二 現代系統理論及復雜性研究概述

現代科學技術飛速發展促進了學科間相互滲透與融合，最終人們跨越了“無機界”與“有機界”之間長久存在的天塹，建立起統一的理論。第一代系統論從系統的角度揭開了“有機生命體”的神秘面紗；第二代系統論進一步探求系統自組織的機制，直面系統的復雜性；第三代系統論對系統復雜性進行了新的建模，特別是圣菲學派以“復雜適應系統”為研究對象，其理論和建模方式獨辟蹊徑，為城市系統研究帶來了新的曙光。這一發展過程代表了這一學科達到的三個梯級，系統論超越了還原論，而強調復雜性的復雜適應系統理論又超越了以往的系統論。而最近復雜網絡理論的快速發展掀起了復雜適應系統理論研究新一輪的高潮。復雜網絡作為復雜系統各主體相互作用的最簡單的抽象，其對要素流動的網絡結構的研究，有助于理解復雜系統組織演化和功能形成的基本機制。

（一）第一代系統理論：系統論、控制論和信息論的誕生

1．一般系統論：有機體的生命源自開放系統的涌現性

一般系統論（General System Theory）的誕生，源自近代西方生物學史上一場曠日持久的爭論：機械論與活力論之爭。機械論者將生命現象簡化為物理化學反應，活力論則將生命現象神話為“超自然力”。直到1925年，英國數理邏輯學家、哲學家懷德海（North Whitehead）發表《科學與近代世界》，提出第三種理論——“機體論”。該理論成為“一般系統論”直接的思想來源。

貝塔朗菲（Von Bertalanffy）于1924~1928年提出將生物學中的有機體當作一個整體或系統來考慮。他從三個方面批判了生物學中的機械論：第一，簡單相加的觀點，把有機體分解為各種要素，并采用簡單相加來說明有機體的屬性；第二，把生命現象簡單地比作機器，認為“人即機器”，用機械運動規律來說明生物運動；第三，被動反應的觀點，認為有機體只有受到刺激時才會做出反應，否則就靜止不動。

貝塔朗菲在《一般系統論》中提出有機的生命系統具有三大特性：一是系統性，即生命系統是“有組織的整體”（Organized Whole），具有涌現性；二是開放性，即生命系統的本質是開放系統；三是等級性，即各種有機體都按嚴格的等級組織起來，從活的分子到多細胞個體，再到超個體的聚合體，各層系統逐級組合起來，成為越來越高級、越來越龐大的系統。貝塔朗菲還提出生命現象的組織性、有序性和目的性，然而他沒有對這些特性做出滿意的回答。

2．控制論：“反饋”使機器系統具有人類特有的“目的性”

維納（Norbert Wiener）創立的控制論（Cybernetics）研究的是自動控制系統，源自他在二戰時期進行的火炮自動控制的研制。這種控制系統要根據周圍環境的某些變化來決定和調整自己的運動，這是牛頓力學的傳統方法無法解決的。維納研究了隨機過程的預測，又把理論在自動火炮上運用，為控制理論提供了數學方法，更為重要的是，他把火炮打飛機的動作與人類狩獵的行為作類比，從中發現了重要的“反饋”概念。他認識到穩定活動的方法之一，是把活動結果所決定的一個量作為信息的新調節部分反饋回控制儀器中。這個反饋的任何超域度，都由一個方向相反的校正活動來補償。維納、畢格羅和羅森博呂特三人于1943年發表《行為目的和目的論》，指出通過“反饋”, “目的性”行為這個生物所特有的行為可以賦予機器，從而突破了生命與非生命的界限。

3．信息論：明確定義了信息的概念，使信息量可以度量

二戰期間和戰后通信事業的迅猛發展直接推動了美國貝爾電話研究所的數學家申農（C. E. Shannon）創立信息論（Information Theory）。雖然信息論中系統構成要素仍然是無生命的機器或電子元件，但申農提出的通信、信息的概念以及信息模型被廣泛應用于生物學、醫學、仿生學和語言學等領域。

