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许国志、顾基发等人指出：“任何一门学科，只有当它是所处时代的社会生存与发展客观需要的自然产物，同时学科内在逻辑必要的前期预备性条件又已基本就绪时，它才会应运而生，并为世所容所重，得以充分发展。”
系统科学的诞生是符合这样一个历史唯物主义观点的。一直以来，系统科学的研究都分散在物理、生物、化学、工程实践等具体领域，表现为对不同“系统现象和系统机能
”的科学研究，形成控制论、信息论、协同学、突变论、耗散结构理论、超循环理论、混沌理论、分形理论等分支理论。它们（系统机能）是探索“系统本能”的背景资料。
1945年贝塔朗菲建立一般系统论，1948年美国数学家维纳创建控制论以及美国学者香农提出了信息论，它们构成系统科学初级阶段的理论。
（一）系统论
系统论是系统科学机能研究的基础理论。贝塔朗菲在机械论和活力论斗争中提出“机体论”代替它们，并发展起了“系统论”。贝塔朗菲的系统论以及其后的系统科学的研究对象，都主要是面向“机能系统”。
系统都具有机能，表现为它相对于自身要素之和的变化功能。系统论主要研究“机能系统”的基本概念、性质、运动规律及其演化机制等。机能系统是指“相互作用的诸要素的复合体”，体现了系统的多元性、相关性和整体性，指出系统要素是构成系统的基本单元。系统要素之间存在相互作用而形成结构。系统具有要素在空间上相互作用形成的空间结构，也有要素在时间上相互作用形成的时间结构，系统在某一瞬时点各要素之间相互作用形成框架结构，而在时间段内各要素运动状态下相互作用形成运行结构。系统的机构内部具有层次性，高层次具有低层次所不具有的特性，称为机能系统的涌现性。机能系统整体涌现性，被认为是其要素之间相互作用的结构效应。系统是有边界的，除了宇宙之外，任何系统都具有边界，边界之外一切与其相关联的事物的总和，称为机能系统的环境。系统与环境具有物质、能量、信息的交换相互作用关系，开放系统存在这种交换相互作用关系，封闭系统不存在这种交换相互作用关系，现实系统都是开放系统，部分系统与环境交换极其微弱，可忽略视为封闭系统。
系统的机构、状态、特性、行为、功能等都会随着时间的变化而变化，表现出系统机能相对于自身和相对于环境的变化功能。系统功能，即系统机能，它是把要素整合为系统的一种整体特性——整体大于要素之和。系统机能是系统论阐述的核心，它深刻地改变了科学的自然观，即新的自然哲学是机体论。
（二）控制论
20世纪40年代末期，美国数学家维纳等人创立了控制论。控制论是指对机能系统实施控制的具体方法，同时也是一种认识和改造事物的新的思想方法。控制论研究动物（包括人类）和机器中的控制以及通信规律等，也研究对系统的改造问题。
控制论建立了信息、动态系统、控制、反馈、规划、适应、目的、稳定性、可靠性、最优化、模型和算法等基本概念，用来研究一般系统中控制和信息过程的相关规律。其中，“控制”是控制论的最重要概念，它根本地是指驱动系统使之有效地达到预定的目的。控制的目的有两种：一是保持系统原有状态；二是引导系统达到预期新状态。为了实现控制目的，可以预先计算加在被控制系统的控制作用。如果输出量对系统的控制作用没有影响，则称为开环控制；另一种则是闭环控制，反馈是闭环控制的核心概念，维纳称反馈是控制论的灵魂。对于各种工程、生物、经济和社会系统的控制对象，可设置控制装置，进行开环控制或闭环控制。
控制论把研究对象看成是一个系统，不考虑具体的物质结构和能量的过程，研究各个部分之间密切相关而推动整体的情况，研究一切通信和控制系统的共有特点，从控制、信息、反馈多方面揭示了生命、社会和人三种不同形式的共同的控制规律
。控制论的主要方法有信息方法、反馈方法、功能模拟方法、黑箱法等，从全局出发，在局部与全局、事物与系统之间的联系中进行最优化控制。控制论是对具体系统机能目的态的“人为”可控的实践理论，是指导实现“系统机能目的”的系统科学重要理论之一。
（三）信息论
信息论产生于20世纪40年代末的通信领域，于20世纪60年代末70年代初形成信息科学。
