四 自然界的进化

自然界演化有两个主要方向：进化和退化。同退化相比，进化是更为基本的方向。

自然界在不断变化，这是不争的事实。那么，自然界在进化、发展吗？在这个问题上，哲学家、科学家的看法就不完全相同了。在西方，“自然”的词源就有“生长”的意思。古人认为自然界能自己生长，实际上是把自然界看作是一个巨大的生命体。到了近代，否认自然界进化、发展的形而上学自然观逐步形成。

可是，随着近代地质学、天文学和生物学的发展，进化论思潮也逐渐形成和发展。

科学家对地表的状态有了一定的认识以后，就逐步认识到地表的变化，并据此推测地球的进化。笛卡儿在1644年出版的《哲学原理》一书中，讨论了地球的形成过程。他认为宇宙充满不断旋转的旋涡，旋涡研磨着粒子。地球是个大旋涡，重粒子向地心集中，轻粒子分布在外层。中心成为地核，外层冷却成固体外壳。莱布尼茨在1680年出版的《原始地球》一书中，认为地球有其发生的过程。自然演化的历史日益成为欧洲科学研究的重要课题。 1744年法国的布丰开始出版多卷本《自然史》，猜想原始地球是太阳与大彗星碰撞出来的一个炽热碎片，在旋转中形成球体。 1830年赖尔的《地质学原理》问世，宣告地质缓慢进化论基本形成。

1755年康德提出了天体形成的星云假说，叙述了从星云物质到天体再到星云物质的演化过程。 1796年法国的拉普拉斯也提出了太阳系起源于星云的猜想。

在生物学领域，从1759年沃尔夫出版《发生论》到1859年达尔文出版《物种起源》，物种进化论经过一个世纪的发展，已日臻成熟。物种进化论指出，生物不断进化，经历了从低级到高级、从简单到复杂的过程。达尔文进化论的流行，使进化的观点开始深入人心，以致出现了社会达尔文主义。

热力学、系统论、耗散结构理论等使物理学从存在物理学发展为演化物理学。现代系统自组织理论揭示了自然界进化的机制，成为关于进化的最基础的理论。

近年来，生态伦理学成为学界关心的一个热点。但有些生态伦理学家为了说明所有的生物都平等，认为自然界没有等级差别，所有的生物都同样完善，人并不是最高级的动物。因此有的学者认为自然进化只是一个偶然的事实，无规律可言；进化阶梯无高级与低级之分。这实际上是把“进化”还原为“变化” ，在客观上否定了进化。有的学者说：“人类之所以具有它现在的种族特点，只是自然进化的一个偶然事实。施韦兹认为，人类在进化过程中获得了一些其他生物物种不可企及的特点，但是，这些特点‘并不一定准是进化过程的“比较高级”的成就，也不一定准是进化向前探进的标志’。从维持存在的角度看，人类所具有的一切，同长颈鹿的脖子，飞鸟的翅膀都是等价的，无所谓什么更好一些或更坏一些。进化可能根本就不是朝着具有人类特点的那个方向推进，而仅仅可能是通过提高一个层次上的系统之间变换水平。” 还有的学者说：“各种生命形式在进化上是平等的。”“因此，不能认为低等生物是没有进化好的生物，是不完善的生物，是价值不高的生物，它们同样经历了数十亿年的进化。各种生命形式同样都是最适应其生存环境的，其完善程度是相同的。” 按这种说法，人类的智慧同长颈鹿的脖子、飞鸟的翅膀都是等价的，人与草履虫都同样完善。进化的实质，是进步、发展。否认了进步和发展，否认各种自然物在发展程度上的区别，否定人同其他动物的本质区别，否认人的优越性，那就从根本上否定了自然的进化。

自然变化本质上是不可逆的。不可逆的过程有两个方向：进化和退化。

变化是事实判断，进化则是价值判断。要评价就要有评价标准。进化的标准是个很复杂的问题。达尔文认为生物器官的专业化和完善的程度，是判定生物进化与否的标志。他把退化理解为生物适应简单的生活条件，使其器官简单化，退化就是简单化。因此达尔文实际上把生物的进化理解为从简单到复杂、从低级到高级的过程。他也感到判断孰高孰低，并不是件容易的事。他说：“企图比较不同模式的成员在等级上的高低，似乎是没有希望的；谁能决定乌贼是否比蜜蜂更为高等呢？”