有系統就有信息，系統的組成部分之間、系統與環境之間都有信息的溝通、交換和使用。申農將兩個系統之間的信息傳遞定義為“通信”，并指出“通信的基本問題就是精確地或近似地在一點復制另一點新選擇的信號”。他把許多復雜的通信機構和過程簡化為由信源、編碼、信道、譯碼及信宿組成的信息的發送、傳遞、加工和接收系統（見圖2-1）。

申農認為信源發出的信息具有不確定性，這是牛頓力學無法解決的問題，因此他把統計和概率觀點引入通信理論，以概率論為基礎重新定義了信息和信息量，并給出了信息量的精確數學表達式。申農和維納還將信息與熵聯系起來，提出信息是負熵，是系統組織程度、有序程度的度量的著名論斷。

然而，第一代系統理論在社會經濟領域的應用卻沒有那么成功。因為以控制論和信息論為代表的第一代系統理論中的“系統”是以機器為背景的，部分是完全被動的死的個體，其作用僅限于接收中央控制指令，完成指定的工作，任何其他動作或行為都被看作只起破壞作用的消極因素（噪音），在應當盡量排除之列。這既保證了它在工程領域的成功應用，也決定了它在生物、生態、經濟和社會這類以“活的”個體為部分的系統中必然遇到困難。

（二）第二代系統理論：耗散結構論、協同論和超循環論的誕生

老子的自然哲學思想中將“自組織”描述為道法自然，是自然而然的。第二代系統理論的創立則要探究復雜系統中自組織的一般規律，其代表學者是普利高津、哈肯和艾根，代表學說是耗散結構論、協同論和超循環論。

1．耗散結構論：揭開不可逆的開放系統的演化方式

普利高津（Ilya Prigogine）是第一個使用“復雜性科學”概念的學者。與他同時代的物理、化學學者普遍將研究集中在可逆性，而把不可逆問題當作干擾和有害因素。普利高津敏銳地覺察到，時間是單向綿延、不可逆的，根據熱力學第二定律（也稱“熵增定律”），無機界隨著時間的推移，只能走向熵增，即損耗、退化和熱寂（平衡），而這與自然界是相悖的——自然界從無機物中發展出有機物和智慧生命，時間的不可逆帶來的是革新、創造和新生。顯然，解釋這一現象需要建立新的科學范式。

普利高津認真總結了同時代許多領域中發現的能演化出有序結構的系統，提煉了四個概念：活的有序性結構、對稱性破缺、自催化（或自組織）的非線性作用和分岔。他把由微觀粒子的不停運動構成的需要外界不斷供給物質和（或）能量來維持和發展的宏觀穩定結構稱為“耗散結構”，并建立了耗散結構的一般理論（Dissipative Structure Theory）。普利高津的研究揭開了自組織理論的序幕。它將科學研究的主題由存在推向過程，試圖在基礎水平上闡明進化與發展問題，揭示事物從無序到有序、從簡單到復雜、從低級到高級的演變機制和規律。

2．協同論：尋求關于復雜系統自組織的普適理論

繼耗散結構論之后，德國物理學家哈肯（H. Haken）又提出了協同論（Synergetics）。他通過多年對激光的研究，提出“激光模之間存在某種競爭關系，類似生物學中的達爾文主義”。他還發現如果總向激光器注入能量的話，它能夠保持一種有序狀態，即一種非常規則的光波。由此他認為激光像一種活的生物，只有在近乎連續地以食物的形式將能量輸入其中時，才能維持生存。

他發現在用定量的數學模型表述時，普通燈光到激光的過渡與熱力學中的相變存在極其優美的相似性，一些截然不同的領域卻由同樣類型的方程所支配。他認為這絕非偶然，這是這些問題背后有更為基本的原理在起作用，于是他提出“既然相變是熱力學平衡系統中的普遍現象，為什么它不能同時也是存在于遠離平衡態系統中的一個普遍現象呢？”對于這個問題的思考使他于1969年發表了一篇論文《協同學：一門關于協作的科學》，創立了協同論，引領不同學科的學者突破學科已有框架的限制，尋找決定著各種自組織過程的一般原理。

