復(fù)雜系統(tǒng)突現(xiàn)研究范文
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《自然辯證法通訊雜志》2015年第五期
復(fù)雜系統(tǒng)具有多極結(jié)構(gòu)。西蒙（H.A.Simon）基于自然（和人工）進(jìn)化的變異-選擇觀，解釋復(fù)雜系統(tǒng)的層級(jí)架構(gòu)，即組成部分以自然的交互作用結(jié)合在一起，進(jìn)而創(chuàng)造出各種集合。在這些集合中，穩(wěn)定的集合“存活”了下來(lái)，而其他集合需要繼續(xù)進(jìn)化。穩(wěn)定的集合形成了“自然選擇的整體”，它們不把功能作為建筑模塊，而是結(jié)合到高階的集合中，然后再重復(fù)同樣的過(guò)程，從而形成了分級(jí)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。西蒙用這個(gè)模型想表明，突現(xiàn)的多級(jí)系統(tǒng)比復(fù)雜性的兩極系統(tǒng)的概率更大，即在兩極系統(tǒng)中，所有組成部分必須“井井有條”，否則在自然變異機(jī)制增加缺失的組件之前，集合將變得不穩(wěn)定。在多極系統(tǒng)中，只需要少數(shù)成份“井井有條”就能形成穩(wěn)定的模塊，這些模塊的一部分再次遞歸組合，形成更高級(jí)的模塊。很顯然，井井有條的成份越小，隨機(jī)組合的概率越大。然而，也有一些例外的情況，不分等級(jí)的復(fù)雜系統(tǒng)仍然可能。例如，大部分高分子化合物由簡(jiǎn)單、線(xiàn)性的多分子兩極集合形成。自組織模型能解釋這種非模塊的、兩極系統(tǒng)的突現(xiàn)，這樣的過(guò)程通常有非線(xiàn)性、自催化機(jī)制的特征，不怎么穩(wěn)定的集合增加了讓其他成份加入集合的可能性，從而使其變得更加穩(wěn)定。正反饋的過(guò)程不需要模塊的中間層。突現(xiàn)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)就像“吸引子（attractor）”，能夠影響相鄰的結(jié)構(gòu)，使它逐漸走向穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。顯然，西蒙的分級(jí)模型和自組織的“非線(xiàn)性”模型，只能描述突現(xiàn)的部分特征。真實(shí)的復(fù)雜系統(tǒng)，同樣有經(jīng)過(guò)分級(jí)的多極層面，也有非線(xiàn)性的二級(jí)層面。然而，這樣的系統(tǒng)中不只包括整體的層級(jí)或非線(xiàn)性的組織，還有子組織和子系統(tǒng)。理解這樣的復(fù)雜性架構(gòu)，需要說(shuō)明在什么規(guī)則的作用下，新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從復(fù)雜性的層級(jí)中突現(xiàn)。
一、復(fù)雜性科學(xué)解釋突現(xiàn)的變異-選擇原則
描述生物進(jìn)化的自然選擇理論，可以簡(jiǎn)單地視作系統(tǒng)的進(jìn)化。它探討的是系統(tǒng)的變異和環(huán)境給系統(tǒng)的“選擇壓力”，即系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)只有適應(yīng)環(huán)境才得以維持。進(jìn)化系統(tǒng)類(lèi)似于問(wèn)題解決者，通過(guò)嘗試（或變異）尋找問(wèn)題的答案，只要系統(tǒng)的適應(yīng)性不是最佳的，就需要解決問(wèn)題。不穩(wěn)定性越大，問(wèn)題也越大，在獲得新的平衡之前，系統(tǒng)將發(fā)生變異。在自然選擇過(guò)程中，只能通過(guò)中間階段解決問(wèn)題。與問(wèn)題求解相比，進(jìn)化不是最終的解決方案，當(dāng)系統(tǒng)的進(jìn)化過(guò)程改變了環(huán)境，它就無(wú)法以最佳的方式適應(yīng)環(huán)境，需要進(jìn)行重新適應(yīng)。在進(jìn)化過(guò)程中，每個(gè)過(guò)程的目標(biāo)都是另外過(guò)程的子目標(biāo)，以此類(lèi)推，子目標(biāo)就成為進(jìn)化過(guò)程的重要特征，相當(dāng)于穩(wěn)定的突現(xiàn)系統(tǒng)。