自然界的自组织介绍.ppt

第四节 自组织演化的形式 一、突变 突变是指渐进过程的中断，是飞跃。 在自组织过程中，突变的主要贡献就是在进化中造成了“分叉”。在通往复杂性的道路上，分叉意味着信息倍增。 在分叉点以前，系统的演化只有唯一解，而在分叉点上系统的演化却有多重解，意味着不确定性。复杂系统是经过多次分叉而产生的，每一次分叉都意味着复杂性增长。 二、循环 循环是周期性运动，而周期的嵌套和耦合不仅是运动转化的体现，也是形成层次结构的重要机制。使系统的发展在总的趋势上呈现出上升的特征。循环是系统联系的形式，也是系统发展的形式。 反应循环：酶的循环——自再生。 催化循环：反应循环的耦合，如DNA复制——自催化、自我复制。 超循环：催化循环的耦合，如噬菌体感染细胞——整合性，子系统的协同性，产物增长的快速性。 三、混沌 远离平衡态的系统经过无数次分叉就进入了决定性混沌。与平衡态混沌不同的是它是一种宏观无序而微观高度有序的状态。它是由系统内部的非线性机制自发产生的混沌。 吸引子是相空间中的一些点，或点的集合，它对动力学系统的运动轨迹具有吸引作用。 1。定点吸引子。例如受精卵的发育。 2。极限环吸引子。例如ATP、ADP此消彼长的运动轨迹。 3。奇异吸引子。对初始条件极为敏感的相空间中的分维体。自相似性是其典型特征。 第四章 自然界的自组织 第一节 时间之矢的和自然界演化的方向性 一、时间之矢的凸现 1。动力学中的时间： 牛顿力学方程中 ，时间以平方的形式出现，因此方向性被抹掉了。 相对论、量子力学在时间问题上都是反演对称的，因此也没有方向性。 2。热力学中的时间： 1822年傅里叶方程 指出， 只要存在着温度差，总有热流从高温物体传到低温物体，时间t反演不对称。 1824年卡诺原理：一定热量作功的上限是两个热源的温度差。 克劳修斯：热量不可能自动地从较冷的物体转移到较热的物体。 汤姆逊：从单一热源吸取热量使之完全变为有用的功而不产生其它影响是不可能的。 热力学第二定律：所有能量的转化都是不可逆的，孤立系统的熵总是趋于最大。 波尔兹曼关于熵的定义：S=klnW 爱丁顿：热力学第二定律“在自然定律中占有至高无上的地位” 二、可逆与不可逆 “可逆性佯谬”——动力学的时间是可逆的，而热力学的时间是不可逆的——谁反映了客观世界的本质？ 波尔兹曼：热力学第二定律只存在于宏观领域，是对大量粒子统计平均的结果。 量子力学：微观层次的随机性是客观存在的。 普里戈津：非平衡态热力学，发现时间内禀性——自然界中实际发生的过程都是不可逆的，可逆性只是相对的，有条件的。 三、不可逆与进化 克劳修斯与达尔文的矛盾： 概率论对熵进行的分析：系统的熵与对应的微观状态出现的概率成正比，熵值最大对应的就是对称性最大的状态，也是最无序的状态。 而生命现象是高度不对称的，即最有序的状态。生命的演化是不对称逐渐增加，有序性不断提高的过程。 物理学怎样解答进化过程？ 第二节 自组织的概念 一、自组织现象： 1。贝纳特对流： 水平容器中的薄层液体在加热到一定程度后产生规则的多边形图案。 1）加热导致有序运动 2）对流状态下液体分子形成统一行动 3）有序状态是突现而非逐渐形成。 2。激光：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation即受激辐射的光放大。 受激幅射是产生激光的首要条件。 工作物质必须具有亚稳态能级。这是产生激光的第二个条件。有些物质的电子被激发以后，处于第二能级E2的时间较长，仅次于基态能级E1。这个能级就叫做亚稳能级。 形成粒子数反转，使受激发射多于吸收。这是产生激光的第三个条件。 振荡腔是产生激光的第四个条件。其作用是使辐射频率单纯，方向集中。 光子在振荡腔中振荡具有放大效应，即一次产生的光子数多于损耗的光子数是产生激光的第五个条件。　　 3。贝洛索夫—萨波金斯基反应： 1）铈离子催化柠檬酸的溴酸氧化反应： 容器内混合物的颜色周期性在黄色与无色之间变换。——化学钟 2）铈离子催化丙二酸的溴酸氧化反应： 容器内混合物的颜色周期性在红色与篮色之间变换。容器的不同部位各种成分浓度不均匀分布。——化学波 二、自组织（Self-organization)概念： 组织：1）事物内部（及其与外部）按照一定的规则形成的特定结构和功能。 2）系统中的要素按照某种指令形成特定结构和功能的过程。——组织化 组织化的必要条件：——信息 自组织：系统的要素通过彼此的相干性、协同性或某种默契而形成的特定结构和过程。 自