系统及系统演化理论

近一二十年风靡全球的非平衡非线性相关理论是专门研究宏观系统和微观系统（它们必须是开放系统）的结构和演化的理论，是认识事物复杂性的工具（普里高津，1986），是人们科学思维方式的一次变革。开放系统非平衡非线性理论体系主要有以下几个理论要点：①普里高津的耗散结构理论（颜泽贤，1987）；②哈肯的协同学理论（哈肯，1984）；③突变理论（周硕愚，1988）；④混沌学说（沈小峰，1993）。另外还有分形理论、分岔理论、超循环理论等。在此我们不打算详细地解释和叙述这些理论，只综合它们的理论要点，并试图建立起本书的理论体系和思维方式。

（一）非平衡非线性理论要点

（1）一个开放系统（不管是力学的、物理的、化学的还是生物的）在远离平衡的非线性区，一旦系统的某个参量变化达到一定的阀值，通过涨落系统可发生突变，即非平衡相变，由原来的无序的混乱状态转变到一种时间空间和功能有序的新的状态。这种有序状态需要不断地与外界交换能量和物质才能维持，并保持一定的稳定性，不因外界的微小扰动而消失。普里高津把这种远离平衡的非线性区形成的新的稳定的有序结构称之为耗散结构。这种系统能够自行产生的组织性和相干性，被称为自组织现象。所以耗散结构理论又可称为自组织理论。耗散结构不同于平衡系统的有序稳定结构。平衡有序结构是一种微观有序结构，比如石盐晶体，它可以被粉碎到微小的尺度。而耗散结构是宏观尺度的可以清晰地观察到的结构。平衡有序结构不随时间和空间变化，不需要外界物质和能量补充，在孤立系统中可维持稳定不变。耗散结构是一种动态变化的有序，它需要不断与外界交换物质和能量，使这种动态变化有规律地周期性地变化下去。

（2）系统从平衡无序向远离平衡有序结构的演化可以用“序参量”来量度。当系统完全处于无序状态时，序参量为0；随着外界条件的改变序参量也在逐渐变化，当接近临界点时，序参量增大很快，最后在临界区域，序参量突变到最大值，这种突变的最大值即意味着宏观有序结构的产生。协同学的中心思想就是把系统分成若干子系统，认为在这些子系统中只有少数几个子系统控制着系统的演化，并赋予其序参量的概念。在外界物质、能量和信息作用下这些序参量产生非线性相互作用的协同效应。

（3）若系统的初始状态为稳定态，在连续变动的控制因素作用下，系统的状态也随之连续变化，当控制因素变动到一定的数值（临界值）时，状态也达到稳定态与非稳定态的分界点（临界点），这时尽管控制因素不再改变，但由于系统内的随机涨落不可避免，系统状态仍然会迅速离开临界点跳跃式地变化到另一新的稳定态。这就是突变理论的定性解释。它揭示了相变是如何依赖于条件改变的。如果相变的中间过渡态是不稳定态，相变过程就是突变；如果中间过渡态是稳定的，相变就是渐变。自然界的许多现象比如在常压下的沸腾，岩石断裂，地震、流行病爆发、生物灭绝、基因突变、社会变革、经济危机等都可以用非连续的突变理论来解释。自然界的另一些现象，比如蒸发、机械风化、溶解、板块运动、社会改变、经济复苏、生物进化等则是连续变化的例子。

（4）一个远离平衡态的有序系统，当进一步远离平衡时，系统可从某种有序状态演化到混沌状态。混沌状态不是混乱状态。混沌来自有序，是无序中的有序，是宏观上无规律，但微观上还存在有序的结构。而混沌是平衡条件下的无序状态，是分子运动水平上定义的，宏观上没有一致行动。混沌理论告诉我们，自然系统演化方向是多种多样的，既有从无序到有序的发展，又有从有序到无序的变化，还有从有序到混沌的演化。这些演化构成了自然界的复杂性。

（二）非平衡非线性理论方法和思维方式

1.关于系统和环境

非平衡非线性理论是建立在远离平衡的开放系统基础上的。本书研究自然界中（岩石、土壤、水、大气、粮食）硒的存在状态及其与人体健康之间的关系，因此对于人体系统，自然界是其存在的环境。硒是由环境输入的变量，也称为系统的控制变量，人体硒状态（也称状态参量）是系统的输出变量。同样，可将粮食作为一个系统，土壤、水、空气就是它存在的环境，硒是由环境输入的变量（或系统的控制变量），植株中有机和无机硒数量和状态是其输出变量（状态参量）。以此类似还可建立硒的土壤系统、岩石系统、水系统以及它们所存在的环境系统。