系统科学为自然物体的进步标准，提供了比较好的说明：可以把从简单到复杂、从低级到高级的过程，看作是从无序到有序、从低序到高序的过程，有序度即进化的程度。

有序与无序这对范畴既描述了系统各要素之间的关系，又揭示了系统转化的可能性和转化的方向。

有序是系统要素之间联系的规则性，无序是系统要素之间联系的无规则性。规则性是一种确定性，无规则性是一种不确定性。因此我们又可以把有序理解为确定性，把无序理解为不确定性。有序包括结构的有序和运动的有序。结构的有序指系统要素的有规则结构，如由大量物质单元（分子、原子、基本粒子等）组成的系统的有规则结构。运动的有序指系统要素所呈现出的有规则状态，如一质量为 m 的物体受到力 F 的作用，就会以加速度 a 运动。就物质系统的整体而言，它的有序性指该系统各要素的某种属性量（结构属性量或运动属性量）按一定规律或方向取值的确定程度。所有要素的取值全部确定为最有序，取值极不确定为最无序。若在这两者之间，取值确定程度越高则有序性越高。

自然界中有序现象和无序现象都是普遍存在的。透明而有规则的水晶是二氧化硅的有序结构，不规则的白色石英块则是二氧化硅的无序结构。九大行星在各自的轨道上围绕太阳旋转是有序的运动形态，空气中的分子杂乱无章地向各个方向运动是无序的运动形态。

熵是无序的量度，负熵是有序的量度。熵是系统的一个状态函数，它表征系统的混乱即无序的程度。熵增加的过程就是系统从有序到无序的过程。熵 S的大小，和一个系统可能出现的微观状态数目W有关。对于一个物体来说，应用一些宏观参量（如体积、温度等）从整体上来确定的状态是系统的宏观状态，它的每个物质单元（如分子）的状态称微观状态。一个宏观状态可以对应许多微观状态，即微观状态的个数远远超过宏观状态的数目。微观状态也可以看作是系统要素的空间分布，一种分布就是一种微观状态。

玻尔茨曼提出一条假设：“在整个孤立系统处于统计平衡时，系统的所有微观状态出现的概率是相等的。” 根据这个假设，不同的宏观状态包含的微观状态的个数不同，所以实现的几率不同。

假定有a 、b 、c 、d 4个分子分布在A 、B两个容器内，共有5种宏观状态，而每种宏观状态都包含一定数量的微观状态。宏观状态（1） ：A有4个分子；微观状态1种：A（abcd） 。宏观状态（2） ：A有3个分子，B有1个分子；微观状态4种：A（abc）B（d） 、A （abd）B （c） 、A （acd）B （b） 、A （bcd）B （a） 。宏观状态（3） ：A和B各有2个分子；微观状态6种：A （ab）B （cd） 、A （ac ）B （bd） 、A （ad）B（bc） 、A（bc）B（ad） 、A（bd）B（ac） 、A（cd）B（ab） 。宏观状态（4） ：A有1个分子、B有3个分子；微观状态4种：A（a）B（bcd） 、A（b）B（acd） 、A（c）B（abd） 、A（d）B（abc） 。宏观状态（5） ：B有4个分子；微观状态1种：B （abcd） 。根据玻尔茨曼的假定，哪个宏观状态所包含的微观状态个数多，哪个宏观状态实现的机会就多。所以这5种宏观状态出现的几率分别为1／16 、4／16 、6／16 、4／16 、1／16 。

所有分子都集中在一个容器里，这是一种有规则的、非均匀的分布。每个容器包含的分子数目相等，这是无规则的、均匀的分布。这样我们就可以看到一个有趣的现象：有规则的结构出现的几率小，无规则的结构出现的几率大。玻尔茨曼把一种宏观状态参量熵（ S ）同实现给定状态的微观可能方式的数目联系起来，提出了玻尔茨曼关系式：

