二 现代系统理论及复杂性研究概述

现代科学技术飞速发展促进了学科间相互渗透与融合，最终人们跨越了“无机界”与“有机界”之间长久存在的天堑，建立起统一的理论。第一代系统论从系统的角度揭开了“有机生命体”的神秘面纱；第二代系统论进一步探求系统自组织的机制，直面系统的复杂性；第三代系统论对系统复杂性进行了新的建模，特别是圣菲学派以“复杂适应系统”为研究对象，其理论和建模方式独辟蹊径，为城市系统研究带来了新的曙光。这一发展过程代表了这一学科达到的三个梯级，系统论超越了还原论，而强调复杂性的复杂适应系统理论又超越了以往的系统论。而最近复杂网络理论的快速发展掀起了复杂适应系统理论研究新一轮的高潮。复杂网络作为复杂系统各主体相互作用的最简单的抽象，其对要素流动的网络结构的研究，有助于理解复杂系统组织演化和功能形成的基本机制。

（一）第一代系统理论：系统论、控制论和信息论的诞生

1．一般系统论：有机体的生命源自开放系统的涌现性

一般系统论（General System Theory）的诞生，源自近代西方生物学史上一场旷日持久的争论：机械论与活力论之争。机械论者将生命现象简化为物理化学反应，活力论则将生命现象神话为“超自然力”。直到1925年，英国数理逻辑学家、哲学家怀德海（North Whitehead）发表《科学与近代世界》，提出第三种理论——“机体论”。该理论成为“一般系统论”直接的思想来源。

贝塔朗菲（Von Bertalanffy）于1924~1928年提出将生物学中的有机体当作一个整体或系统来考虑。他从三个方面批判了生物学中的机械论：第一，简单相加的观点，把有机体分解为各种要素，并采用简单相加来说明有机体的属性；第二，把生命现象简单地比作机器，认为“人即机器”，用机械运动规律来说明生物运动；第三，被动反应的观点，认为有机体只有受到刺激时才会做出反应，否则就静止不动。

贝塔朗菲在《一般系统论》中提出有机的生命系统具有三大特性：一是系统性，即生命系统是“有组织的整体”（Organized Whole），具有涌现性；二是开放性，即生命系统的本质是开放系统；三是等级性，即各种有机体都按严格的等级组织起来，从活的分子到多细胞个体，再到超个体的聚合体，各层系统逐级组合起来，成为越来越高级、越来越庞大的系统。贝塔朗菲还提出生命现象的组织性、有序性和目的性，然而他没有对这些特性做出满意的回答。

2．控制论：“反馈”使机器系统具有人类特有的“目的性”

维纳（Norbert Wiener）创立的控制论（Cybernetics）研究的是自动控制系统，源自他在二战时期进行的火炮自动控制的研制。这种控制系统要根据周围环境的某些变化来决定和调整自己的运动，这是牛顿力学的传统方法无法解决的。维纳研究了随机过程的预测，又把理论在自动火炮上运用，为控制理论提供了数学方法，更为重要的是，他把火炮打飞机的动作与人类狩猎的行为作类比，从中发现了重要的“反馈”概念。他认识到稳定活动的方法之一，是把活动结果所决定的一个量作为信息的新调节部分反馈回控制仪器中。这个反馈的任何超域度，都由一个方向相反的校正活动来补偿。维纳、毕格罗和罗森博吕特三人于1943年发表《行为目的和目的论》，指出通过“反馈”, “目的性”行为这个生物所特有的行为可以赋予机器，从而突破了生命与非生命的界限。

3．信息论：明确定义了信息的概念，使信息量可以度量

二战期间和战后通信事业的迅猛发展直接推动了美国贝尔电话研究所的数学家申农（C. E. Shannon）创立信息论（Information Theory）。虽然信息论中系统构成要素仍然是无生命的机器或电子元件，但申农提出的通信、信息的概念以及信息模型被广泛应用于生物学、医学、仿生学和语言学等领域。