由此可见硒作为环境变量对系统的硒状态水平产生影响，环境是相对系统而存在的。例如粮食可作为人体的环境，但它又可作为一个系统存在于别的环境物质中。我们把土壤、水、大气、植物、动物和人视为一个整体，即地球表生系统，它是相对于太阳系和地球深部环境而存在的。显然地球表生系统是一个非常复杂庞大的开放系统，用传统的方法研究该系统的结构和演化是很困难的。

系统内部由相互联系和相互作用的部件组成。每个部件也可以看成是一个子系统。比如人体由器官、组织、细胞、分子、原子组成，肌肉、骨骼、血液等器官和组织可以认为是高层次的子系统，细胞是次级子系统，分子和原子依次为更低层次子系统。这些子系统通过一定的组织形式相互联系和相互作用。硒分布于这些子系统（或要素）中，参与系统的演化。同时，硒作为一种控制变量作用于人体系统和各个子系统有可能使某些子系统的状态参量发生改变，影响整个系统的结构状态。土壤和植物中的硒我们也可作类似的处理，但已不是本书研究的重点。

2.系统中硒的状态分布

人体系统硒结构状态可视为粮食、土壤、空气、水环境硒输入变量和其它控制变量（比如人体消化吸收功能、代谢功能、年龄及身体健康状况、食物中的拮抗元素等）共同作用的结果。人体高硒、低硒，以及各子系统中硒状态和系统之间硒的协同关系是人体系统的输出变量对输入控制变量的反馈。人体在从食物中消化吸收和子系统协同分配储存硒的过程是一种非平衡非线性协同作用过程。它需要消耗部分能量才能实现。植物（粮食）系统硒状态也可以视为土壤、空气、水环境中硒输入变量和其他控制变量（比如土壤pH、E_h、粒度、拮抗元素、天气、温度、雨量、植物吸收功能和代谢功能等）共同作用的结果。植物（粮食）高硒、低硒，以及各器官硒状态是植物（粮食）输出变量对输入控制变量的反馈。植物从土壤吸收、改造、运输和在各器官储存硒是一个非平衡非线性协同作用过程，它需要消耗部分能量才能实现。在土壤系统中，风化作用、淋溶作用、氧化还原作用、腐殖酸化作用也是一种非平衡态的非线性作用。在温度、氧逸度、pH、E_h、微生物等环境变量作用下，矿物中的硒经过一系列化学反应（非线性作用），生成一些新的稳定状态的硒（一种新的有序结构）。比如各种价态的无机硒、交换态硒、有机态硒等。由它们决定土壤高硒或低硒状态特征。这种非线性作用（化学反应）是一种不可逆过程，并且是在耗散一定的热能、化学能条件下实现的，所以新的有序状态的硒在该环境条件下是稳定的。由此可以看出，地球表生系统土壤、空气、水、植物和人体系统中硒的状态分布实际上是一个耗散系统能量的时间、空间和功能的有序结构。

地球表生系统内能量的传递和硒物质的循环，实际上也是一个非线性不可逆过程。系统从环境中吸收硒，绝不是一种简单的算术线性加和过程，这个过程一是需要能量，二是一种非线性作用。岩石硒通过风化作用和腐殖化作用变成土壤硒，植物从土壤中吸收硒，人从食物中摄取硒，这些过程都是一种系统从环境中获取物质的非线性过程，即耗散作用过程。植物从土壤中选择性吸收硒，即土壤植物硒传输过程，因为植物系统中各子系统（或序参量）的高度协同关系使系统处于一种有序稳定状态（生命过程）。这种状态需要不断耗散土壤的硒才得以维持。人体摄取食物中全部的硒，但实际上机体只吸收了其中的一部分，用以维持生命活动高度协同非线性作用过程。由此可见地球表生系统内硒物质的循环流动实际上被非线性作用控制，是一种不可逆过程（图1-6）。不仅硒由岩石→土壤→植物→人之间的大循环过程是不可逆的，而且土壤→植物→空气、土壤→植物→人这样的小循环也是不可逆的。这是因为硒在循环过程中数量和状态都发生了变化。例如，土壤硒进入植物后硒一部分被蒸发，一部分变成有机硒分布在各器官中维持新陈代谢等生命活动，当植物硒返回土壤中时，硒又需要经过降价从有机硒变成无机硒，显然这是两种不同的过程。土壤→植物→人也存在类似循环过程。

