系統科學大家談4（轉載）-周光召：複雜適應系統和社會發展

系統科學丨周光召：複雜適應系統和社會發展

原創 2017-06-23 周光召 科學出版社

《系統科學進展》作為《系統科學叢書》的首部著作，收集了包括錢學森、關肇直、周光召、John Holland等著名科學家的重要文獻。

本號上期為大家選取了錢老1986年1月7日在系統學討論班第一次活動時的講話：系統科學丨錢學森：我對系統學認識的歷程。本期，為大家選取周光召院士的文章：複雜適應系統和社會發展。

周光召：理論物理、粒子物理學家 1929年5月生於湖南長沙。1951年畢業於清華大學，1954年北京大學研究生畢業。1980年當選為中國科學院學部委員(院士)。先後當選為美國等12個國家和地區的科學院外籍院士。中國科學院研究員。曾任中國科學技術協會主席，中國科學院理論物理研究所所長、中國科學院副院長、院長、學部主席團執行主席，全國人大常委會副委員長等。

主要從事高能物理、核武器理論等方面的研究並取得突出成就。在中國第一顆原子彈、第一顆氫彈和戰略核武器的研究設計方面做了大量重要工作，為中國物理學研究、國防科技和科學事業的發展作出了突出貢獻。嚴格證明了CP破壞的一個重要定理，最先提出粒子螺旋度的相對論性，並於1960年簡明地推導出贗矢量流部分守恆定理(PCAC)，成為國際公認的PCAC的奠基者之一。 1982年獲國家自然科學獎一等獎。1989年、2000年先後獲國家自然科學獎二等獎。1994年獲求是基金傑出科學家獎。1999年被國家授予「兩彈一星」功勛獎章。

1.引 言

1.1 21世紀科學技術發展趨勢

20世紀以來的相對論、量子論和遺傳基因的雙螺旋結構這三大發現，開闢了人類認識自然的新紀元，奠定了化學、分子生物學、核物理和凝聚態物理學、天體物理學、電子學和光子學的理論基礎，並形成了宇宙大爆炸模型、地球板塊模型、基本粒子夸克模型、地球圈層共生演化的生態模型等不同層次自然系統的科學圖像。

20世紀在技術上的偉大成就，如衛星、微電子晶元、計算機、激光器、隧道掃描顯微鏡、網際網路、轉基因、克隆動物和幹細胞等關鍵技術的發明、改進和普及，使人類可以操縱基因和單個原子，創造全新結構和功能的物質，組裝單個細胞大小的智能機械，為21世紀人類文明的新躍升奠定了技術基礎。正在形成之中的新技術體系推進著新的產業革命和社會變革，一個新的文明形態正初露端倪。

我們正處在科學技術成為第一生產力、科學思想成為重要的精神力量以及高技術產業在世界範圍興起的時代。在新的世紀，網路將把個人、組織、地域、國家和世界連成一體；機械的智能化、生物化和人性化將使人體和機械實現融合；地球的持續發展要求人與自然、人與人的關係由物竟天擇向天人合一，協同進化轉化。

在新世紀，信息廣泛和快速的傳輸，促使市場全球化，社會各部分都處於非線性的強相互作用之中，處於快速變革和發展之中。一方面智能產品的構成包含多種技術的綜合，內部構造和製造過程越來越複雜，另一方面，社會充滿多種矛盾，各種勢力此起彼伏，呈現錯綜複雜的局面。複雜性和不穩定已成為普遍的日常現象。21世紀科學技術將繼承以往的傳統，又具有鮮明的特色。21世紀科學最主要的特點將是研究複雜性，調控複雜系統。以下幾方面顯示出的複雜性很清楚地說明了這一點。

1.1.1 產品的複雜性

20世紀及以前，科學主流所研究的對象是具有確定運動規律，能夠預測未來行為及其行為在隨機因素作用下產生的偏差幾率的，處於平衡、穩定狀態附近的系統。這種系統儘管有時其結構也相當複雜（如大規模集成電路），但它的行為在一定範圍內仍是可以預測和控制的。隨著技術的發展，一個產品常常是多種技術的綜合，數碼相機就包含了光學、機械、微電子晶元、軟體等等技術部件複雜的組合，是一種行為可控的複雜系統。這種複雜技術組合的產品帶來新的消費需求，對經濟的發展相當重要，現在還在繼續往前發展。

1.1.2 生物複雜性

人類細胞染色體上的基因雙螺旋長鏈DNA的密碼字母高達 30億個，結構十分複雜，其排序雖已經完成，對少數基因的功能及其表達和調控的機制也有初步認識，但對大部分基因的作用尚不清楚。DNA上除了蛋白質基因的信息，還有大量未知的密碼序列，其作用有待進一步澄清。

人類基因組含有的蛋白質基因約3萬～ 4萬個，和老鼠基因的數量差不多。但通過 RNA轉錄和翻譯，人類可以產生 10萬種以上的蛋白質，數量和品質都高於其它哺乳動物。

人體有兩百多種不同的細胞，都由一個受精卵發育而成，它們具有相同的基因，但是不同的細胞表達的蛋白質則是不同的。人類的複雜性更多體現在蛋白質的表達順序、結構和功能上。研究蛋白質結構和功能的蛋白質組學是當前研究的重點。