另外，進(jìn)化一般是并行或分布式的，這樣的結(jié)構(gòu)限定了系統(tǒng)與環(huán)境之間沒(méi)有絕對(duì)的區(qū)分。由此產(chǎn)生的后果是，自然選擇不再是環(huán)境的選擇。要規(guī)避這個(gè)問(wèn)題，可以考慮把以并行方式進(jìn)化的整個(gè)系統(tǒng)，看作整體化的系統(tǒng)。在這種情況下，自然選擇就是整體系統(tǒng)的變異產(chǎn)生的整體上穩(wěn)定的配置。這樣一來(lái)，就用內(nèi)在的選擇替換了外在的選擇，即內(nèi)在結(jié)構(gòu)只要穩(wěn)定就能維持系統(tǒng)，不需要考慮它對(duì)外在環(huán)境的適應(yīng)性。雖然，實(shí)踐中不存在絕對(duì)整體化的系統(tǒng)，每個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)仍然包含內(nèi)在選擇與外在選擇，但是我們可以通過(guò)更大的、更加整體化的系統(tǒng)，把外在選擇還原為內(nèi)在選擇。適應(yīng)性可以還原為一個(gè)子系統(tǒng)（初始系統(tǒng)）和另一個(gè)子系統(tǒng)（初始環(huán)境）之間的穩(wěn)定關(guān)系。例如，影響植物自然選擇的外因是維持生存的二氧化碳的數(shù)量。這個(gè)因素可以看作“邊界條件”——對(duì)植物自組織過(guò)程的環(huán)境限定。從整體的視角來(lái)看，二氧化碳不是已知外在條件，而是其他系統(tǒng)（動(dòng)物和細(xì)菌）適應(yīng)環(huán)境的產(chǎn)物。這樣的系統(tǒng)取決于其他的選擇因素——植物產(chǎn)生的氧氣。由此，這樣的適應(yīng)過(guò)程，可以視為整體化的生態(tài)通過(guò)內(nèi)在的自組織，導(dǎo)致的對(duì)穩(wěn)定循環(huán)的選擇，即二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣又產(chǎn)生二氧化碳。我們還可以用內(nèi)在選擇與外在選擇解釋變異。內(nèi)在的變異是系統(tǒng)的內(nèi)在部分變化的過(guò)程，如基因染色體中的突變。外在的變異是系統(tǒng)與環(huán)境之間關(guān)系的變化，如有性生殖中染色體的重組。總之，從外在視角觀察的事物，也可以用內(nèi)在視角來(lái)看，反之亦然。這種解釋策略需要整合突現(xiàn)和自組織，強(qiáng)調(diào)自組織作為設(shè)計(jì)規(guī)則的作用。
二、人工生命解釋突現(xiàn)的變異-穩(wěn)定原則
1.自組織繁衍是人工生命的基本屬性在第二次世界大戰(zhàn)期間，羅伯特•奧本海默、恩里科•費(fèi)米、漢斯•貝特、理查德•費(fèi)曼、尤金•維格納、馮•諾伊曼等科學(xué)家，在進(jìn)行“曼哈頓計(jì)劃”的過(guò)程中，開(kāi)始探討復(fù)雜性問(wèn)題，使用計(jì)算機(jī)模擬復(fù)雜系統(tǒng)。馮•諾伊曼親自設(shè)計(jì)出計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問(wèn)題，研究細(xì)胞自動(dòng)機(jī)和自我繁衍（self-reproduce）的機(jī)器。雖然在20世紀(jì)50年代早期，他就提出了形式化細(xì)胞自動(dòng)機(jī)的設(shè)想，但數(shù)學(xué)家斯塔尼斯拉夫•烏拉姆，最早開(kāi)展了設(shè)計(jì)存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，探索遵循遞歸規(guī)則、具有二維和三維幾何特性的生長(zhǎng)模式。因而，我們通常把烏拉姆看作人工生命研究的真正奠基者。復(fù)雜性是人工生命的核心概念。在烏拉姆的啟發(fā)下，馮•諾伊曼設(shè)計(jì)出第一個(gè)細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模型。他主要研究人工生命的繁衍過(guò)程，尋找非平凡的（non-trivial）自我繁衍所需的充分的邏輯條件。