S＝ klnW

其中 k 为玻尔茨曼常数。根据这个关系式，熵是无序的量度。

显然，如果系统的要素结构很规则，它的微观状态个数（ W ）为1 ，那么它的熵（ S ）即为零，这表示该系统的某种有序度最高。有序程度较低的系统，熵都大于零。

信息可以看作是有序的量度。信息是对不确定性的消除。不确定性消除得越多，信息量就越大。例如，明天是否是国庆节？答案有2种，不确定度为2 ，信息量为1比特（2 2 ＝2） 。明天是星期几？不确定度为7 ，信息量约3比特（2 3 ＝8） 。明天是10月几号？不确定度为31 ，信息量约5比特（2 5 ＝32） 。

综上所述，我们可以把自然界的进化理解为从无序、低序到有序、高序的过程。也就是说我们用有序度当作进化程度的标准。信息量的增加是进化，熵的增加是退化。

进化与退化是相对的概念，各以对方作为自己存在的根据。二者相互渗透，进化中包含着退化，退化中也会包含进化的因素或可能。这是因为自然物都具有丰富的规定性，蕴涵多方面、多层次的本质。它们的变化不同步，发展不均衡。一个方面质的有序度提高了，另一方面质的有序度却可能下降了。另外，根据耗散结构理论，一个系统有序度的提高，需要从环境引进负熵，这就意味着环境的熵增。自然界的许多进化都是以一定的退化作为条件和代价的。恩格斯说：“有机物发展中的每一进化同时又是一个退化，因为它巩固一个方面的发展，排除其他许多方向的发展的可能性。” 基本粒子构成原子、分子，分子构成生物大分子，生物大分子构成高等动物，其稳定活动的温度范围却越来越窄。所以进化层次越高的自然物，其结构往往越容易遭到破坏。所以帕斯卡说：人是一棵能思想的苇草，是自然界中最脆弱的。

在自然界中，绝对的进化与绝对的退化皆不可能。星云物质可以进化为天体，但不可能宇宙全部的星云物质都进化为天体。热力学第三定律告诉我们，绝对零度不可能，即总有一部分热运动不转化为其他运动形式，而热是分子的无序运动。维纳认为，虽然宇宙有熵增趋势，但局部范围内仍然会出现有序度的增加。

进化与退化在一定条件下可以相互转化。自然物的一种变化，在一定条件下是进化，在另一种条件下却可能是退化。例如乌龟在进化中形成了厚厚的龟壳，遇到天敌时可以作为自卫的盾牌，但它由此也背上了沉重的包袱。

一个系统就自身而言，具有熵增的自发趋势，系统要进化，就必须同熵增作斗争，所以进化是需要条件的。

根据自组织理论，系统的进化主要需要以下几个条件：

第一，系统必须处于开放状态，同外部环境有物质、能量和信息的交流。系统能够从环境吸取足够大的负熵，使负熵的绝对值大于系统内部熵增加的值，即

dS＝ deS＋ diS＜0

dS 为系统熵的变化，diS为系统内部的熵增， deS 是从外部环境流入系统的熵， deS ＜0 ，则为负熵。如果 dS 也是负值，那这个系统的有序度就会提高。

第二，系统处于远离平衡的状态。热力学平衡态，是系统使环境缺乏交流，系统各部分在长时间内不发生变化的状态。非平衡态分为近平衡态和远离平衡态。在平衡态和近平衡态，系统都不会出现有序结构，只有远离平衡态才是有序之源。

第三，系统的非线性相互作用。这种作用使各要素产生相干效应与协调动作，并使系统的演化产生多种可能的方向。线性是指量与量之间的正比关系，这种关系用直角坐标画出来是一条直线。在线性系统中，整体等于部分之和，各要素实际上是孤立的，没有相互作用对系统功能的贡献。在非线性系统中，整体不等于部分之和，即相互作用会产生原来各个要素所没有的新功能。