3．超循環論：以分子層面自組織進化揭示生命起源

在普利高津思想的影響及20世紀生物科學領域一次次大發現的支撐下，艾根（Manfred Eigen）向當時最重大的前沿問題之一進軍，即“生命起源是如何實現從無機世界向有機世界的飛躍的”。他于1971年正式提出超循環理論（Hypercycle Theory），從分子層面自組織進化的角度解釋了生命起源的奧秘。

艾根指出，在化學進化階段與生物學進化階段之間，有一個生物大分子的自組織階段。他把蛋白質與核酸的循環過程當作一個基本單位，建立了超循環結構。這種結構本身是由數目不等的小循環組成的循環系統。系統中的催化功能具有“超循環”的性質，即各個自復制單元既能指導自己的復制，又對下一個中間產物提供催化幫助。只有這種超循環式的分子協同系統才能提高復制的精確度，適當地擴展結構的信息量，達到結構的穩定性，在競爭中產生“一旦出現，就永存下去”的選擇行為，通過自組織形成原始生命信息結構。超循環理論指出了自組織系統演化的基本形式，使現代自組織理論得到豐富和發展。

與第一代系統理論相比，第二代系統理論所研究的系統不再是機械的系統，而是包含數量極大的個體，且這些個體本身具有自主、獨立的運動特征，因此不可能實現“我推你動”的控制和管理，系統的隨機性劇增。盡管這一階段的研究對系統的理解更加深入，適用范圍也更廣，但系統中的個體像一群“烏合之眾”，沒有目的，不是具有自適應能力和學習智慧的主體，因而對經濟、社會等人類深度參與的系統缺乏解釋力。

（三）第三代系統理論：系統動力學與復雜適應系統理論

1．系統動力學：控制論的改進

維納的控制論也被稱為第一代控制論，其系統構成元素是無生命的機械元件，系統仍具有簡單性。1956年，美國麻省理工學院的福瑞斯特教授（J. W. Forrester）汲取第一代控制論、系統論和信息論的精髓，提出了系統動力學理論（System Dynamics），也被視為第二代控制論，在其理論中信息反饋依然是一個核心機制，但元素已由機械拓展至人和動物等有適應能力的主體。系統動力學建立了一種“結構—功能”模擬的模型，可利用計算機進行定性與定量研究。

2．復雜適應系統理論：適應性造就復雜性

復雜性有很多層面，圣菲學派將其研究對象限定為圍繞適應性的復雜性，他們認為：復雜性是生成的，不是給定的；復雜性生成的內因是系統或事物為了維持生存和求得發展而適應環境，在適應中涌現復雜性。“霍蘭命題”將其概括為“適應性造就復雜性”。

圣菲學派繼承了貝塔朗菲的遺志，圍繞“涌現”來建立關于復雜性系統的理論和模型。約翰·霍蘭提出的CAS理論中，對系統元素的刻畫（或規定）與第一代、第二代系統理論完全不同，他創造了“適應性主體”（Adaptive Agent）這個概念，認為復雜適應系統的組成元素本身就是有智能的，而不是機器元件或細胞。這為建立概念上的模型和數學模型都提供了很大的方便——適應性主體能夠聚集成更大的適應性主體，層層聚集，最終形成CAS。約翰·霍蘭認為復雜適應系統同時具備7種特征——聚集特性、標識機制、非線性特性、流特性、多樣性特性、內部模型機制和積木塊機制，CAS理論以此為框架展開分析。

CAS理論突破了把系統主體當作被動對象的觀念，十分強調主體的適應性，并從主體與環境的互動中去認識和描述復雜系統的行為，開辟了系統研究的新視野。適應性主體可以隨著時間而不斷進化，能夠“學習”，這一觀點使得CAS理論與以往的系統觀有了根本性差別。