在他所描述的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型中，在水中的機(jī)器人通過(guò)組合全部構(gòu)件來(lái)摹仿自身的浮動(dòng)。馮•諾伊曼成功地說(shuō)明了繁衍的方式，卻無(wú)法解釋機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的原因。于是，他放棄基因?qū)用娴哪M，而是采用烏拉姆的方法，只從中提取自我繁衍的邏輯形式，即首先把自我繁衍描述為邏輯序列，再用通用圖林機(jī)進(jìn)行自我繁衍的操作。馮•諾伊曼構(gòu)想的二維的細(xì)胞自動(dòng)機(jī)，帶有29種可能的狀態(tài)。當(dāng)前的細(xì)胞與毗鄰的4個(gè)正交的細(xì)胞之間的規(guī)則轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生出每個(gè)細(xì)胞的狀態(tài)。根據(jù)這種情況，他提出了4條非平凡解的自我繁衍的原則：第一，系統(tǒng)的自我描述不涉及自身。這條原則避免了執(zhí)行自我描述時(shí)，無(wú)限的“回歸”。按照這條原則，自我描述可以是未解釋的系統(tǒng)模型，也可以是對(duì)系統(tǒng)的編碼。第二，系統(tǒng)只要有管理單元（supervisoryunit），就能執(zhí)行任何計(jì)算。這條原則用于解釋繁衍過(guò)程中，自我描述的兩個(gè)方面。第三，系統(tǒng)只要有通用構(gòu)造器（universalconstructor），就可以在細(xì)胞空間中構(gòu)造已描述的對(duì)象。第四，通用構(gòu)造器按照管理單元的指令，構(gòu)造系統(tǒng)的新副本，自我繁衍包含系統(tǒng)的自我描述。[1]馮•諾伊曼用邏輯原則解釋生命的主要特征，而阿瑟•勃克斯則對(duì)電子離散變量自動(dòng)計(jì)算機(jī)EDVAC進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)。馮•諾伊曼從自然的自我繁衍中提取邏輯形式，自然成為了人工生命研究的先驅(qū)者。在20世紀(jì)70年代，約翰•康維基于細(xì)胞自動(dòng)機(jī)改造烏拉姆和馮•諾伊曼的方法，設(shè)計(jì)出“生命游戲”，說(shuō)明復(fù)雜世界如何從簡(jiǎn)單規(guī)則中突現(xiàn)。在他看來(lái)，當(dāng)前的細(xì)胞和相鄰的8個(gè)細(xì)胞使用兩種規(guī)則，是產(chǎn)生細(xì)胞狀態(tài)的原因。生命的規(guī)則很簡(jiǎn)單。只要“活”細(xì)胞的數(shù)目為3，當(dāng)前的細(xì)胞在下代細(xì)胞中“存活”；而“活”細(xì)胞的數(shù)目為0、1、4、5、6、7、8中的任意一個(gè)，當(dāng)?shù)那凹?xì)胞就無(wú)法在下代細(xì)胞中存活。1965年，勃克斯的學(xué)生埃德加•科德簡(jiǎn)化了馮•諾伊曼的細(xì)胞模型。1984年，勃克斯的另一個(gè)學(xué)生克里斯多夫•蘭頓，在科德的“周期性發(fā)射器”（periodicemitter）基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)自我繁衍模式，證明了通用的構(gòu)造能力不是自我繁衍的必要條件。他的自動(dòng)機(jī)只有8種細(xì)胞狀態(tài)，這些細(xì)胞是細(xì)胞空間中繁衍的復(fù)制數(shù)據(jù)，也是依據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)則進(jìn)行操作的指令。初始結(jié)構(gòu)只需要151個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)就能成功地繁衍自身。另外，每個(gè)“回路”都以類(lèi)似的方式繁衍自身，擴(kuò)展“回路”的集群。這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，細(xì)胞的動(dòng)態(tài)過(guò)程的成分依據(jù)基因特征編碼，而動(dòng)態(tài)過(guò)程是“計(jì)算”發(fā)展過(guò)程中遺傳表達(dá)的原因。從復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)的視角看，使用計(jì)算機(jī)模擬復(fù)雜系統(tǒng)，研究細(xì)胞自動(dòng)機(jī)和自我繁衍的機(jī)器，實(shí)際上是一種人工生命的自組織繁衍研究，從這個(gè)意義上看，自組織繁衍是人工生命的基本屬性。