第四，内部涨落。对平均状态的偏离称为涨落。涨落是偶然、随机出现的。在一般情况下，涨落会被系统结构所约束，小的涨落一般会衰减。但在系统状态的临界点上，微小的涨落可能会放大，形成巨涨落，使系统的状态发生质的变化，导致有序结构的出现。彭加勒说：“初始条件的微小差别在最后的现象中产生了极大的差别；前者的微小误差促成了后者的巨大误差。预言变得不可能了，我们有的是偶然发生的现象。” 随机的涨落对非线性相互作用所产生的多种可能方向进行选择，使其中一个方向从可能性变成了现实性。在很长的历史时期，科学家都认为偶然性对事物的发展是无足轻重的，非线性科学则向这种传统看法发出了挑战。 1960年，美国的爱德华·洛仑茨在进行天气系统演化的数值模拟时，发现天气系统对于扰动和初始值变化的极端敏感性。他打了一个比喻：一只蝴蝶在澳大利亚扇动了一下翅膀，这个扰动经过逐级放大，若干天后在牙买加就会形成一场飓风！这个比喻后来被称为“蝴蝶效应” 。有一首民谣：“少了一颗钉子，丢了一块马蹄铁；少了一块马蹄铁，丢了一匹战马；少了一匹战马，丢了一个将军；少了一个将军，输了一场战争；少了一场胜利，丢了一个国家。”丢了一颗钉子这一偶然事件的效果，经过不断放大，形成巨大涨落，竟导致一个国家的灭亡。

为什么自然界会进化？如何进化？我们可以从以下几方面来分析。

一分为多是自然界变化的基本趋势，是进化的基本前提。自然界进化的一个基本规律是一分为多，即物体和运动不断分岔，派生出许多不同的物体和运动。《周易》曰：“是故易有太极，是生两仪，两仪生四象，四象生八卦。”《老子》曰：“道生一，一生二，二生三，三生万物。”植物的分蘖、细胞的分裂、蜜蜂的分群、化合物的分解，都是自然的分岔现象。

一分为多是自然界自发的趋势，就像气体的扩散一样；多合为一则是不能自发实现的变化，需要特定的条件，如气体的压缩。究其原因，是偶然性的作用。必然性同偶然性相比较，必然性为一，偶然性为多。偶然性是对必然性的偏离，一个偶然事件就是一次涨落。轨道是一，对轨道的偏离是多。因为轨道是确定的，对轨道的偏离则是不确定的，有多种情况，偶然性是一变为多，使统一性出现了多样性，使确定性出现了不确定性。

规律是必然性，但它本身包含着偶然性因素。规律作用的实现则是必然性与偶然性的统一。规律发生作用需要若干条件，这些条件的出现具有偶然性。若干条件的组合，条件因素与非条件因素的组合，是个很大的数字，呈现出丰富的多样性。多种多样的条件组合造成了同一条规律的多种多样形式的作用。所以规律是一，规律的作用是多。因此，偶然性是多样性之源。

普里高津提出的耗散结构，符合前面所说的系统进化的条件。他在研究耗散结构时，提出了分叉的观点。分叉是在解非线性微分方程时所出现的情况。在临界点上，方程的解可能失去稳定性而产生突变，这时分叉就出现了，对称受到了破坏。临界点即分叉点。不断出现的分叉可以形成“分叉树”，它的外形同达尔文描述的生物“进化树”十分相似，这表明分叉是进化过程的共同特征，也说明生物进化论同热力学并不是根本对立的。分叉是进化的一个环节，分叉越多，系统越容易进化，进化的程度越高。

一分为多使自然界的发展具有多种可能性，有较大的选择空间。

多中选优是自然界进化的基本机制。系统进化的主要标志是系统功能的优化。何谓“优化”？就是消耗最少而效率最高，即效益的最大化。

牛顿力学中的力是“中心力”，是在两个物体中心所联结成的直线传递的。欧几里得空间是牛顿力学的空间，在欧氏几何中两点之间可以联结无数条线，但最短的只能是一条直线。所以在牛顿力学中，力是沿最短的线传递的。公元前10世纪，亚历山大里亚时期的希罗认为光在空间中两点间的传播总是沿最短的路径（直线）进行。 17世纪法国数学家费尔马认为光是沿着花费时间最少的路径进行的。光线经过两种介质的界面时，无论是反射还是折射都是如此。 1744年法国的莫培督提出最小作用量原理。 19世纪爱尔兰的哈密顿指出自然运动的力学作用量总是取极小值。普朗克说：“在几个世纪以来的标志物理学成就的一般法则中，就形式和内容而言，最小作用量原理可能是最接近于理论研究的最终目的。”

