耗散結構理論

耗散結構理論

耗散結構理論說明耗散結構理論是指用熱力學統計物理學的方法,研究耗散結構形成的條件、機理和規律理論。耗散結構理論作為以揭示復雜系統中的自組織運動規律的一門具有強烈方法論功能的新興學科,其理論、概念和方法不僅適用于自然現象,同時也適用于解釋社會現象。 

  • 中文名稱
    耗散結構理論
  • 外文名稱
    Dissipative structure theory
  • 創始人
    伊裏亞·普裏戈金
  • 1945年
    得出了最小熵產生原理

創始人

耗散結構理論的創始人是伊裏亞·普裏戈金(Ilya Prigogine)教授,由于對非平衡熱力學尤其是建立耗散結構理論方面的貢獻,他榮獲了1977年諾貝爾化學獎。普裏戈金的早期工作在化學熱力學領域,1945年得出了最小熵產生原理,此原理和昂薩格倒易關系一起為近平衡態線性區熱力學奠定了理論基礎。普裏戈金以多年的努力,嘗試把最小熵產生原理延拓到遠離平衡的非線性區去,但以失敗告終,在研究了諸多遠離平衡現象後,使他認識到系統在遠離平衡態時,其熱力學性質可能與平衡態、近平衡態有重大原則差別。以普裏戈金為首的布魯塞爾學派又經過多年的努力,終于建立起一種新的關于非平衡系統自組織的理論──耗散結構理論。這一理論于1969年由普裏戈金在一次"理論物理學生物學"的國際會議上正式提出。

耗散結構耗散結構

理論分類

耗散結構理論提出後,在自然科學社會科學的很多領域如物理學天文學、生物學、經濟學、哲學等都產生了巨大影響。著名未來學家阿爾文·托夫勒在評價普裏戈金的思想時,認為它可能代表了一次科學革命。

普利高京耗散結構普利高京耗散結構

耗散結構理論可概括為:一個遠離平衡態的非線性的開放系統(不管是物理的、化學的、生物的乃至社會的、經濟的系統)通過不斷地與外界交換物質和能量,在系統內部某個參量的變化達到一定的閾值時,通過漲落,系統可能發生突變即非平衡相變,由原來的混沌無序狀態轉變為一種在時間上、空間上或功能上的有序狀態。這種在遠離平衡的非線性區形成的新的穩定的巨觀有序結構,由于需要不斷與外界交換物質或能量才能維持,因此稱之為"耗散結構"(dissipative structure)。可見,要理解耗散結構理論,關鍵是弄清楚如下幾個概念:遠離平衡態非線性、開放系統、漲落、突變。

平衡態

遠離平衡態

遠離平衡態是指系統內可測的物理性質極不均勻的狀態,這時其熱力學行為與用最小熵產生原理所預言的行為相比,可能頗為不同,甚至實際上完全相反,正如耗散結構理論所指出的,系統走向一個高熵產生的、巨觀上有序的狀態。

遠離平衡態是相對于平衡態和近平衡態而言的。平衡態是指系統各處可測的巨觀物理性質均勻(從而系統內部沒有巨觀不可逆過程)的狀態,它遵守熱力學第一定律:dE=dQ-pdV,即系統內能的增量等于系統所吸收的熱量減去系統對外所做的功;熱力學第二定律:dS/dt>=0,即系統的自發運動總是向著熵增加的方向;和波爾茲曼有序性原理:pi=e-Ei/kT,即溫度為T的系統中內能為Ei的子系統的比率為pi.