2.人工生命是突現(xiàn)的科學(xué)傳統(tǒng)科學(xué)的基礎(chǔ)是還原論的分析方法，按照這種方法，系統(tǒng)是由簡(jiǎn)單部分組成的結(jié)構(gòu)，任何事物都可以分解為更小的部分。但是，這種方法無(wú)法解釋復(fù)雜系統(tǒng)，由于復(fù)雜系統(tǒng)具有突現(xiàn)屬性，一旦分解系統(tǒng)就會(huì)喪失突現(xiàn)屬性。突現(xiàn)現(xiàn)象在科學(xué)中隨處可見(jiàn)，在寬泛的意義上，任何系統(tǒng)都有突現(xiàn)屬性。解釋這些科學(xué)現(xiàn)象需要新的研究框架，綜合方法恰好可以作為分解方法的補(bǔ)充。人工生命的綜合方法包含兩個(gè)方面：（1）提取生物體的邏輯規(guī)則；（2）用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)這些規(guī)則。經(jīng)過(guò)這兩個(gè)階段，就可以得到有類(lèi)生命屬性的人工系統(tǒng)模型。這種研究方法有兩個(gè)基本的假設(shè)（：1）把生命看作物質(zhì)的組織屬性。或者說(shuō)，生命是形式屬性，而不是物質(zhì)本身；（2）復(fù)雜的屬性從簡(jiǎn)單過(guò)程的交互作用中突現(xiàn)。從形式上可以將人工生命劃分為平凡的（trivial）與非平凡的（non-trivial）兩種系統(tǒng)。[2]具體來(lái)說(shuō)，第一種系統(tǒng)包含所有人工模擬的生物體；第二種系統(tǒng)包括數(shù)學(xué)模型、概念模型和物理模型。第二種系統(tǒng)還可以進(jìn)一步分為三種類(lèi)型：（1）用生物化學(xué)合成技術(shù)獲取物質(zhì)系統(tǒng)的類(lèi)生命特征；（2）是一種研究機(jī)器人的新方法；（3）虛擬的生命，即有突現(xiàn)屬性的計(jì)算機(jī)程序。這些形式的可能性取決于解決弱人工生命-強(qiáng)人工生命，或者說(shuō)生命-身體的類(lèi)比問(wèn)題。[3]功能論者從人工生命的角度看自然生命。在解釋心理時(shí)，通常不考慮思維系統(tǒng)的物理細(xì)節(jié)，把生命屬性看作多重實(shí)現(xiàn)。然而，多重實(shí)現(xiàn)也有缺陷，只要減少實(shí)現(xiàn)的數(shù)量，功能論就會(huì)導(dǎo)向同一論；而生命的概念過(guò)于抽象，也會(huì)導(dǎo)致二元論或活力論。最好的方法是采用適度的功能主義。從方法論上來(lái)看，這些研究主要涉及這些方面[4]：（1）細(xì)胞自動(dòng)機(jī)。主要研究復(fù)雜性的建模問(wèn)題。細(xì)胞自動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)上是一些具有離散狀態(tài)的細(xì)胞。細(xì)胞狀態(tài)根據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)則，經(jīng)過(guò)離散時(shí)間產(chǎn)生變化。轉(zhuǎn)換規(guī)則把當(dāng)前的細(xì)胞狀態(tài)與最親近的細(xì)胞狀態(tài)結(jié)合起來(lái)。多數(shù)情況下，所有的細(xì)胞使用平行和同步的迭代算法（iterationalgorithm），或使用隨機(jī)和非同步的迭代算法同時(shí)更新。自我繁衍是細(xì)胞自動(dòng)機(jī)最重要的研究問(wèn)題，涉及馮•諾依曼、蘭頓和沃爾弗拉姆（S.Wolfram）的研究。（2）人工胚胎學(xué)。主要研究生命系統(tǒng)從單細(xì)胞發(fā)展為完整組織的能力。這項(xiàng)研究的基礎(chǔ)是分形幾何，通過(guò)這個(gè)工具說(shuō)明復(fù)雜的類(lèi)生命形式如何從簡(jiǎn)單的遞歸過(guò)程中突現(xiàn)，典型的研究有林登麥伊爾（A.Lindenmayer）與普魯辛凱維奇（P.Prusinkiewicz）的L系統(tǒng)、道金斯（R.Dawkins）的生物形態(tài)。