有系统就有信息，系统的组成部分之间、系统与环境之间都有信息的沟通、交换和使用。申农将两个系统之间的信息传递定义为“通信”，并指出“通信的基本问题就是精确地或近似地在一点复制另一点新选择的信号”。他把许多复杂的通信机构和过程简化为由信源、编码、信道、译码及信宿组成的信息的发送、传递、加工和接收系统（见图2-1）。

申农认为信源发出的信息具有不确定性，这是牛顿力学无法解决的问题，因此他把统计和概率观点引入通信理论，以概率论为基础重新定义了信息和信息量，并给出了信息量的精确数学表达式。申农和维纳还将信息与熵联系起来，提出信息是负熵，是系统组织程度、有序程度的度量的著名论断。

然而，第一代系统理论在社会经济领域的应用却没有那么成功。因为以控制论和信息论为代表的第一代系统理论中的“系统”是以机器为背景的，部分是完全被动的死的个体，其作用仅限于接收中央控制指令，完成指定的工作，任何其他动作或行为都被看作只起破坏作用的消极因素（噪音），在应当尽量排除之列。这既保证了它在工程领域的成功应用，也决定了它在生物、生态、经济和社会这类以“活的”个体为部分的系统中必然遇到困难。

（二）第二代系统理论：耗散结构论、协同论和超循环论的诞生

老子的自然哲学思想中将“自组织”描述为道法自然，是自然而然的。第二代系统理论的创立则要探究复杂系统中自组织的一般规律，其代表学者是普利高津、哈肯和艾根，代表学说是耗散结构论、协同论和超循环论。

1．耗散结构论：揭开不可逆的开放系统的演化方式

普利高津（Ilya Prigogine）是第一个使用“复杂性科学”概念的学者。与他同时代的物理、化学学者普遍将研究集中在可逆性，而把不可逆问题当作干扰和有害因素。普利高津敏锐地觉察到，时间是单向绵延、不可逆的，根据热力学第二定律（也称“熵增定律”），无机界随着时间的推移，只能走向熵增，即损耗、退化和热寂（平衡），而这与自然界是相悖的——自然界从无机物中发展出有机物和智慧生命，时间的不可逆带来的是革新、创造和新生。显然，解释这一现象需要建立新的科学范式。

普利高津认真总结了同时代许多领域中发现的能演化出有序结构的系统，提炼了四个概念：活的有序性结构、对称性破缺、自催化（或自组织）的非线性作用和分岔。他把由微观粒子的不停运动构成的需要外界不断供给物质和（或）能量来维持和发展的宏观稳定结构称为“耗散结构”，并建立了耗散结构的一般理论（Dissipative Structure Theory）。普利高津的研究揭开了自组织理论的序幕。它将科学研究的主题由存在推向过程，试图在基础水平上阐明进化与发展问题，揭示事物从无序到有序、从简单到复杂、从低级到高级的演变机制和规律。

2．协同论：寻求关于复杂系统自组织的普适理论

继耗散结构论之后，德国物理学家哈肯（H. Haken）又提出了协同论（Synergetics）。他通过多年对激光的研究，提出“激光模之间存在某种竞争关系，类似生物学中的达尔文主义”。他还发现如果总向激光器注入能量的话，它能够保持一种有序状态，即一种非常规则的光波。由此他认为激光像一种活的生物，只有在近乎连续地以食物的形式将能量输入其中时，才能维持生存。

他发现在用定量的数学模型表述时，普通灯光到激光的过渡与热力学中的相变存在极其优美的相似性，一些截然不同的领域却由同样类型的方程所支配。他认为这绝非偶然，这是这些问题背后有更为基本的原理在起作用，于是他提出“既然相变是热力学平衡系统中的普遍现象，为什么它不能同时也是存在于远离平衡态系统中的一个普遍现象呢？”对于这个问题的思考使他于1969年发表了一篇论文《协同学：一门关于协作的科学》，创立了协同论，引领不同学科的学者突破学科已有框架的限制，寻找决定着各种自组织过程的一般原理。