熵·耗散結構套用系列熵·耗散結構套用系列

近平衡態

近平衡態是指系統處于離平衡態不遠的線性區,它遵守昂薩格倒易關系和最小熵產生原理。前者可表述為:Lij=Lji,即隻要和不可逆過程i相應的流Ji受到不可逆過程j的力Xj的影響,那麽,流Ji也會通過相等的系數Lij受到力Xi的影響。後者意味著,當給定的邊界條件阻止系統達到熱力學平衡態(即零熵產生)時,系統就落入最小耗散(即最小熵產生)的態。

非線性作用

系統產生耗散結構的內部動力學機製,正是子系統間的非線性相互作用,在臨界點處,非線性機製放大微漲落為巨漲落,使熱力學分支失穩,在控製參數越過臨界點時,非線性機製對漲落產生抑製作用,使系統穩定到新的耗散結構分支上。

開放系統

熱力學第二定律告訴我們,一個孤立系統的熵一定會隨時間增大,熵達到極大值,系統達到最無序的平衡態,所以孤立系統絕不會出現耗散結構。那麽開放系統為什麽會出現本質上不同于孤立系統的行為呢?其實,在開放的條件下,系統的熵增量dS是由系統與外界的熵交換deS和系統內的熵產生diS兩部分組成的,即:dS=deS+diS

熱力學第二定律隻要求系統內的熵產生非負,即diS>=0,然而外界給系統註入的熵deS可為正、零或負,這要根據系統與其外界的相互作用而定,在deS<0的情況下,隻要這個負熵流足夠強,它就除了抵消掉系統內部的熵產生diS外,還能使系統的總熵增量dS為負,總熵S減小,從而使系統進入相對有序的狀態。所以對于開放系統來說,系統可以通過自發的對稱破缺從無序進入有序的耗散結構狀態。

漲落

一個由大量子系統組成的系統,其可測的巨觀量是眾多子系統的統計平均效應的反映。但系統在每一時刻的實際測度並不都精確地處于這些平均值上,而是或多或少有些偏差,這些偏差就叫漲落,漲落是偶然的、雜亂無章的、隨機的。

在正常情況下,由于熱力學系統相對于其子系統來說非常大,這時漲落相對于平均值是很小的,即使偶爾有大的漲落也會立即耗散掉,系統總要回到平均值附近,這些漲落不會對巨觀的實際測量產生影響,因而可以被忽略掉。然而,在臨界點(即所謂閾值)附近,情況就大不相同了,這時漲落可能不自生自滅,而是被不穩定的系統放大,最後促使系統達到新的巨觀態。

當在臨界點處系統內部的長程關聯作用產生相幹運動時,反映系統動力學機製的非線性方程具有多重解的可能性,自然地提出了在不同結果之間進行選擇的問題,在這裏瞬間的漲落和擾動造成的偶然性將支配這種選擇方式,所以普裏戈金提出漲落導致有序的論斷,它明確地說明了在非平衡系統具有了形成有序結構巨觀條件後,漲落對實現某種序所起的決定作用。

突變

閾值即臨界值對系統性質的變化有著根本的意義。在控製參數越過臨界值時,原來的熱力學分支失去了穩定性,同時產生了新的穩定的耗散結構分支,在這一過程中系統從熱力學混沌狀態轉變為有序的耗散結構狀態,其間微小的漲落起到了關鍵的作用。這種在臨界點附近控製參數的微小改變導致系統狀態明顯的大幅度變化的現象,叫做突變。耗散結構的出現都是以這種臨界點附近的突變方式實現的。

一座城市不斷有人外出和進入,生產的產品和原料也要川流不息地運人及運出。這種與外界環境自由地進行物質、能量和信息交換的系統,稱為開放系統。當開放系統內部某個參量的變化達到一定閾值時,它就可能從原來無序的混亂狀態,轉變為一種在時間上、空間上和功能上的有序狀態,即耗散結構。如一壺水放在火爐上,水溫逐漸升高,但水開後水蒸氣不斷蒸發,壺中的水和空氣就形成了一個開放系統,帶走了火爐提供的熱量,水溫不再升高,達到了一種新的穩定狀態。

耗散結構理論中的"開放"是所有系統向有序發展的必要條件。如一個企業隻有開放才能獲得發展,這種開放不僅是輸出產品,輸入原料,而且涉及人才、技術和管理等方面。不斷引進入才和技術,不斷更新設備,才能使企業充滿生機和活力。