世界是物质系统的，物质系统是永恒变化的。信息是物质世界系统的重要组分（内容）之一。信息产生的原因有两个：一是相互作用着的事物产生一定的反映；二是产生反映需要有一定的物质基础，即一定的物质结构和能量变化。
信息的定义有三类：第一类是香农信息论角度的定义，即信息是消除的不确定性；第二类是围绕物质与意识的关系来定义，比如“信息是属于物质的”、“信息是属于意识的”、“信息既是物质又是意识的”等观点；第三类是从广义主体与广义客体的关系来定义，比如“信息是广义主体对广义客体的反映”、“信息是广义主体对广义客体的表征”等观点。信息论中，香农把通信过程作为一个系统来考察，他把统计和概率引入通信理论，认为信息就是负熵，实现了通信科学由定性阶段到定量阶段的飞跃，并且提供了信息获取、传递、加工处理、输出、反馈等揭示对象运动规律的信息方法。
信息论对科学与社会发展具有重大贡献。在机能系统哲学中，“信息”同“物质”和“能量”一起构成系统物质的三大“组分（内容）”，推动了辩证唯物主义哲学的新发展，即推动了“物质观”向“系统物质观”及其相应的“辩证法”的发展。信息，不仅是“系统机能”问题，而且是“系统本能”的重要研究内容之一。
20世纪70年代前后，系统科学对于非平衡系统的研究，主要产生了耗散结构理论、协同学、超循环理论等，这些理论是探索系统机能的科学性及其复杂性的重要成果。
（一）耗散结构理论
1945年，比利时物理化学家普里戈金发现最小熵产生定理，之后他吸收一般系统理论思想，把非平衡热力学和非平衡统计物理学应用于机能系统的自组织问题研究，于1969年正式创立耗散结构理论。
耗散结构理论是在非平衡热力学和非平衡统计物理学发展过程中出现的一个科学假说。
现实中，机能系统是充满变化的开放系统，都存在物质、能量和信息交换。热力学系统可区分为平衡态系统和非平衡态系统，普里戈金对热力学第二定律进行了新解释，提出重新发现时间，耗散结构产生的必要条件：（1）机能系统必须是一个开放系统；（2）机能系统应当远离平衡态；（3）机能系统内部要素之间存在非线性相互作用；（4）随机涨落使机能系统从无序走向有序演化。平衡态与非平衡态、有序和无序、平衡相变和非平衡相变等成为耗散理论的重要概念。普里戈金论述时间之矢，认为机能系统的一切演化必须按照“时间箭头”方向进行，反时间箭头方向的过程不会自发产生；时间指向的问题，对于生命科学而言构成了进化与退化的问题。
耗散结构理论是对特定系统的机能研究，其解决热力学与进化论的矛盾，对自然科学、生命科学和人文科学的研究具有推动作用，揭示了开放系统的物质能量和信息交换对于物质发展的意义。耗散结构理论是揭示机能系统内外相互关系“现实效用”的科学理论之一。
（二）协同学
协同学起源于德国物理学家哈肯关于激光的研究。他利用统计学和动力学相结合的方法研究激光原理和机制，发现激光是普通光系统在远离平衡态时出现的相变，把激光理论模型应用到生态学、气象过程、星云演化等，发现系统内部子系统都具有竞争、协同的特性，称之为协同学。
现实系统内部的要素组分（或子系统）之间，都具有竞争与协同的关系。竞争是机能系统中要素组分“各自”表现的动力现象，而协同是机能系统中要素组分“联合作用”表现的共同动力现象。哈肯借助“序参量”和“伺服”概念来描述机能系统中“联合作用”的协同，这两个概念是协同学的核心概念，也是“机能系统”连通“本能系统”的重要桥梁。系统不管在无序还是有序状态下，都是永恒运动的，当系统内部要素组分联合作用耦合，出现系统宏观量偏离平均值得形成起伏波动的现象，称为涨落。涨落与序参量支配系统是紧密联系的。哈肯从热力学借用绝热方法研究协同学，提出伺服原理，对绝热消去方法进一步研究，提出了支配原理。研究认为，系统从无序状态转变为具有一定有序的状态，或从有序状态转变为新的有序状态，是在一定的环境条件下由系统内部自身组织起来，且通过信息反馈来控制和强化这种组织结果，可称为自组织。
协同学揭示了机能系统现象中有序结构形成的共同规律特点，但是，协同学的运用，特别是寻找序参量时，在临界区域和非临界区域去运用协同学寻找序参量时是有差别的，而不能到处套用自组织动力学的方法。
可见，协同学仍然局限于“机能系统”的自组织的研究，尚未拆除“机能”的脚手架，还未能达到真正的“本能系统”高度（这将是本书研究的重点之一）。
（三）超循环理论