（3）進(jìn)化計(jì)算。主要研究自然選擇的進(jìn)化規(guī)則的計(jì)算問(wèn)題。這項(xiàng)研究中應(yīng)用的主要是霍蘭德（J.Holland）的遺傳算法。遺傳算法用于解釋?zhuān)绾螐哪阁w（parentpopulation）中生成適應(yīng)環(huán)境的變體。通過(guò)使用遺傳算子生成變體，能夠解釋遺傳表型的基因特征的突變與互換。如果按照基因分類(lèi)器（GeneticClassifiers）使用遺傳算法，還可以解決機(jī)器學(xué)習(xí)的問(wèn)題。另外，使用遺傳編程，還可以解釋自我完善的計(jì)算機(jī)程序如何突現(xiàn)，即依據(jù)自然選擇編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序。（4）自催化網(wǎng)絡(luò)。主要研究生命的可能起源與原始生命的進(jìn)化模型。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)被看作特定的RNA序列，把弧定位為催化的交互作用。相關(guān)的研究有超循環(huán)理論。（5）計(jì)算的生命。主要研究計(jì)算機(jī)程序的設(shè)計(jì)。這項(xiàng)研究只展現(xiàn)類(lèi)生命的行為，不模擬已有的生物有機(jī)體。盡管計(jì)算機(jī)的處理方式與自然生命的不同，它也有繁衍、與環(huán)境交互作用及進(jìn)化的能力。如，Tierra程序以及計(jì)算機(jī)病毒。（6）集體智能。主要研究分布式人工智能和多主體系統(tǒng)。這項(xiàng)研究并不遵循自下而上的方式。典型的研究涉及蜂群網(wǎng)絡(luò)、蟻群算法以及進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。（7）進(jìn)化的機(jī)器人。主要研究自主機(jī)器人的設(shè)計(jì)。例如，用有反應(yīng)能力的分層體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器昆蟲(chóng)、小規(guī)模的機(jī)器人群體的集體行為、使用進(jìn)化規(guī)則分析機(jī)器人的控制結(jié)構(gòu)。（8）可發(fā)展的硬件設(shè)備。主要研究硬件進(jìn)化的實(shí)現(xiàn)。這項(xiàng)研究涉及硬件的自我修復(fù)和自我繁衍、新傳感器的設(shè)計(jì)等。由于硅元素缺少某些用于進(jìn)化的基本特征，要獲得自適應(yīng)性，只有采用類(lèi)似于FPGA（Field-ProgrammableGateArray）的技術(shù)，或是采用遺傳編程的方法。（9）納米技術(shù)。主要研究自然生命或新有機(jī)體相關(guān)的合成過(guò)程。費(fèi)曼（R.Feynman）開(kāi)創(chuàng)了這項(xiàng)研究，他在1959年主張?jiān)诜肿訉用嫖⒖s和擴(kuò)展工業(yè)制造能力，以此創(chuàng)造人工生命。（10）生物化學(xué)合成技術(shù)。主要研究RNA繁殖的體外實(shí)驗(yàn)、原始人工生命形式、RNA鏈的合成和進(jìn)化、自催化的反應(yīng)以及滲透性的生長(zhǎng)等。[5]這些研究都強(qiáng)調(diào)“突現(xiàn)”這個(gè)核心概念，即整體性的行為和結(jié)構(gòu)通過(guò)各個(gè)組成部分的交互作用產(chǎn)生，但不作為組成部分的行為和組織的原因。在這個(gè)意義上，人工生命就是突現(xiàn)的科學(xué)。