耗散

概念

耗散結構,是普利高津在研究不違背熱力學第二定律情況下,如何闡明生命系統自身的進化過程時提出的新概念。什麽是耗散結構?用通俗的話來講,就是一個遠離平衡的包含有多組分多層次的開放系統,在外界條件變化達到一定閾值時,經"漲落"的觸發,量變可能引起質變;系統通過不斷與外界進行物質和能量交換,在耗散過程中產生負熵流,就可能從原來的無序狀態轉變為一種時間、空間或功能的有序狀態。這種非平衡態下形成的新的有序結構,就是耗散結構

普利高津本人曾對耗散結構形成的條件,作過簡單通俗的說明。他寫道:"生物和社會組織包含著一種新型的結構,……社會和生物的結構的一個共同特征是它們產生于開放系統,而且這種組織隻有與周圍環境的介質進行物質和能量的交換才能維持生命力。然而,隻是一個開放系統並沒有充分的條件保證實現這種結構。隻有在系統保持"遠離平衡"和在系統內的不同元素之間存在著"非線性"的機製的條件下,耗散結構才能實現"[1]。顯然,人既有生物的屬性,又有社會的屬性,人的生命過程既參與生物運動,也參與社會運動,更具備形成耗散結構的條件。

耗散與生命活動

首先,生命的本質在于運動。人體是一個遠離平衡的系統,它需要保持動態平衡才能存在。平衡就意味著生命的終止。興奮和抑製、收縮和舒張平衡了,心跳也就停止了。動脈、靜脈各部分血壓平衡了,毛細血管有效過濾壓等于零,物質交換也就沒有了。細胞內液與外液中的Na+、K+的濃度是非平衡的,神經細胞膜內K+濃度為膜外30倍,膜外Na+濃度為膜內12倍,這種離子濃度非平衡,對細胞的興奮及機能是必要的。如果離子濃度平衡,生物電就消失,細胞功能也就喪失。其次,人體又是一個包含有多子系統多層次的復雜開放系統。從橫向看,包括骨胳、肌肉、神經、消化、呼吸、泌尿生殖系統等子系統。從縱向看,包括群體、個體、器官、組織、細胞、亞細胞、分子、量子等層次。此外,還有與上述要求有關又自成一體的免疫系統,等等。而且各子系統之間、各層次之間存在著復雜的聯系和相互作用。人既要吃、喝、吸氣,又要拉、撤、呼氣,因而是一個開放系統。機體走向封閉,就會生病甚至死亡。中醫所說"不通則痛"就是這個道理。再次,人體內各元素之間存在非線性機製。所謂非線性,是指引起系統處于非平衡狀態的復雜過程的,主要不是逐步演變的擴散型,而是產生突變(或質變)的化學反應型。人體生理病理轉化過程中,存在大量通過爆發性漲落而擺脫連續性的情況。即使是最簡單的細胞中,正常的新陳代謝也要引起無數個偶合的化學反應;新陳代謝還要有特定的酶。因此,正常人體是離不開非線性機製的。最後,人體生命現象中,還大量存在時間節律和周期行為。所以,人體能夠形成和保持耗散結構

生命不僅僅表現為終究要死亡,要從有序走向無序,而且在于它要努力避免很快地衰退為惰性的平衡。因此,從某種意義上說,人體時刻都處在有序無序有序的轉化過程中。在正常生理過程,機體內部借助新陳代謝的作用,把細胞或機體中陳舊、多餘的或有害的物質分解,把衰老、垂死的或受傷的組織成分拆除,釋放其中的能量,使機體內部有序結構不斷遭到破壞,這可以說是人體自身產生的正熵,由于正熵存在,機體由有序趨向無序。但與此同時,機體又通過合成代謝,從外界吸收物質和能量,引進負熵,建造自身結構所需要的組織成分,以替代被拆除的組織成分,產生新的更高層次的有序狀態,使無序趨向有序,從而使機體保持正常的生命活動機體這種相對穩定有序是通過自身調控機製實現的。一旦致病因素造成調控機製混亂,機體與外界進行物質、能量、信息交換發生障礙,系統內正熵增加,有序性遭到破壞,積累到一定的閾值,經漲落觸發,就會從有序變為無序,這就是病態。疾病的醫治實際上是通過強化輸入負熵流防止輸入正熵,並促進機體遠離平衡以達到系統熵增為負或正熵不大的低熵有序狀態,從而消除疾病,轉為健康。

