环境之中。正常工作的激光器，必然以激励中的耗散过程为代价；人类生产活动的进步，则往往带来生态环境的局部恶化,同时，进化与退化往往是交替进行相互转化的。在一定的条件下进化过程会转入退化，而在另一种条件下，退

41、化过程，也会转化为进化。在这方面。非平衡自组织理论提供了许多令人信服的证据。耗散结构理论发现，在不违反热力学第二定律的前提下，有些系统可以经过自组织过程而从无序演化到有序。进一步地研究又发现，时空有序结构会在一定的外部控制参量条件下进入混沌状态。混沌状态是一种宏观上无序、微观上有序的状态，它和平衡状态下的无序是不同的，但从宏观时空结构上看，它的有序程度明显降低了。,例如，水经过园柱体流动，当流速比较低时，水流形成与圆柱体相似的平流形花纹，当流速增大到某一阈值时，在圆柱体的后面，形成一种对称旋涡，这是一种有序结构；当流速再增大到一个新的阈值时，旋涡就处于动态的振荡中；流速再增大，就进入混沌状态。

42、这个过程是典型的进化与退化相互转变的过程。由此可见，进化与退化在自然界中具有一定的相互依存、相互促进、相互转化的特征，它们的交替出现是自然系统演化的方向性的表现。,向上与向下是自然演化的另一种方向性的表现。向上性是指自然物质系统的形态结构及其功能属性，沿着从简单到复杂，由低级到高级，由不完善到完善的发展趋势。向下性则是完全相反的特征。自然界的演话总趋势是向上的，但这种向上性却又总是伴随着向下性的具体演化程序，也就是说向上性与向下性也是相互依存相互渗透，而且在一定条件下也会相互转化的,自然界既有自由状态的基本粒子沿着从粒子到元素，从简单小分子到复杂大分子，从无机物到有机物，从无生命到有生命，从低级生命形态到高等动物的向上演化过程；也有生物死亡、有机物还原为无机物、分子分解、元素衰退等向下的过程。这种演化的方向性既有是不可逆的，如热传递过程、质量扩散过程和生物生长发育过程等；也有是可逆的，如弹簧的伸缩、病体的康复、化学的振荡反应等。在此类演化过程中，既有确定性的一面，如机械运动和天体的运行等，又有随机性的一面，如贝纳德现象和基因的突变等。,总之，自然界的演化并不是沿着单一的路线进行，而是存在多种多样的可能性，但不管何种演化形式或演化路径，又都毫无疑问的具有自己相对的方向性。,