3.從“變異-選擇原則”走向“變異-穩(wěn)定原則”“我們可以用不同的尺度觀察系統(tǒng)，這些尺度就像是抽象的層級(jí)，只要知道系統(tǒng)的某個(gè)層次，就可以把系統(tǒng)想象為某個(gè)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而推導(dǎo)出下級(jí)層次。比較這兩個(gè)層次，低級(jí)層次的結(jié)構(gòu)眾多，但類(lèi)型很少，而高級(jí)層次的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，類(lèi)型也很多。所有的層次組合在一起構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜性的層級(jí)。在這個(gè)抽象的模型中，可以把系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)理解為粒子、分子、生物體、信息、符號(hào)等。同一層次上的結(jié)構(gòu)，通過(guò)與其它結(jié)構(gòu)的連接獲得自己的屬性，它們之間的動(dòng)態(tài)交互作用產(chǎn)生了新的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。這些新結(jié)構(gòu)，再以同樣的方式獲得新屬性。由此，我們可以在一個(gè)虛構(gòu)的附屬層次上定義突現(xiàn)屬性，這樣一來(lái)，就可以把這些屬性還原為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的局部組合，進(jìn)而用更形式化的方式定義它。我們還可以用這樣的模型描述比較大的系統(tǒng)，如宇宙。”[6]把夸克、粒子、原子、分子、生物大分子、細(xì)胞、生物體看作不同層次中的元素，某個(gè)層次中的元素都可以通過(guò)組合構(gòu)成上級(jí)層次中的新元素。這里面也有特殊的情況，如氦原子非常穩(wěn)定，它沒(méi)有與其它原子的“鏈接”，而碳原子卻有四種“鏈接”。由于碳有較強(qiáng)的交互能力，它是每個(gè)大分子結(jié)構(gòu)都不可或缺的元素，并成為生命的物質(zhì)基礎(chǔ)。既然如此，在什么規(guī)則的作用下，新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從復(fù)雜性的層級(jí)中突現(xiàn)？“這樣的規(guī)則包含變異和穩(wěn)定的系統(tǒng)過(guò)程。這些過(guò)程在所有層次上并行發(fā)生。在任何層次上，結(jié)構(gòu)單元都有許多不同的配置。在產(chǎn)生熱力學(xué)變動(dòng)的時(shí)候，確定的描述開(kāi)始遠(yuǎn)離平衡的過(guò)程。這些變動(dòng)致使結(jié)構(gòu)單元的配置發(fā)生隨機(jī)變異，而變異形成了許多瞬態(tài)的結(jié)構(gòu)，它們與更高的組織層次相關(guān)聯(lián)。某些瞬態(tài)的結(jié)構(gòu)之所以穩(wěn)定，是因?yàn)樗鼈冞m應(yīng)了環(huán)境，并且它們的結(jié)構(gòu)屬性就包含在穩(wěn)定的過(guò)程中。這些新結(jié)構(gòu)形成了新的復(fù)雜性層次。”[6]穩(wěn)定的過(guò)程演變?yōu)樗念?lèi)相變的行為：一是固定和同質(zhì)的狀態(tài)；二是簡(jiǎn)單的周期結(jié)構(gòu)；三是無(wú)序的周期結(jié)構(gòu)；四是復(fù)雜結(jié)構(gòu)。[7]蘭頓認(rèn)為像生命系統(tǒng)這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，應(yīng)該維持在有序與無(wú)序的相變“臨界點(diǎn)”上，避免任何一種最終結(jié)果。
穩(wěn)定過(guò)程的基礎(chǔ)是生物細(xì)胞的自組織，如自創(chuàng)生（autopoiesis）。在自創(chuàng)生的基礎(chǔ)之上，我們能以組織導(dǎo)向（organization-oriented）定義極小生命。在這種情況中，達(dá)爾文的“自然選擇”的變異-選擇原則，只是變異-穩(wěn)定原則的特例。這兩個(gè)原則之間有兩個(gè)重要的差異（：1）穩(wěn)定過(guò)程不是優(yōu)化方案。自然選擇優(yōu)化了生物的適應(yīng)功能，使其在競(jìng)爭(zhēng)資源中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的過(guò)程，從整體上滿(mǎn)足環(huán)境的約束條件。例如，瓦雷拉等人提出的自然漂變命題（naturaldriftproposition）就是一個(gè)滿(mǎn)足過(guò)程，而不是優(yōu)化過(guò)程。（2）所有層次在分級(jí)模型中交織在一起。環(huán)境由所有層次的所有結(jié)構(gòu)組成。從局部到整體，再到局部的內(nèi)在層次，這樣的反饋回路對(duì)生命至關(guān)重要。