最小作用原理的普适性，表明自然界的变化总是力求消耗最少，遵循效益最大化原则。

为什么会出现这种情况？这是自然选择的结果。

“自然选择”是达尔文进化论的核心概念。他亲眼看到当时英国人工育种的成绩，就大胆地把选择的概念从人的活动领域移植到无意识的自然界。达尔文说：“人类能够在家养动植物中，把个体差异按照任何既定的方向积累起来，而产生巨大的结果，同样地，自然选择也能够这样做，而且容易得多，因为它可以在不可比拟的长久期间内发生作用。” “自然选择在世界上每日每时都在精密检查着最微细的变异，把坏的排斥掉，把好的保存下来并把它们积累起来；无论什么时候，无论什么地方，只要有机会，它就静静地不知不觉地在工作，把各种生物与有机的和无机的生活条件的关系加以改进。这种缓慢变化的进行，我们是看不出来的，直到经过极长的年代才能看到。”

其实，达尔文提出的自然选择，不仅是生物进化的一种模式，而且也是自然进化的一种一般模式。达尔文假定生物繁殖过剩，而每个生物个体都有许多变异，这数不清的变异就构成了生物进化的原料。同样，一分为多是自然演化的普遍现象。一个系统可能出现的要素，要比这个系统实际已具有的要素多；一个系统可能引起变化的因素，要比实际引起变化的因素多；一个系统可能变化的形式，要比实际出现的变化形式多；一个系统可能出现的结局，要比实际出现的结局多。这几种“过剩”，就构成了系统进化的原料。哈肯说：“每当一种新的有序状态开始时，大自然听任该系统在几种可能性中选择其一。”

由于偶然性的作用，这些进化原料彼此之间有很多的差异。正如生物变异具有有利变异与不利变异之分，系统进化的原料对系统功能的效益最大化来说，有的为优，有的为劣；有的为较优，有的为更优。虽然优劣是相对的，但在一定范围内，优劣之分又是明显的。

系统自身具有选择的机制，能保留优等的进化原料，淘汰劣等的进化原料。这种选择是在必然性因素与偶然性因素的相互作用中实现的。通过不断的选择，多中选少、多中选一逐步转化为多中选优。所以进化的过程，就是不断选择，不断优胜劣汰的过程。

竞争是选择实现的保证。达尔文认为生物的生存斗争是实现自然选择的基本手段。系统之间、系统的各个要素之间都充满了各种形式的斗争。系统论创始人贝塔朗菲说：“当我们讲到‘系统’，我们指的是‘整体’或‘统一体’。那么，对于一个整体来说，引入组成部分之间竞争的概念，似乎是自相矛盾的。然而，事实上这两个明显的矛盾的陈述都是系统的本质。任何整体都是以它的要素之间的斗争为基础的，而且以‘部分之间的斗争’为先决条件。部分之间的竞争，是简单的物理—化学系统以及生命有机体和社会机体中的一般组织原理，归根结底，是实现所呈现的对立物的一致这个命题的一种表达方式。” 突变论创立者托姆说：在突变模型中，“一切形态的发生都归之于冲突，归之于两个或更多个吸引子之间的斗争。” 只有通过竞争，作为进化原料的各个个体才会分出优劣，才会优胜劣汰。当然，系统科学所说的竞争，都是与合作相联系的竞争。

达尔文认为自然选择所选出的有利变异可以不断积累，最终导致新种形成。进化的系统不仅能不断择优，而且可以“积优”，并能使这些被选择出来的进化原料不断优化。

所以，没有选择就没有进化。选择不仅是达尔文进化论和系统科学的基本概念，也应当是自然观的基本概念。“任何事物的发展过程都含有选择的机制，选择应当是个哲学概念。” 事物的变化是从可能性到现实性的过程。可能性是多，现实性是一。在众多的可能性中只有一种可能性成为现实，这就是选择。当多中选一是多中选优时，进化便出现了。 HXIkiL2rg85vp92YYuBISLqaTcBEKf25bLP6aqxjgn8PNx8cKPdmd3hIEyrSLzlf