3.硒与系统的演化

当外界环境作用于系统中，系统状态参量变化时，子系统独立运动能量和它们之间协同运动能量也在变化；当状态参量达到临界值（阀值）时，独立运动与协同运动也处于临界状态，局部子系统间的各种耦合相当活跃，涨落相对变大。随机涨落代表着系统可能的发展方向，把系统推向一种新的结构状态。但是对一个复杂系统来说，其参量的数目很多，在临界点附近，大多数参量阻尼大，衰减快，对整个系统过程影响不大，只有一个或几个参量（序参量）不受这种影响，控制着系统的演化进程。

硒作为环境的输入变量（或系统控制变量）作用于系统，使系统状态变量通过协同作用（或非线性作用）达到稳定有序状态。从系统自身角度来看，它从环境中吸取硒，其目的是为了保持稳定有序结构不变。因此当环境硒不能保证系统维持稳定有序结构时，硒就被认为是系统状态改变的起因。然而正是由于系统的演化是由一个或几个主要的状态参量（或序参量）决定的，而有时候它们的协同作用并不受硒变量的影响，或者说系统的输出硒（即系统对硒输入变量的应答）不对环境输入硒产生作用，这时硒不能被视为是系统演化的起因。因此环境硒与系统演化的关系，关键是必需阐明①环境硒对系统中硒状态分布的影响；②系统中的硒是否影响到系统稳定有序结构？例如，一个健康人体就是一个高度协同的有序结构，如果某一子系统由于硒作用使其有序的结构状态发生了改变，并与其他子系统之间的协调关系出现紊乱，系统的正常运行出现障碍，人体就会出现病变。这时硒就是人体系统状态改变的起因。

4.系统的稳定与突变

系统的反馈（输出）体现了系统的功能和行为。如果输出（反馈）符合我们对系统的要求，就认为系统的目的已经达到；如果输出的结果与目的存在一种目标差，这个差是正的称为正反馈，相反为负反馈。正反馈显示系统的功能和行为已超出了我们的目标，而且目标差不断增大。适当的正反馈可使信号放大，形成系统的涨落和巨涨落。如果让这种目标差越来越大，将使系统的稳定性遭到破坏。比如人体和植物体为了保持正常的生命活动需要适量的水、糖类、脂肪、蛋白质和矿物质（包括硒）。它们在机体中都占有一定比例，如果超过这种比例，机体有一种复杂的反馈调节系统来协调它们之间的关系，使机体目标差保持在允许的范围内，机体保持稳定状态。但是如果差值增大至超过机体调节系统的允许量，或者机体调节（系统）作用失灵，系统稳定态发生混乱，人就会生病。硒中毒、砷中毒、汞中毒等可能与这种系统反馈机制有关。在这里机体自身的控制（调节）系统（比如新陈代谢系统、免疫系统、抗病毒系统等）很重要，它们能在一定范围内使输出信号变弱，抑制输入变量的作用。这可能是为什么高硒中毒环境中，有的人会得病而有的人不得病的原因。因此防治硒中毒一方面要想法降低环境硒容量，改善高硒环境；另一方面需要增强机体抗硒中毒的控制系统，以抑制高硒对机体稳定性的破坏效果。其他一些疾病比如克山病和癌病实际上也可以用这一结论来解释。

系统稳定性的破坏通常是以突变的方式出现。在分子生物学中，基因及基因表达是一个高度协同的非平衡有序结构。基因突变，可使致病基因活化或抑病基因丢失，从而导致DNA碱基排列顺序改变，有序结构被破坏，疾病发生。这在食管癌的病因分析中已有了初步的结论。在食管癌区一系列的随机阻断试验表明，硒是作为一种抑癌因子确定其功能的。其作用表现为阻止基因突变的干扰因素（亚硝胺）的生成及其对DNA分子排列顺序的破坏。很显然，人体缺硒也就表明其缺少一种抑制基因突变的因子。因此，缺硒不是诱发基因突变的原因，而仅仅是缺少抑制基因突变的条件。