三、匯聚技術(shù)的啟示：弱化自組織的作用
人工生命系統(tǒng)展示了生命開(kāi)放式進(jìn)化的發(fā)展方式，但Tierra世界中的數(shù)字進(jìn)化卻不是開(kāi)放式的，因?yàn)門(mén)ierra生物的復(fù)雜性低，進(jìn)化的變化不多。對(duì)此，湯姆•雷（T.S.Ray）試圖擴(kuò)大Tierra的環(huán)境來(lái)增加異質(zhì)性。他發(fā)現(xiàn)Tierra生物通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，從一臺(tái)計(jì)算機(jī)遷移到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，尋找未使用的資源及局部的生態(tài)位，從而進(jìn)化為新細(xì)胞。在執(zhí)行復(fù)雜的環(huán)境計(jì)算時(shí)，改良Tierra將增加預(yù)期的遺傳復(fù)雜性。然而，對(duì)于原始版本的Tierra來(lái)說(shuō)，這樣的進(jìn)化是有限的。按照希利斯（W.D.Hillis）的觀點(diǎn)，協(xié)同進(jìn)化能推動(dòng)進(jìn)化性進(jìn)步。協(xié)同進(jìn)化的“演化軍備競(jìng)賽”通過(guò)改變環(huán)境來(lái)推動(dòng)進(jìn)化。即使這樣，原始的Tierra與改良的Tierra都需要協(xié)同進(jìn)化。發(fā)展開(kāi)放式進(jìn)化，需要對(duì)人工和自然的進(jìn)化系統(tǒng)作定量比較。從貝多（M.A.Bedau）和帕卡德（N.H.Packard）的數(shù)據(jù)來(lái)看，存在不同性質(zhì)的進(jìn)化動(dòng)態(tài)，未知的人工系統(tǒng)生成了生物圈所展現(xiàn)的進(jìn)化動(dòng)態(tài)。
總之，生命的進(jìn)化不斷地創(chuàng)造出新的環(huán)境，而這些環(huán)境又賦予生命新的適應(yīng)性。然而，目前用變異-穩(wěn)定原則解釋復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)化機(jī)制仍有局限。匯聚技術(shù)的出現(xiàn)為我們提供了新的視角，即把自組織看作是一個(gè)建構(gòu)的過(guò)程。按照迪皮伊（J.P.Dupuy）的觀點(diǎn)，認(rèn)知科學(xué)引導(dǎo)匯聚技術(shù)定位失控的程序。[8]自組織作為自發(fā)過(guò)程，也涉及控制問(wèn)題。雖然自我復(fù)制的機(jī)器不會(huì)有真正的危險(xiǎn)，但自組織是一個(gè)建構(gòu)的過(guò)程。長(zhǎng)期以來(lái)，自組織只是委托（delegation）人工任務(wù)的一個(gè)步驟，但在授權(quán)機(jī)器的邏輯運(yùn)算之后，應(yīng)該授權(quán)機(jī)器的自我建構(gòu)。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)有三種自組織的策略：（1）混合化（Hybridization）的策略，即使用生命系統(tǒng)的建筑模塊（buildingblocks）制造設(shè)備和機(jī)器。（2）仿生（Biomimetics）的策略，即賦予人造物模仿的性能。（3）整合（Integration）的策略，這個(gè)策略是對(duì)前面兩種策略的綜合。這三個(gè)策略假設(shè)人造物與自然系統(tǒng)有某些相同的特征，可以用機(jī)器隱喻描述生命系統(tǒng)。但是這樣的隱喻操作有兩種不同的方式：（1）使用技術(shù)詞匯表，把生物體描述為機(jī)器；（2）把設(shè)備和機(jī)器描述為有機(jī)物。在20世紀(jì)70年代，法國(guó)哲學(xué)家康吉蘭（G.Canguilhem）就發(fā)現(xiàn)，生物與機(jī)器的類(lèi)比總是用技術(shù)術(shù)語(yǔ)描述生物體。