生物體從受精卵開始發育、成長、衰老、死亡的過程是一個複雜系統演化的過程，是多基因協同調控的產物。單獨抽出單個基因或單個蛋白質，研究其功能一般還不能闡明活細胞的工作機制，需要將一組相關的DNA、RNA和蛋白質通過多種相互作用，在不同調控途徑、代謝途徑上形成的網路單元進行整合，分析不同途徑間的耦聯，形成整體跨層的相互作用模型，進行模擬，找出規律，才能說明活著的細胞或器官的工作機制，這是新興的引入複雜性研究的系統生物學的任務。

1.1.3 網路的複雜性

人的智力是大自然進化的最高產物。人的大腦有一千億個神經元，彼此之間形成一千萬億個的聯接點，組成複雜的神經網路。神經元聯結的樣式相當部分是由後27天的學習和記憶過程決定的。正是神經網路的複雜性造就了人區別於其它動物的高度發達的智力。今天，唯物論者和大多數神經生物學家相信人的意識、智慧是由神經網路確定的，但並不清楚它的機制，即意識和智慧是如何產生的，這一問題具有非常重要的意義和應用前景，將是21世紀最重要的研究方向。

當前網際網路已建立上億個網站，幾億人每天在網上衝浪，獲取信息，進行交易，建立組織，實施管理，網路已經成為社會生活的神經系統。要在這樣複雜的網路上保證安全;從海量存儲中快速獲取所需信息，進行分析和處理，將信息上升為知識和決策；實現實時反饋調控，保持系統整體有序、局部協同，是信息科技下一步發展的重點。

大腦每個神經元激發的速率為毫秒級，遠慢於現在晶元中晶體管激發的速率，但人識別圖像的能力仍優於當前的個人電腦。模仿人腦進行並行處理的方式是電腦發展的方向。

由電腦和感測器共同組成的虛擬現實技術，以網路數據並行、分布處理為基礎的信息柵格計算（grid computing）將逐步發展成熟和普及，和智能處理相結合，能實現多種資源共享，多維信息傳輸，不同網路協同，多個網點合作，針對多種需求，面向多個用戶，將成為重要的發展方向，為數字地球、數字城市、數字圖書館、電子商務、電子政務、遠程教育、遠程醫療、災害預警、科學研究、軍事作戰等提供有力的應用平台。

信息技術發展的這些新方向，都要解決其中出現的複雜性問題。網路複雜性的研究也必然成為21世紀研究的重點。

1.1.4 社會面臨的複雜形勢和問題

科技快速而不平衡的發展和信息技術的普及，促進社會信息化和經濟全球化，加強個人、企業、地區和國家之間長距離的非線性相互作用。

市場競爭空前激烈，企業業績漲落幅度加大，市場不穩定度增加。高速度和不平衡已成為現代社會發展的常規。財富的正反饋效應使得富者越富，窮者越窮，南北差距、地區差距和貧富差距進一步擴大。

頻繁突發的金融、經濟甚至政治的危機說明陷入無序的混沌狀態的可能性增加，如新經濟熱潮中股市泡沫的破滅，阿根廷從金融到政治的全面危機等。當前出現的許多現象使人們感到世界正處於混沌狀態的邊緣，既提供突顯新的有序結構的機遇，又有陷入危機的混沌狀態的可能。

在變動頻繁、快速演化的環境中，挑戰和機遇是並存的，為在觀念、體制、人才、發展戰略、基礎設施、研發創新和應對措施做好準備的企業和國家，帶來新的發展希望。同時，對那些沒有做好準備的企業和國家，嚴峻的挑戰，就會迅速發展成為危機。個別的突發事件，在某些條件下就會引發政治、經濟和社會格局的重大變化。

以上的一切說明，從市場產品、生命科學、網路應用到社會現象，複雜性都成為21世紀科學技術面臨的需要解決的問題，要求開展對複雜系統和複雜現象的研究，各國都給與了高度重視。因此，複雜性的研究將成為21世紀科技的主要特色。

1.2 探索複雜性：混沌和分形

從20世紀 70年代末開始的關於混沌現象和分形理論的研究，通過對一些現象的數值模擬，使人們認識到，在非線性相互作用下的開放系統，在特定條件下可能發生其行為不可預測的混沌現象或突變現象。

在混沌出現的區域，系統對外界環境的偶然因素非常敏感，可以說是差之毫釐，謬以千里，系統長期的運動狀態，成為不可預測的一定程度上無序的狀態。同時也發現，在混沌區的附近，有可能突然形成（突顯）具有自相似時空結構的有序狀態（分形），出現了由無序向有序的轉變。

隨後發現，混沌和分形是很普遍的現象，在生物界、經濟和社會生活中到處都可以觀察到混沌和分形的出現。這種狀態又常常在某些開放系統處於快速演化和結構調整的過程中，在矛盾激化的對立鬥爭中發生。