3．超循环论：以分子层面自组织进化揭示生命起源

在普利高津思想的影响及20世纪生物科学领域一次次大发现的支撑下，艾根（Manfred Eigen）向当时最重大的前沿问题之一进军，即“生命起源是如何实现从无机世界向有机世界的飞跃的”。他于1971年正式提出超循环理论（Hypercycle Theory），从分子层面自组织进化的角度解释了生命起源的奥秘。

艾根指出，在化学进化阶段与生物学进化阶段之间，有一个生物大分子的自组织阶段。他把蛋白质与核酸的循环过程当作一个基本单位，建立了超循环结构。这种结构本身是由数目不等的小循环组成的循环系统。系统中的催化功能具有“超循环”的性质，即各个自复制单元既能指导自己的复制，又对下一个中间产物提供催化帮助。只有这种超循环式的分子协同系统才能提高复制的精确度，适当地扩展结构的信息量，达到结构的稳定性，在竞争中产生“一旦出现，就永存下去”的选择行为，通过自组织形成原始生命信息结构。超循环理论指出了自组织系统演化的基本形式，使现代自组织理论得到丰富和发展。

与第一代系统理论相比，第二代系统理论所研究的系统不再是机械的系统，而是包含数量极大的个体，且这些个体本身具有自主、独立的运动特征，因此不可能实现“我推你动”的控制和管理，系统的随机性剧增。尽管这一阶段的研究对系统的理解更加深入，适用范围也更广，但系统中的个体像一群“乌合之众”，没有目的，不是具有自适应能力和学习智慧的主体，因而对经济、社会等人类深度参与的系统缺乏解释力。

（三）第三代系统理论：系统动力学与复杂适应系统理论

1．系统动力学：控制论的改进

维纳的控制论也被称为第一代控制论，其系统构成元素是无生命的机械元件，系统仍具有简单性。1956年，美国麻省理工学院的福瑞斯特教授（J. W. Forrester）汲取第一代控制论、系统论和信息论的精髓，提出了系统动力学理论（System Dynamics），也被视为第二代控制论，在其理论中信息反馈依然是一个核心机制，但元素已由机械拓展至人和动物等有适应能力的主体。系统动力学建立了一种“结构—功能”模拟的模型，可利用计算机进行定性与定量研究。

2．复杂适应系统理论：适应性造就复杂性

复杂性有很多层面，圣菲学派将其研究对象限定为围绕适应性的复杂性，他们认为：复杂性是生成的，不是给定的；复杂性生成的内因是系统或事物为了维持生存和求得发展而适应环境，在适应中涌现复杂性。“霍兰命题”将其概括为“适应性造就复杂性”。

圣菲学派继承了贝塔朗菲的遗志，围绕“涌现”来建立关于复杂性系统的理论和模型。约翰·霍兰提出的CAS理论中，对系统元素的刻画（或规定）与第一代、第二代系统理论完全不同，他创造了“适应性主体”（Adaptive Agent）这个概念，认为复杂适应系统的组成元素本身就是有智能的，而不是机器元件或细胞。这为建立概念上的模型和数学模型都提供了很大的方便——适应性主体能够聚集成更大的适应性主体，层层聚集，最终形成CAS。约翰·霍兰认为复杂适应系统同时具备7种特征——聚集特性、标识机制、非线性特性、流特性、多样性特性、内部模型机制和积木块机制，CAS理论以此为框架展开分析。

CAS理论突破了把系统主体当作被动对象的观念，十分强调主体的适应性，并从主体与环境的互动中去认识和描述复杂系统的行为，开辟了系统研究的新视野。适应性主体可以随着时间而不断进化，能够“学习”，这一观点使得CAS理论与以往的系统观有了根本性差别。