1970年艾根提出了超循环思想，他从实验和理论两个方面，对生命起源探索，认为生命起源和发展的化学进化中，存在从反应循环到催化循环再到超循环的由低到高的循环组织。
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。其中，自复制体为选择而竞争，且稳定的野生型信息量是有限的，筛选的竞争通过相互依赖的简单形式被联结在一起。超循环作为自复制元素中有组织的全体，把长度有限的自复制体整合到某种新的稳定序之中，实现具有相关性的进化：（1）为了保存它们的信息，要在每一自复制体的野生型分布中保存竞争；（2）允许几种（除了竞争的）实体及其突变体分布共存；（3）把这些实体统一成某个相关的进化单元，其中每一个体的优势都能够被所有成员加以利用，而且这个单元在此作为一个整体，在与任何可选择的组分单元的激烈竞争中都得以继续存在。
超循环理论提出循环、反应循环、催化循环、超循环、拟种和突变等概念，其中的“循环”是指由循环的亚单元之间的相互作用构成的循环，循环发展之间存在竞争与协同。超循环是由循环组成的循环，是较高等级的循环。
物质系统的超循环发展，其进化中有大量的随机事件即自复制误差和突变，组织正是利用这种误差之机，利用突变扩大循环组织并增加信息容量而向更高复杂性进化。在这一进化进程中，必然性通过大量的偶然性表现自己，并为自己开辟着道路。
整个自然世界通过循环的循环进化，由低级循环向高级循环发展。达尔文在19世纪中叶建立的生物进化论，艾根的超循环理论在分子水平上把竞争与协同结合起来，解决生命起源问题，发展了生物进化理论。在机能系统研究中，超循环理论适用于整个自然世界的演化（对其进行本能系统角度的哲学研究探讨将是本书研究的重点之一）。
系统科学的分形理论、混沌理论是密切联系的，它们在解释系统存在的普遍现象方面具有深刻的意义，表明了系统机能的普遍存在性，为系统本能的研究提供了重要的科学资料。突变论在系统结构质变方面提供了认识原则，揭示了系统分形与混沌普遍现象的演化的关键环节。
（一）突变论
1968年法国数学家勒内·托姆提出突变论后，于1972年在《结构稳定性和形态发生学》中进行了阐述。突变论是研究自然和人类社会中连续的渐变如何引起突变，以及以统一的数学模型来描述、预测和控制突变的问题。
事物系统演化存在渐变和突变两种方式。突变与渐变的本质区别在于，渐变是原来变化的延续，而突变是原来变化的“不连续”性质产生的间断。微积分等数学对于渐变的处理是有效的，但对于突变处理则出现困难。托姆把突变区分为两类，第一类是系统遭受不可逆转的破坏让位于另一系统，即旧系统消失新系统出现的普通意义的突变；第二类是系统不消失情况下，系统脱离通常特征状态的突变，即突变论意义的突变。初等突变论研究的是有势系统，提出了平凡点、奇点、吸引子等概念。势是指系统具有采取某种趋势的能力，是由系统各个组成部分的相对关系、相互作用以及系统与环境的相对关系决定的。系统势可以通过系统行为变量和外部控制参量描述系统行为，因此，可以在行为变量构成的空间和控制变量构成的空间中研究突变，研究突变论采用的方法有：（1）转换时间维度为空间结构的方法；（2）反向分析方法；（3）类比于结构化的定性方法；（4）崇尚冲突与斗争的变化方法论。托姆初等突变论基本突变表的初等突变类型有折叠、尖顶、燕尾、蝴蝶、双曲脐点、椭圆脐点或毛发和抛物脐点，另外，它可区分为冲突型和分支型两种基本类型。
突变论对于系统结构质变问题提供了原则。哲学上对于结构质变的形式存在两种认识倾向：一种是飞跃论，认为一种质态向另一种质态是以不连续的飞跃方式转化的，包括爆发式飞跃和非爆发式飞跃；另一种是渐进论，认为在任何两种质态之间不存在着什么绝对分明和固定不变的界限，两者转化是以连续的渐变方式完成的。突变理论从稳定性理论出发，对飞跃进行了科学界定，揭示了事物质态转化的模型，对于判断飞跃提供了一条原则，推动了人类对于系统结构功能的认识。突变论研究的“系统结构”质变问题，是归属于系统超循环整体过程的某些具体系统机能环节的变化问题，即本能系统普遍联系和发展的具体机能环节的研究。
（二）混沌理论