對於複雜系統，隨著系統開放度的增加和系統內各部分之間非線性相互作用的增強，系統較易出現無序的混沌狀態（常常表現為危機）或突顯新的有序結構（分形）。了解有關的規律將有助於進行管理和調控，因此對複雜性，特別是對處於非穩定和非平衡狀態，進行快速演化和不斷調整的複雜系統的研究就成為本世紀科學研究的一個重點。

美國科學家Pagels說，不懼複雜性和勇於面對矛盾而無需簡單性和確定性的能力，是一個探索者的品質 (The capacity to tolerate complexity and welcome contradiction, not the need for simplicity and certainty is the attribute of an explorer)。

對非穩定和非平衡複雜系統的研究剛剛開始不久，還沒有成熟的理論，缺少定量分析的工具，但在對一些現象的數值模擬時，已形成了許多定性的概念。簡單和複雜、局部和整體、必然性和偶然性、有序和無序、穩定和發展、量變和突變、競爭和協同、適應和淘汰，遺傳（繼承）和進化（發展）這些相互矛盾概念的對立和統一在複雜性的研究中都得到了進一步的發展，辯證法已成為研究的有力工具。

下面，我們對處於非穩定和非平衡狀態的複雜系統作簡單的介紹。由於理論尚不成熟，不同學者的看法也不盡相同，闡述只能是初步的。

2.關於系統的基本概念

2.1 系統、子系統和系統層次

"系統"一詞在古希臘時代就有組合、整體和有序的含義，在物理科學中太陽系指的是以引力相互作用維繫的太陽和九大行星組成的天體系統，在生物學中消化系統、呼吸系統和神經系統等名稱描述的是聯合執行同種功能之器官的組織學結構。

一個系統內部通常都是結構分明的子系統，它本身又可能是一個更大系統的子系統。

肉眼看不見的分子系統也是結構複雜的系統。分子是由原子組成的，原子是由原子核和電子組成的，原子核是由質子和中子組成的，質子和中子是由夸克組成的等。

肉眼看不清的宇觀世界是結構層次分明的天體系統，像太陽系、銀河系。太陽系內的地球本身又是一個大的系統。

過去較多採用由整體分解為局部的研究方法，今後將更重視由局部整合為整體的研究方法。

2.2 物質、能量和信息

所有自然系統都由物質構成。物質不停地運動，運動在時空中進行，是有規律的。有些社會系統則主要是由信息構成，如文學系統，法律系統等。社會系統同樣是在自身規律作用下不停地變化和發展。

系統的構成，系統每部分所處的運動狀態，相互之間的作用和運動遵守的規律，這些都是可以認識的，是知識性信息。

可以認為，物質、能量（運動）和信息是構成宇宙形形色色,豐富多采現象的三大基本要素。

2.3 簡單系統與複雜系統

一個完全無序，處於熱平衡狀態的系統無疑是簡單的系統，一個具有高度對稱的有序狀態的系統，如完美的晶體也會看作是簡單的系統。一般地講，描述簡單系統的狀態需要的信息量小，而描述複雜系統的狀態所需要的信息量多。因此，複雜系統的狀態處於完全有序與完全無序之間。

2.4 系統的複雜程度

我們可以用一個系統中包含的有效信息量（去掉了錯誤的和無關的信息）的多少來判斷系統的複雜程度。有效信息量大表示系統複雜程度高。由簡單到複雜系統的演化反映的是系統內有效信息量的增加。地球的生物系統和社會系統從產生開始就不停地由簡單系統向複雜系統演化。

2.4.1 隨機性和規律性

任何信息都可由文字、聲音和圖形來描述，而這些又都可以錄製在磁帶上，由數字串來代表，像現在電腦用二進位數字串所作的那樣。在電腦未發明之前，人們就已經會用電報碼這樣的數字串來傳遞文字信息。一個完全隨機的沒有任何規律的數字串和一個完全規則的如10101010. . .的數字串所帶的信息量都是很少的。對前者我們只要說它是隨機的，對後者也只要說它是 10的重複就夠了。

2.4.2 必然性和偶然性

一個既有確定規則，中間又雜以隨機數的數字串才帶有更多的信息。規則的部分反應的是必然性，而隨機的部分則反應的是偶然性。因此，由必然性和偶然性結合而產生的系統通常是一個包含信息量大的複雜系統。例如，人類社會的歷史就是由社會發展的必然規律和一些偶然的因素，如突發的天災，一次戰爭的結局，統治者的錯誤決策等這些帶有偶然性的因素共同決定的。

2.5 物質運動變化的動力

引起物質運動變化的動因是物質之間的相互作用力。

2.5.1 物理作用力

相互作用力有很多種，最基本的是四種物理的作用力：萬有引力、電磁作用力、弱作用力和強作用力。天體運動和地球上事物的宏觀運動由萬有引力和電磁作用力推動。到生物和化學層次，分子、原子和電子之間主要起作用的是電磁力。