我们知道人体生病是高度协调的稳定有序变成无序的结果，而且这种改变是突变的。但是这一切都是发生在个体身上。是人体系统中的平衡与非平衡、有序与无序、稳定与非稳定的矛盾现象。对于地方病、流行病以人群为标志的暴发流行突发事件，从系统论的角度认识，它应被看成一种人群的稳定态向另一种人群稳定态的突变。而且这种突变很有可能是外因诱发的。比如湖北恩施高硒中毒地区人群硒含量根据1966年至今的统计，始终处于高硒临界值状态，但人体并未发生硒中毒。然而1959～1963年一次特大干旱，却暴发了本区历史上最大的硒中毒流行事件。这显然是一次典型的系统的突变事件。

克山病的暴发流行可能也适合这种突变模式。但是我们目前还不完全清楚引起系统突变的干扰因素。缺硒是一种长期作用因素。显然不适合干扰条件。除此之外克山病分布范围广，在我国跨越了不同的气候带和土壤分布区，发病人群各地区不尽相同，暴发流行的时间（年度周期和季节）各地亦不一样。特别是本病的暴发与传染病暴发还不一样，它不具备传染源和传播途径。这些都给暴发突变的干扰因素研究增加了困难。但是从暴发的特点来看，主要呈急型或亚急型突发事件，而且来势凶猛，显然具有系统突变的特征。

以上，我们用系统的非平衡非线性理论初步分析了地球表生系统和人体中硒的一些特征与规律。非平衡非线性理论有极其广泛的实验基础和严密的数理逻辑证明，因而它是一种认识自然、了解社会复杂性的十分先进的理论和非常有用的工具。可以贯穿于整个自然科学和社会科学中。由于硒研究领域涉及了众多的自然学科和社会学科（比如研究环境时，要涉及到社会环境和人文地理环境），每一个研究者也不可能精通全部这些学科知识，因此传统的方法很难深入到各个学科的内涵和本质，建立起学科之间的内在联系。然而非平衡非线性理论为我们提供了这些可能。实践表明，虽然我们不十分熟悉土壤学、植物学、分子生物学等，但是我们利用非平衡非线性理论方法，通过系统的演化可以探索硒在各个系统中的演化规律和系统之间的本质联系，以及硒在人体健康中的地位和作用。并在认识上可以澄清以往的一些模糊观念，发掘出认识上的一些新的生长点。主要体现在以下几个方面。

（1）地球表生系统是一个庞大而复杂的开放系统，它又分为土壤、水、植物和人体等子系统。该系统一方面与地球深部和太阳系等外部环境进行能量和物质的交换；另一方面，在其内部由于各子系统的非线性协同作用，使系统处于一种稳定有序的结构状态。

（2）高硒地区可以认为是一个高硒地球表生系统，低硒地区是一个低硒地球表生系统。硒作为环境变量输入系统后参与系统演化。在高硒区硒作为输出变量影响各子系统（或序参量）协同关系，使该区保持高硒的稳定有序状态。在低硒区硒控制影响子系统（或序参量）的协同关系，使该区保持低硒稳定有序结构状态。因此地球表生系统中硒的状态分布实际上是耗散系统能量的时间、空间和功能的稳定有序结构。

（3）土壤通过风化作用和腐殖化作用从岩石中获取硒，植物通过元素丰度规律、效率规律和匹配规律从土壤中吸收硒，人体（或动物）通过消化作用和代谢作用从食物中摄取硒，都是一种非线性不可逆过程。由这些过程构成的系统内硒的生物－地球化学循环，也遵循保持系统稳定有序的非平衡非线性法则。也就是说高硒区系统内硒循环是高硒稳定有序流动；低硒区则是一种低硒稳定有序流动。