啓示

耗散結構理論嘗試認識自組織的機製和規律,即有序和無序相互轉化的機製和條件問題。"醫學是認識、保持和增強人類健康,預防和治療疾病,促使機體康復的科學知識體系和實踐活動"。其首要任務是認識健康和疾病轉化的機製和條件問題。因而,二者是一致的。前者對後者必定具有啓迪和借鏡作用。

耗散結構理論可以深刻揭示人體的統一性及其與外界因素的統一性,為醫學模式轉變提供理論依據。因為,這一理論用整體觀研究生命現象,並且認為隻有開放的、能與外界進行物質、能量、信息交換的系統,才能形成穩定的有序結構。人體正是這樣的系統。但是,傳統生物醫學模式忽視了人的社會性和心理因素的影響,對生理病理過程的考察往往帶有封閉或半封閉性質,而且使用的是脫離整體聯系發展的孤立、靜止研究方法。這就使得它不可能正確反映和解決作為開放系統的人體穩定、有序、健康問題,因而不可避免地要被新的醫學模式所代替。所以,醫務工作者掌握耗散結構觀點,首先有助于實現從生物醫學向生物、心理、社會醫學模式轉變。其次,有助于臨床工作中,系統整體思維和全方位立體思維的形成和運用。此外,人體有序、健康的形成和保持,實際上是多組分多層次的人體系統為主體和物質基礎,以與外界交換所得能量為動力,以來自內部信息為指令,以神經體液為調控手段,以時空或功能有序為目標的自組織過程。因此,耗散結構理論的提出,使系統科學方法變得更加完善,其套用于人體生理病理過程的解釋,必將進一步推動現代醫學的發展。

意義

耗散結構理論提出"非平衡是有序之源"的觀點,對糾正"平衡有序"觀念和貫徹積極治療,推動有關非平衡區生命穩定有序的研究,對搞好防病治病有著重要意義。但非平衡,不是不平衡,也不是平衡,而是巨漲落前的遠離平衡態,是處于失穩臨界點附近沒有超過臨界點的穩態。與此相對應,失穩包括兩方面,一是因平衡變為不平衡而失穩,如細胞外液pH值過高過低將導致鹼中毒或酸中毒。二是不平衡趨向平衡而失穩,如細胞外液鉀濃度增高,而致高血症;各種組織中較特異酶譜由區別而趨向一致性,意味著癌症出現。所以,現代醫學強調的是動態平衡。然而,我們許多醫務工作者在實踐中,努力糾正不平衡的同時,往往不自覺地走向另一極端追求平衡。而且忽視了心理,社會動態平衡對健康的意義,這對實踐是有害的。實踐告訴我們,難治性心力衰竭一類頑症之所以難治,就在于隻引入負熵流(即各種改善心衰的措施,包括葯物等)並不一定能刺激機體達到臨界點,要使機體完成"無序→有序"的躍進,必須使機體遠離平衡即機體要有相當的自身活力和抵抗力,通過漲落達到臨界點才能使新的躍進完成,使機體從無序狀態恢復到有序狀態。所以,我們必須註意,治療中不能單純依靠葯物等一系列外來因素的作用,還必須大力提高患者的整體機能,包括非葯物的心理治療,排除影響機體機能恢復的各種幹擾。