2.5.2 維繫複雜系統的作用力

到系統結構的高級層次，當信息在形成系統結構中起重要作用時，維繫系統結構穩定的作用力已經主要不是物理作用力，而是相互傳遞的信息。例如在生態系統中，生物為吸引異性或驅逐敵人散發特殊氣味和聲音。社會組織中則除暴力外，有權威、法律、道德、倫理、感情、文化等等作用於個人的力量。

2.5.3 非線性相互作用

若存在作用和作用的效果不按相同比例增長的非線性相互作用力，就會出現某些反映系統性質的參量成指數上漲的情況。非線性相互作用產生的正反饋會造成系統的不穩定，在某些條件下會使系統的長期行為對作用的參數和系統的初始狀態及邊界條件非常敏感，就像成語所說：差之毫釐，謬以千里。而在另一些條件下，又可能從混亂中產生秩序，突發形成有序狀態。非線性相互作用還會引起運動過程中的突變，如衝擊波、雪崩、地震、股市崩潰等。複雜系統中出現的相互作用一般都是非線性的。

3.幾個基本規律

在探討複雜系統的結構和演化時，有幾個規律起著基本的作用，它們的內涵不僅有大量實驗事實的驗證，而且已經成為我們研究複雜系統的基本出發點，所以此處稱之為原理或論，它們是：守恆原理、開放論和進化論。

3.1 守恆量——變化中的不變數

研究發現，在某些確定的環境下，系統(相互作用著的一組物體 )無論發生什麼樣的運動變化，無論運動變化出的形態多麼千差萬別，系統內總有這種或那種可測度的量（如物理系統的能量、電荷，化學系統的元素，經濟系統的貨物和資金等）不斷與外界進行交換，在內部的某些區域持續地產生或消滅，但是不會無中生有，不會無端消失。在整個運動變化期間，該量的總和是收支平衡的，這種量就稱為守恆量，它們隨時隨地都滿足守恆方程。

在日常生活遇到的系統中，物流、能流和信息流對系統的結構和運動產生決定性的影響。物流和能流都滿足守恆方程，貨幣是廣義的物流，也必須滿足守恆方程。信息具有完全不同的特性，它有真有假，真實信息可以同時為多人共享而不會消耗，它的運行規律和物流、能流完全不同。它的數量在傳輸和使用過程中會增加或減少，一般不滿足守恆關係。

3.1.1 熱運動和熱力學第二定律

雖然能量是守恆的，它的形式也可以轉化，但不是所有的能量形式都能無條件的作功，為我們所用。其中熱運動具有特殊的性質。現在我們知道，熱運動實際上是物質內分子和原子作無規則（無序）運動的能量，無規則運動的能量不是很容易就能轉化為規則（有序）運動的能量。

熱運動服從熱力學第二定律。這個定律說的是：由於存在摩擦、電阻（以後統稱耗散）等因素，在和外界沒有物質和能量交換的封閉系統中，有序運動最終將通過摩擦、電阻等耗散因子轉變為無序的熱運動，而熱量只能從高溫流向低溫，最後趨於熱平衡，而不能相反，或者說封閉系統內的過程都是不可逆過程。要將熱量從低溫提向高溫，則必須對之作功，像冰箱製冷就必須消耗電能。熱力學第二定律是宏觀物理學的基本定律，在我們生活的世界上，由大量原子和分子組成的物理的、化學的、生物的以及更高層次的物質結構和運動都要遵守。

3.2 開放——有序態產生的條件

對封閉系統，運動的無序度將不斷增大。封閉系統中進行的過程是不可逆的，其中的有序狀態會逐漸消失，轉為無序的熱平衡狀態。有序結構和有序運動不能在封閉系統中產生是熱力學第二定律的重要結論，也是我們為什麼要開放的一個重要原因。

封閉使系統狀態走向無序，但是自然界中不斷從無序狀態中生成有序組織的物質，如晶體、生物、社會組織等等，它們是不是違反熱力學第二定律呢？當然不是。因為它們不是從處於熱平衡的封閉系統中產生的，而是從遠離熱平衡的開放系統中產生的。

封閉導致落後，開放帶來進步。一個封閉系統的活力在內部摩擦的作用下必然逐漸損耗，發展緩慢，最後停滯，而一個開放系統不斷和外部交換物質、能量、信息（資金、人才、知識、裝備、貨物）而顯得生機勃勃。從清代開始的閉關鎖國造成了中國的長期落後，改革開放促進了中國的迅速發展充分證明了這個真理。

3.3 系統論

系統論把系統概念一般化為由相互作用著的要素構成的有機整體。在系統論的發展和應用過程中，按照熱力學的要求，依其與環境有無物質、能量和信息的交換，將系統區分為封閉系統和開放系統，依其熱力學狀態的不同將系統的狀態區分為平衡態、近平衡態和遠離平衡態。

3.3.1 平衡與穩定

在系統結構的每一層次中，都有兩種或更多相互制約的作用力起主要的維繫系統動態平衡與穩定的作用。當各種相互矛盾的作用力勢均力敵、相持不下，系統的運動處於平衡狀態。太陽系的行星軌道是萬有引力與行星運動產生的離心力這兩個相反作用的力達到平衡的結果。