1963年，美国气象学家洛伦兹发表《确定性的非周期流》一文，第一次明确地从确定性方程得到随机性的结构。他的数值天气预报方程是确定的和非线性的，当初始值出现微小误差时，方程的解出现非周期性振荡，即产生随机性。它是一种非环境噪声影响的、非原于无穷多个自由度相互作用的、非原于量子力学不确定性造就的，而是系统内在的随机性。洛伦兹把这种现象比喻为蝴蝶效应。
人们把在某些确定性非线性系统，不需要附加任何随机因素，由于其系统内部存在着非线性的相互作用所产生的类随机现象称为“混沌”、“自发混沌”、“动力学随机性”、“内在随机性”等。“混沌”一词是由李天岩（LiTY）和约克（J. A. York）在1975年首先提出的，迄今为止，其还没有一个公认的普遍适用的数学定义。
混沌是一种貌似无规则的运动，它有两个主要特征：（1）对于某些参量值，在几乎所有的初始条件下，都将产生非周期动力学过程；（2）随着时间的推移，任意靠近的各个初始条件将表现出各自独立的时间演化，即存在对初始条件的敏感依赖性。物理学家认为，混沌理论是自相对论和量子力学以后对人类知识体系的又一次巨大冲击。“混沌研究的进展，无疑是非线性科学最重要的成就之一。它正在消除对统一的自然界的决定论和概率论两大对立描述体系间的鸿沟，使复杂系统的理论开始建立在‘有限性’这个更符合客观实际的基础上。跨越学科界限，是混沌研究的重要特点。普适性、标度律、自相似性、分形几何学、符号动力学、重整化群等概念和方法，正在超越原来数里学科的狭窄背景，……这也许是20世纪后半叶数理科学所做的意义最为深远的贡献。”
在动力学系统中，系统作确定的有规律的运动是极其个别的，而绝大部分可能是作混沌运动的。自洛伦兹以来，非线性科学获得巨大发展。混沌学家认为，混沌是自然世界的一种普遍运动形式，它具有确定性、非线性、非周期性和对初始条件的极端敏感依赖性。混沌理论揭示了自然界和社会存在混沌的客观现实，指导人们认识混沌，实现面对混沌不“混沌”的目的。混沌理论研究的是自然界系统内在的非线性自组织的普遍现象，是本能系统的内部自组织运动的普遍现象。它应当透过系统机能的现象揭示，融合于“分形理论”共同指向系统本能的揭示。
（三）分形理论
1967年法国数学家曼德勃罗发表了讨论分形的论文《英国海岸线有多长？》，1975年出版《分形：形、机遇和维数》一书，创造了fractus（即分形）一词，1985年出版《大自然的分形几何》一书宣告分形理论诞生。
混沌理论与分形理论关系密切，目前尚未完全阐明它们之间的关系。自然界有无数的分形现象，比如海岸线、山脉、河流等。它们不能用传统几何学描述，比如山脉分叉出支脉，大支脉嵌套小支脉，大山头上隆起小山头，山的表面既非平面，也非光滑的曲面，属于分形曲面。分形几何“是研究自然界中没有特征长度而又具有自相似的形状和现象。古代的几何学在希腊曾大放异彩，但它研究的图形只是用圆规和规尺画的简单图形，这样的图形全都是平滑的。自牛顿以后，由于微积分学与几何学的结合，才能表现更为复杂的形状，但这些形状的重要特种是具有特征长度，是平滑的，可微分的。分数维研究的图形是更为复杂的图形，是不平滑的，不可微分的。从这个意义上来说，分数维否定微分，这是一个划时代的革命，将建立在一个全新的理论体系上”。
分形在数学上可以通过极为简单的规则生成，分形的部分与整体具有自相似性，分形的结构在整体上都是一种破碎的非规则的形体。日本分形物理学家高安秀树认为，分形几何可能为物理学研究宏观现象提供一种数学方法，就像精神分析学给解析人类心理带来有力线索那样，希望分数维观也能成为解析中等大小复杂现象的关键。
分形方法是观察无穷的有形思维方法，是理解各学科内在复杂性的新语言和新工具，比如递归、嵌套和自相似等。
分形作为一种哲学思维方法，应当跳出数学及其脚手架束缚：（1）不仅要能够解决没有特征长度而又具有自相似的形状和现象，也要能够解决有特征长度的形状和现象；（2）不仅要能够解决物理学中等大小物体的复杂现象，也要能同时解决宇观、宏观和微观的物理学现象。总地看，分形研究不仅要能够解决当前分形理论与混沌理论的关系问题，也要能为其他一切的“系统机能”科学研究提供本体论（比如动因、来源等）；不仅要突出系统科学哲学研究，也要融合进入辩证唯物哲学——综合提出“分形是世界物质的本原动因”。