耗散結構與醫學

耗散結構理論的提出,推動醫學工作者進一步從各方面探索處于非平衡區生命系統穩定、有序、健康的維持問題。諸如什麽是穩態?有什麽抗幹擾的特徵?失穩的臨界點在哪裏?在什麽條件下,通過什麽方式,人體有序變無序,穩態變失穩?在失穩、生病後在什麽條件下,通過什麽方式恢復穩態、健康?等等。這對提高醫療衛生工作質量無疑是有益的。例如,布魯塞爾學派對腫瘤免疫的研究,就屬于抗幹擾特徵研究的一部分。該派傾向于細胞免疫起主要作用。體外實驗表明,效應細胞每次可以與一個或幾個腫瘤細胞結合然後分解為原來形式的效應細胞和失去復製能力的死亡腫瘤細胞。布魯塞爾學派為此建立起腫瘤生長的數學模型。在對這一模式的求解中,它給出何種條件腫瘤會長大或抑製,即在某些條件下,小于臨界大小的腫瘤將消失,大于臨界大小的腫瘤則長大。在另一些條件下,埋沒腫瘤中的正常組織若大于一定臨界大小時會不斷長大,從而擺脫癌狀態,反之若該正常組織過小則會為腫瘤組織所吞沒。該模型給出的腫瘤細胞數的時間振蕩行為與臨床觀察一致"[4]。這樣的探討,對臨床上因勢利導防治腫瘤就很有價值。又如,臨界點問題,不但研究穩態的生物(或理化)臨界點,而且研究心理、社會臨界點,以及對臨界值隨年齡、性別,特別是作用因素的量與時間兩者關系所決定的個體適應與不適應之間的差異,這些對醫學理論和實踐都有著十分重要的意義。此外,掌握"非平衡是有序之源"的觀點,還有助于動態思維的形成。

"非線性"理論對醫學實踐有著重要的啓迪和借鏡作用。系統的不同元素之間存在著非線性機製,是耗散結構形成的重要條件之一。多組分多層次的開放系統隻有處于遠離平衡的非線性區,才有可能經漲落的觸發,從無序突變為穩定的有序的時空結構。非線性區有兩個特征:一是突變、飛躍的臨界點所在,二是存在可逆和不要逆的兩種不同趨勢。因此,掌握非線性區對醫療實踐的意義是不容忽視的。例如,在每一個正常子宮頸粘膜上皮細胞中46個染色體,當細胞中染色體數量略有增加或減少,並出現畸形時,正常細胞就變成了間變細胞。間變階段是正常細胞向癌變細胞轉變的中間階段,亦即非線性區,它存在著可逆和不可逆兩種趨勢。如經過積極治療,染色體數量恢復正常,"間變"就消失,變成正常細胞;如遇到延緩治療或治療不當等種種不利條件,染色體數量就會劇增,若每個細胞中的染色體增至六十到九十個時,間變就發生癌變。所以認識到這一點,定期檢查,早期發現間變細胞,就可以採取措施,阻止間變向癌變發展,預防宮頸癌發生。醫務工作者必須樹立防重于治的思想,努力掌握各種疾病的非線性區,把好病理性質變這道最後防線。

耗散結構理論關于生命系統進化過程中的非線性漲落的作用,與醫學實踐中生理和病理相互轉化中漲落的作用有所不同(前者是單向的、積極的;後者是雙向的,利弊兼有的)。但可以啓發醫務工作者在實踐中,因勢利導,盡可能防止和減少漲落的破壞作用,充分利用其積極作用,更好地防病治病。耗散結構理論指出:"生命的保持和發育是跟大量的化學反應和運轉現象分不開的。是由許多高度非線性的復雜因素,如激活、抑製、直接的自身催化等連鎖製約的"。這就告訴我們,盡管研究病因要從生物、理化、心理、社會等多方面著手;認識疾病的本質要從各個層次上進行探索,但作為生命有機體的線性機製,首先存在于微觀層次中,並主要通過微觀層次表現出來。因此,我們無論考察生理向病理轉化,還是病理向生理復歸的量變質變過程,都應把重點放在微觀層次上,堅持微觀深層導向性。這不是回到片面強調理化指標為依據,著重分析的還原論老路上去,而是要走向綜合兼容辯證還原的新思維方式。

總結

耗散結構理論可以為醫學提供啓迪和借鏡作用。誠然,不應誇大它的作用。隻有把它與系統科學方法的其他理論(系統論、資訊理論、控製論協同論、超迴圈論、突變論等)結合起來,才能充分發揮其應有的作用。

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