平衡狀態一般不是靜止或無序狀態。熱平衡態是平衡態的一種，通常是最穩定的平衡態。

當系統偏離平衡狀態時，若作用力的總和起負反饋的作用，使系統恢復到平衡狀態，這時系統處於穩定狀態，否則，處於不穩定狀態。處於不穩定狀態的系統，在外界偶然的干擾下，就會偏離原有軌道，發生大的、可能是災難性的變化。處於相對平衡狀態的系統保持系統狀態漸進的變化是進化或改革，若狀態的變化是突發的大變化，就是革命或災變。

在科學上，我們通常把穩定平衡的狀態叫做吸引子。

3.3.2 有序向無序轉化——走向混沌

從牛頓力學的觀點看來，在相互作用力和狀態的初始條件及邊界條件給定以後，系統的運動軌跡就完全確定了，如鐘擺以每秒為一周期的擺動。在一般情況下，周期運動的運動軌跡是按照力學運動的規律完全決定的。在這種觀點影響下，人們曾經認為，一切現象都是按必然的規律產生的。以後的研究發現，在一定條件下，必然性會轉化為偶然性,牛頓力學也會產生混沌的現象。

如果在以位置為橫坐標，以動量（質量乘速度）為縱坐標的相圖上表示，周期運動的軌跡是一條閉合的曲線。若初始條件稍有偏差，在圖上的軌跡也只會有小的偏差。

對存在非線性的相互作用力的周期運動，在外部邊界參數或初始參數改變的開始階段會出現周期加倍的現象，繼續改變，會在更短的改變下周期再加倍，直到某個極限條件以後，運動變為混沌的，不再顯示周期現象。一旦運動成為混沌的，其運動軌跡在相圖上幾乎跑遍一個特定的但有限的區域。周期運動通過周期加倍而出現混沌是一個相當普遍的現象。

比較兩條初始條件只有細微差別的處於混沌狀態的運動軌跡，它們開始時彼此靠近，隨著時間的推移，彼此之間的差距越來越大，但仍在一個有限的相空間範圍之內。由於我們不能無限精確地確定運動的初始條件和邊界條件，因此除了知道運動軌跡不會超過某一有限範圍之外，預言運動軌跡的長期發展實際上是不可能的。各種微小外部因素經過一段時間後，都會產生巨大的後果。

影響運動的條件一旦處於導致混沌的區域，運動對外界干擾就非常敏感，偶然性將起重要作用。

大氣運動雖然服從牛頓力學的運動規律，但大氣的相互作用以及大氣與海洋和生物的作用都是非線性的，因此在某些條件下，大氣運動呈現混沌現象，在這種時候，大氣運動對外界擾動非常敏感，在大氣界形象地稱之為蝴蝶效應。

為保持穩定，不致陷入混沌狀態，複雜系統狀態的即時反饋、調控和自適應機制是不可缺少的。自然界的生命系統通常都有這種反饋、調控和自適應機制。前面我們討論了系統運動狀態由有序趨向無序，由規則趨向混沌的現象，下面我們討論，從無序中形成有序的結構和狀態的條件。

3.3.3 無序向有序轉化——耗散結構

在遠離熱平衡的開放系統中，通過和外界不斷交換物質、吸收有序的能量和信息，排除經耗散而變得無用的能量和信息，處於某些特定條件下的系統可以通過自組織，從無序狀態逐步發展為有確定結構和運動行為的有序狀態，並進一步由簡單結構向複雜結構進化。這種結構在科學上稱之為耗散結構。生物系統就是一種耗散系統，一旦新陳代謝停止，生命活動也就結束了。

在某些自組織系統中，開始存在狀態的漲落，其中某種模式的漲落通過非線性反饋作用加以放大，就會形成起主導作用的統治模式，抑制其它模式的作用，迫使內部的子系統臣服，按照統治模式的格式進行相似的自我複製，並按照統一步調行動，形成具有特定時間和空間結構的整體。

很多系統的有序結構發生在系統遠離平衡的臨界狀態附近，那裡相互作用成為長程的，內部子系統之間長程相關，使得所產生的有序態具有自相似性，也就是將系統任一局部加以放大，其結構和原來系統相同。用簡單的規則可以產生複雜的空間結構，稱為分形。

關於進化論，結合下面的複雜適應系統闡述。

4.複雜適應系統

許多複雜系統在特定的外部條件下，會通過自組織形成具有特定時空結構的有序狀態。這種有序狀態在環境的影響下能自組織、自學習和自適應，不斷演化其形態而生存、繁衍和發展，當適應能力趕不上環境的變化時，就會衰亡下去，我們稱這種複雜系統為複雜適應系統。生命無疑是一種複雜適應系統。

4.1 複雜適應系統的特徵

複雜適應系統有以下特徵：

第一，它由子系統構成，但它的結構、運動模式和性質具有整體的特點，不是子系統簡單疊加之和。部分子系統的變化甚至對整體特點不產生大的影響。

第二，它是處於遠離熱平衡的開放系統。

第三，內部子系統之間的相互作用是非線性的。

第四，它具有自組織、自學習、自適應和進化的功能——它的有序狀態能在一定的環境條件下自動地形成，並能適應環境的變遷而演化和繁殖，歷史的偶然因素會對演化的過程產生重要的影響。