[9]現(xiàn)在的問(wèn)題是，機(jī)器能否像人類(lèi)那樣進(jìn)入生活世界？第一種策略：機(jī)器的自組織以生物進(jìn)化的選擇方式使用結(jié)構(gòu)和設(shè)備，反過(guò)來(lái)可以把生物細(xì)胞視為分子機(jī)器（Molecularmachine），如分子生物學(xué)家把DNA、RNA、酶、蛋白質(zhì)描述為納米機(jī)器，材料化學(xué)家建設(shè)分子發(fā)動(dòng)機(jī)和分子轉(zhuǎn)子。生命系統(tǒng)也被看作分子的制成品。我們期望通過(guò)模仿自然，設(shè)計(jì)出維持生命的高性能結(jié)構(gòu)，但是成功的概率很低，更可行的方式是設(shè)計(jì)自然提供的建筑模塊——蛋白質(zhì)、細(xì)菌、微膠粒（micelles）或膠質(zhì)。合成生物學(xué)通過(guò)應(yīng)用工程學(xué)的方法，發(fā)展出混合的對(duì)稱(chēng)策略：把生物過(guò)程分解為它的元素，基因片段被當(dāng)作操作單元，把這些元素裝配為模塊。
最終的目標(biāo)是產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)立和可交換的部分，用于執(zhí)行特定的功能。總之，任何功能無(wú)法指定給某個(gè)特定的單元，但任一單元的元素裝配都有可能產(chǎn)生特定功能。如果自組織不是一個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)則，那么，它既是集體行為，也是自發(fā)行為。第二種策略：自組織的作用推動(dòng)了材料科學(xué)家和生物學(xué)家的合作。模仿生物的自組織，不只是復(fù)制一個(gè)模型，也決不意味著在所有細(xì)節(jié)上都復(fù)制原件，而是選擇模仿生物材料的本質(zhì)部分。通常，它們的模型不是生命系統(tǒng)，而是工程操作的局部模式。我們無(wú)法從實(shí)驗(yàn)室中精確地復(fù)制這個(gè)模型。化學(xué)家的實(shí)驗(yàn)條件與自然條件不同，他需要高溫、低真空和有機(jī)溶劑。由此看來(lái)，自然給予我們的只是啟示，而不是模型。建立自組織至少需要兩個(gè)條件：（1）可逆性是能重新調(diào)整部分的關(guān)鍵；（2）信息必需包含在反應(yīng)物中，在這個(gè)成份中編碼，而不是由外在程序提供。第三種策略：整合技術(shù)是蒙泰馬格諾（C.Montemagno）發(fā)明的一種程序，他的目的是把生命與非生命的系統(tǒng)混合在一起，用人造設(shè)備模仿細(xì)胞膜或肌肉。這樣研究主要集中于自生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用，它的目標(biāo)是通過(guò)廣泛使用分子交互作用的自然模型和分子集合，創(chuàng)造出具有突現(xiàn)能力的系統(tǒng)。細(xì)胞膜（Membranes）具有多重功能，從而成了這個(gè)程序的關(guān)鍵因素，即這個(gè)程序決定著空間組織、提供電流、感覺(jué)和運(yùn)送信息、探測(cè)特殊分子。在此基礎(chǔ)上，可以設(shè)計(jì)人造細(xì)胞膜，可以在生物意義上處理信息，也可以對(duì)環(huán)境做出反應(yīng)。這些自組織基于不同的自然觀。在“混合策略”與“整合策略”中，自然是一個(gè)獨(dú)立設(shè)備的集合或人造機(jī)器。在“仿生策略”中，自然是依賴(lài)于“特定物理學(xué)”的系統(tǒng)。混合引起了制造過(guò)程，它需要一個(gè)設(shè)計(jì)者嚴(yán)格控制這個(gè)過(guò)程。整合策略也需要一個(gè)設(shè)計(jì)者構(gòu)建系統(tǒng)，表現(xiàn)突現(xiàn)屬性的功能。但在第二個(gè)策略中，仿生的自組織是一個(gè)盲目創(chuàng)造的過(guò)程，它的組合和選擇缺乏外在的設(shè)計(jì)。即使仿生化學(xué)家按照設(shè)計(jì)的自組織進(jìn)行操作，也無(wú)法保證控制所有的步驟。可見(jiàn)，不同的自組織策略將建立在不同的哲學(xué)自然觀之上。
作者：董云峰 任曉明 單位：天津工業(yè)大學(xué)馬克思主義學(xué)院 南開(kāi)大學(xué)哲學(xué)院