（4）在研究人体健康与硒的关系时，需要强调两个方面的内容：①将人体作为一个系统，其他表生系统要素作为人体存在的环境，专门研究环境硒输入变量对人体系统的作用与影响；②以人体硒为输入变量研究人体系统和各层次子系统对硒的反馈信息。借助于非平衡非线性理论，我们认识到一个健康的机体就是一个高度协同的稳定有序结构。这种协同关系从高层次的器官、组织系统一直保持到低层次的分子、原子子系统，如果任何一个层次的子系统的协同关系被改变，都会影响到整个系统有序结构的稳定性，人体因此而出现病变。至于出现何种病变与某一器官（或组织）以及组成这种器官（或组织）的细胞、分子系统有关。分子水平的基因及基因表达就是细胞内各子系统协同作用下的稳定有序结构。基因的改变可能形成新的疾病基因图谱。引起基因改变的原因可能主要是环境因素作用的结果。食管癌区，亚硝胺使人体基因突变使原癌基因活化或抑癌基因丢失；硒中毒区硒置换含硫氨基酸或诱发活性氧自由基使DNA遭到破坏；但目前克山病区的情况仍不清楚。

（5）环境变量与人体系统的关系可以归结为人体系统输出变量对环境变量的反馈。就单变量而言，系统对高硒环境变量将形成正反馈，对低硒环境变量形成负反馈。正反馈说明人体中硒已超过人体的需要量，硒的输出信号增大，因而有可能导致人体硒中毒。负反馈则显示人体硒的缺乏，硒的输出信号变弱，因而有可能出现一些人体低硒有关的疾病（比如克山病和食管癌）。

（6）地方病的暴发流行是一种突变现象，可以用突变理论来解释。这时研究对象已从个体变成群体。研究重点是临界状态下，促使系统发生突变的干扰因子。这种干扰可以来自外部环境，也可以来自系统内部。恩施硒中毒的暴发流行可能是一次突变事件。

（7）地球表生系统的硒状态分布同样可视为是对地球内部环境硒输入变量的反馈（或输出）。高硒地球表生系统（包括高硒土壤、水、粮食、植物、动物、人等）是对地球内部高硒输入变量的反馈。低硒地球表生系统是对地球内部低硒输入变量的反馈。高硒或低硒变量的输入主要通过地质构造断裂带中岩浆熔体和热流体载体向地表的输运，以及岩石载体由深部向地表或由地表向深部的错位。低硒或高硒表生系统的输出可以用生物-地球化学异常显示。研究表明，地质构造断裂带中及附近，特别是构造带交汇处存在某些含硒火山岩浆物质、生物碎屑、含炭物质、硫化物矿床等，它们的地表堆积物反应出高硒异常；并由此发育高硒的生态食物链系统；在构造带其他地方大多数沉积岩石和火山熔岩流则显示低硒特征，它们的地表风化堆积物反映出低硒异常；并由此发育低硒生态食物链系统。从以上可以看出，地表系统高硒或低硒的输出（用生物-地球化学异常表示）与地质构造带代表的深部特征（硒的输入变量）是对应的。这一认识与我们研究地质构造带与砷中毒、氟中毒、克山病、碘缺乏病和某些癌症的空间耦合关系的结论是一致的（张光弟，1994）。因此应用系统的非平衡非线性理论实际上是为我们曾经提出的地质构造带—地球化学异常带—癌症与地方病带的耦合关系提供了理论支持。建立地球内部系统—地球表生系统—人体健康耦合关系的重要意义在于：①从真正意义上阐明了人体的生长发育和健康状态与地球系统演化的密切相关性，正是由于人类的繁衍与地球演化的相适应，才使人体的结构、组成、生命的延续和异化都与地球的演化有着千丝万缕的联系，人类的许多疾病实际上就是人体系统对地球演化变异的反馈；②强调了地球深部环境对表生系统的控制和影响。以往的研究认为地表系统中元素的迁移和富集主要受太阳系（能）控制（陈静生，1990），因而元素的分布随气候带呈地带性的特点，然而且不说就我国横跨南北的低硒带以及氟异常分布带已经跨越了不同的气候分带，与上述结论存在矛盾，就以太阳系和地球内部环境对地表系统的输入变量分析，太阳系提供的变量主要是太阳能，将由此引起地表一系列物理-化学变化和地表物质迁移和富集。但地球内部同样储存和向地表释放各种能量（如放射性核能、热能、机械能、化学能等），而且同样影响着地表气候变化（杜乐天，1996）并控制着半个月以上的气候变化周期。更为重要的是地球内部提供给地表系统的硒和其他物质是太阳系所没有的。仅从这个角度分析，地球深部环境对地球表生系统的作用与影响也要比太阳能重要得多。