第五，複雜適應系統所處的有序態通常是在某一參數達到混沌區的臨界點，以突變的方式形成，其內部會出現逐級向下的自相似結構。進入混沌區後，系統的運動變得不可捉摸，不可能形成有序態，而在臨界點前，運動形式過於簡單，不可能進行適應性進化。在臨界點上，內部相互作用變為長程的，會出現自相似的分形結構。《複雜》一書里有句名言，意思是要在混沌的邊緣上，才會有新的思想或者新的結構產生。

無論混沌狀態或複雜適應系統的有序狀態都只在必需的條件具備時才會發生。對反映這些條件的參量常常十分敏感，少許改變就可能改變其狀態。如果對產生的條件有正確的認識，就會給調控這些狀態提供可能性。

例如心臟跳動出現二聯律，預示跳動周期加倍，發展下去就可能發生心臟顫動，心臟跳動進入混沌區。過去用高電壓(2000伏)電擊可使心跳恢復正常。採用混沌理論分析，對敏感區進行低電壓(5伏)電擊，即可恢復。

4.2 進化論

按照達爾文學說，地球上現今生存的物種都是由共同的祖先長期進化而來的產物，而進化是基因變異、遺傳和自然選擇三種因素綜合作用的歷史過程，但其中自然選擇是進化的主要因素。

即使同一種族的個體之間，由於多種原因，基因也不完全相同，個體的性狀和體能會有差異。在相同環境下，有的個體在相互競爭中體能強，有的則採取更好的策略，或偽裝或共生，以適應當時的環境，繁殖更多的後代。它們的體能和智力就會遺傳下去，在種群中取得優勢。

在生長和細胞分裂過程中，基因或受外界作用，或在複製過程中出錯，都可能造成偶然的變異。多數基因的變異對生物是有害或無益的，但也有少數變異給生物帶來新的有益的性狀。帶有這種有益的變異基因的個體具有競爭優勢，就更多的在種族中繁殖後代。逐漸帶有這種變異基因的個體在種群中的數量就會大大增加，種群的面貌也就發生可見的變化，甚至形成新種。這就是自然選擇帶來的進化。

有益基因並無絕對標準，是相對當時的環境而言。一旦環境改變，原來適應的可能不再適應，數量就會減少，原來不適應的可能更為有益，數量又會開始增加，生物種群的分布就會重新發生變化。

基因不斷發生變異，經過自然選擇，帶有適應環境條件基因的個體有機會生產更多的後代，生物就不斷地進化。多數基因在環境作用下雖是緩慢地進行改變，經過多年的積累，生物的面貌也會發生根本的變化。人由古猿進化而來，人和黑猩猩的遺傳基因（基因密碼字母排列序列）只有1.23％的差異。

4.3 複雜適應系統舉例——生物進化

地球上天天都有各種各樣具有耗散結構的複雜系統在產生、發展和消亡，它們在發展的過程中，不斷適應環境的變化，不斷地積累信息，使得自身的複雜程度越來越高，以自學習和自組織的方式自發地形成由簡單到複雜，由低級到高級組織形式的演化過程。這種演化過程的典範是地球上生物的進化過程和這一過程對地球環境和氣候變遷產生的影響。

4.3.1 選擇壓力和向複雜性進化

在地球的生存史上曾經周期性地出現過冰期，遭受過空間小行星的撞擊，有過大量的地震、火山爆發、洪水泛濫等自然災害。有些災害是如此嚴重，以致當時生物品種的大部分都遭到絕滅。

過去5億 4千萬年中出現過五次大的生物絕滅的災害。最厲害的一次發生在2億 1千萬年以前，當時火山爆發、地震不斷、氣候突變，生物的 90％以上都在短短十幾萬年的時間內死亡了，但也有一部分生物在選擇壓力下向複雜性進化。

4.3.2 恐龍時代

在2億 1千萬年這次災害過後，地球的氣候有過一段非常溫暖的時期，為恐龍繁殖和統治世界創造了良好的環境條件。哺乳動物的祖先競爭不過恐龍，沒有在同時發展成為大型的、智能較高的動物。只有一些小型的生活在地下的哺乳動物（鼠類）在當時得以生存下來。在恐龍統治的後期（由1億 2千 6百萬年到6千 5百萬年前的白堊紀），地球氣候發生變化，幾百萬年內，氣溫一直下降，許多熱帶生物相繼絕種。同時陸地變得乾燥，內陸形成酷暑和寒冬，植物生長不良，恐龍數量開始減少。

正在恐龍生長環境惡化的時候，6千5百萬年前，另一次著名的災害發生了。可能一次外來小行星的碰撞造成塵埃和毒氣遍天，全球黑暗，溫度下降，使得恐龍絕滅，陸上物種減少了88％，海上物種減少了50％。這次災害終止了爬行動物的統治，使得當時存在的體積較小的哺乳類動物偶然地獲得了大發展的機會。

今天生物界的精英都是在惡劣環境中經過千錘百鍊而得以生存下來的。同時歷史的偶然性作為一種機遇對具體物種以後的的繁育也起重要的作用。

從上面的例子還可以看到，一個複雜適應系統的進化可能由於強大外力的干預而停止，如小行星碰撞造成的環境的惡化促使恐龍滅絕。複雜適應系統的進化也會由於內部出現強大的統治物種而停滯。恐龍的壟斷抑制了新生的哺乳動物的進化，使得恐龍沒有天敵，發展沒有制約，最後消耗了賴以生存的植被而走向衰退。

4.3.3 變異、競爭與選擇

一個向越來越複雜的適應系統進化的過程，它實現的條件是：(1)個體基因中存在偶然的突變，不斷增加可遺傳的信息量。 (2)突變的基因融合於原來基因之中，可以複製和繁殖。(3)適度的環境壓力，造成具有不同基因個體之間的競爭，不適應環境的個體被淘汰，適應環境的個體生衍。

自然生態系統是在進化過程中不斷發展的複雜適應系統。在生態系統物流和能流的每一個環節，也就是每一個生態位上都生存著許多物種，在保證生態系統中物流和能流守恆的條件下，充分利用系統的各種資源進行繁衍。在生態系統中，可能通過基因變異或物種遷移，產生或引進新的物種，與原有的物種競爭生存的資源和空間。

惡劣的生存環境會造成大量不適應物種的消亡，所空出來的生態位又會迅速為適應環境壓力的新物種所填充。相同生態位上的生物相互競爭，不同生態位上的生物在競爭的同時可以發展共生關係，實現相互協同，生態系統必然發展出既競爭又共生的生物多樣性，以保證物質和能量得到充分利用，保證生態系統的相對穩定。

4.3.4 從猿到人

距今約400萬～ 500萬年，在非洲南部已經出現直立行走的南方古猿。可能在700萬～ 800萬年前，由於非洲東部地區持續乾旱，森林破壞，非洲猴開始沿三路進行演化，其中一路留在森林，抱住樹木不放，更加適應森林生活，演化成為大猩猩。第二支開始向森林邊沿轉移，但不脫離森林，同時到草原上尋找食物，演化為黑猩猩。第三支因無法和其它兩支在森林中競爭，被迫走上新的生存道路，開始以雙足走路，發展出雜食的習慣，懂得和家人分工合作，分享食物，最後實現向人類祖先古猿的轉變。

最近的研究表明，今天的人類和他們血源最近的祖先——黑猩猩——的基因密碼排列順序，只有 1.23％的差別。而由基因突變和自然選擇在幾百萬年中形成的這一小點差別就造成了我們和我們遠祖兄弟之間的鴻溝。

為生存競爭所迫的猴子，離開果實累累的森林，到平原上尋求發展，無疑在開始階段經歷了艱苦的考驗。艱難的時勢卻造就萬物之靈的人類。人類在其發展進化過程中，也不斷以其獨有的智慧和勤勞，認識世界，改造世界，在文化和知識開始發展後的短短一萬年內將整個地球變得面目全非。

5.高技術和高技術產業發展的規律

5.1 高技術產業生態系統——複雜適應系統

和自然生態系統一樣，高技術及其產業也是一個複雜適應系統。它在開放條件下，通過複製繁殖（技術擴散）、基因變異（技術和產品創新）、競爭、共生（參股）、選擇和適應（通過市場），不斷進化和發展。同時在價值鏈的每個環節會自動形成新的相關產業，包括為產業服務的金融、運輸、電信、保險、銷售、維修等服務業，通過自學習、自組織、自適應共同形成既競爭又分工協同的產業生態系統。產業聚群是產業生態系統的一種表現形式。

國家目標，特別是國防的需求，是高技術及其產業的催生婆，在發展的初期有不可替代的作用。但高技術及其產業的發展壯大卻是一個複雜適應系統通過自組織、自學習、自適應而不斷演化壯大的過程。

高技術的創新決定於技術人員活躍的思想和高超的技術水平，由一個新思想帶來的技術革新就可能創造一個新的高技術企業。技術的複製、變異或創新不斷地進行，新公司和新產品每天都在出現，市場競爭激烈而反應迅速。性能、質量和速度成為市場選擇的關鍵。這些都促使高技術及其產業加快演化。

5.2 不同高技術產業之間的正反饋

微電子晶元的進步提高電腦的功能和速度，擴大電腦的市場和應用面，反過來電腦的發展增加晶元的需求量。採用計算機輔助設計又加快晶元研究和開發工作的進度。高技術之間的正反饋作用帶動高技術產業高速擴張。在價值鏈上不同生態位的高技術產業之間結成聯盟，能快速推動企業的發展，如 Intel-IBM, WinTel聯盟大大加速了微電子晶元和電腦的發展。

壟斷在一個短時期能給壟斷企業帶來高額利潤，但會使系統的進化停滯，對整個社會不利。因此，發達國家都制定了反壟斷法。一種高技術的替代方案很快就能產生，高技術企業不可能靠壟斷技術而獲得持續發展，依靠壟斷技術，最後都遭到失敗。如蘋果公司不願將其電腦設計公開，使得其它廠商不能生產兼容產品，儘管其技術優異和早佔領市場，仍然敗給了IBMPC和生產兼容 IBM電腦的廠家。這些都說明高技術及其企業只有在開放的條件下才能迅速發展。

5.3 凝聚和激勵人才

高技術企業依靠傑出的人才，爭奪、凝聚和激勵人才是企業管理的中心環節。但是在開放的環境下，必然形成人員的流動和隨著人員流動帶來的技術轉移。當某個環節的技術革新思想萌芽，就像在生態系統中出現新的生態位一樣，會有技術人員脫離去創辦相關的產業，佔領這個新的生態位，與原有企業形成新的，常常是效率更高的分工，在整個高技術生態系統中協同發展。

人員流動有個人的原因，但更多是企業的管理模式存在問題，或不支持創新，或決策錯誤市場前景不好，或待遇過低和市場價值偏離。過分頻繁的人才流動不利於一個高技術企業的發展，人才競爭迫使企業更加註重企業文化的塑造、知識產權的保護和對有創造力職工的激勵。從整個社會來看，適度規範的人員流動能加快技術的轉移，加快淘汰落後的技術和企業，創造更健康的競爭環境和新的就業途徑，提高市場運行的效率。

5.4 創新和變革，開放和內因

作為生產力的高技術快速發展要求生產關係迅速調整。高技術企業的技術構成、產業結構、管理模式、運行機制和市場戰略都要隨技術的變遷而不斷革新。不停頓的創新和變革是高技術企業發展的常規，凡是跟不上的企業不是被兼并就是經歷大的起伏和波折，能獲得持續發展的高技術企業只是其中的少數。

在相同的外界條件下，系統發展的速度和動力由系統的開放程度和內因起決定作用。內因中人才群體的整體素質、召募和使用人才的政策起主要作用，而領導層的素質，反映在對發展目標和市場戰略的選擇，對資源的發掘和集中使用，對人才的識別、培訓、激勵和量才使用，對研發和質量的重視，對市場開拓的策劃，對提高為顧客服務的效率，對工作協調和組織的能力等方面，又在其中起關鍵的作用。

知識、人才、資金、信息和市場是支撐高技術企業發展的主要因素，要形成良好的企業生態系統，其周圍必須有提供知識和人才的大學和科研機構，有融資來源和風險資金的投入，有良好的基礎設施，有市場的強大需求，有為企業服務的信息庫、網路和完備的法律體系。

6.結 語

封閉系統走向滅亡，而開放系統則生機勃勃。非線性相互作用既能在有規律的運動中產生混沌現象，又能在條件具備時，從無序的混沌中演化出有序的結構，在環境不斷變動的壓力下，通過自學習、自組織、適應新的環境，求得更好的生存和發展，這種不斷進化的結構就是複雜適應系統。

我們周圍充滿了不斷產生、不斷演化的複雜適應系統，從地球、生物個體到各種社會組織都是。複雜適應系統內部和它與環境之間，都存在非線性相互作用，它們的演化既要遵循共同的必然規律，又都與自身的歷史、在歷史中凍結的偶然因素有關，是共性與個性，偶然性與必然性結合的結果。

複雜適應系統的進化要通過不同模式對有限資源和空間的競爭來實現。而一種好的競爭策略是開闢新的生態位，實現系統內的協同進化。

非線性相互作用，使得某些過程對環境條件非常敏感，自動反饋和調控的機制對增加複雜適應系統的適應性和保持系統結構的相對穩定是非常關鍵的。不然，將頻繁出現突發危機和混沌的局面。

當人類社會的進化由基因突變轉向智能創新，自然界物種由天擇轉向人擇，當信息和知識成為社會發展的主要動力，當信息鴻溝、知識鴻溝和兩極分化繼續擴大，非線性相互作用引起的，在氣候、生態、金融、經濟、政治等領域可能發生危機和災變，導向混沌的歷史時刻，人類對其歷史和後代，對宇宙萬物的生息擔負了空前重要的責任。

自私和愚昧，掠奪和霸權是進化過程遺留給人類的獸性。人要超越生物，就必須戰勝自私和愚昧，必須反對掠奪和霸權。當人類戰勝自身的弱點，學會和大自然及其同類和諧相處，協同進化，人類就會進入到持續發展的新階段，就會有光輝燦爛的前景。

本文摘編自郭雷主編，張紀峰、楊曉光副主編《系統科學進展》。本文是時任中國科協主席的周光召院士於 2002年 5月、 6月分別在北京、大連作了《複雜適應系統與社會發展》《二十一世紀科學技術發展趨勢和特色》的報告。本文是以上兩個報告的整理稿，由車宏安 2002年 10月整理， 2002年 11月中國系統工程學會第 12屆學術年會印發給全體代表 。