複雜科學

三十八億年前, 有機物大分子如何組成原始細胞, 開啟地球生命史頁? 在六億年前, 為什麼單細胞會開始結盟, 組成多細胞群, 進行協同合作, 共組個體生命, 開啟多細胞生命史頁? 眼睛或心臟這麼精巧複雜的結構, 只不過是演化過程中, 不斷try and error, 一連串偶發的意外事件嗎? 生命, 只是一種特別複雜的有機化學物質, 還是一種可能更微妙的東西呢? 除了達爾文想像的物競天擇外, 還有沒有其他什麼重要原則共同主導著生命的形成呢? 電腦病毒只是一種仿生物嗎, 還是基本上他也真的活著? 心智是什麼, 怎麼產生感覺, 思想, 意識? 地球蓋亞理論說, 地球是活的, 真有可能嗎? 在太陽極高溫度中, 有沒有可能演化出生命形式? 這些問題牽涉極廣, 這兩世紀以來, 成就非凡的主流化約科學, 面對這些問題, 也感到艱難以對, 苦無良策. 令一些科學家們企圖轉向以非線性系統為軸心的複雜科學, 試圖來理解其過程.

複雜科學是針對化約科學而來. 所謂化約科學, 是把事物拆解成更小的部分, 認為了解所有零組件, 就能夠了解整體. 所以把物質分解成原子/基本粒子, 一直努力於把系統拆解為小的組成, 再把小組成拆解為基本元件. 認為了解了原子, 就能夠了解分子, 也就能夠了解細胞, 從而了解生命與更大的組織. 西方文明非常擅長此拆解技術, 而且也是這樣認為. 在這兩世紀的科學成就非常大, 以至於時常忘記把這些拆解的細部重新組合起來看看有沒有遺漏什麼. 複雜科學, 也可稱為系統科學, 強調整體大於部分總和. 由元件組成系統時, 會衍生出額外的性質, 是原來元件所沒有的, 這是新的系統性質, 稱為突現: emerge. 化約科學拆解系統成為基本元件時, 會將這些系統性質湮滅, 因而無法發現而被忽略. 中西醫的差別, 在這裡凸顯. 西醫強調分科/分器官, 分解了解人體結構, 以靜態結構看待人體. 認為分科了解了, 就能完美地處理人的健康與疾病. 中醫強調整體身心狀態, 了解整體狀態與進行過程, 以動態流動性看待人體. 複雜科學強調的另一個特性是, 遠離平衡區時, 系統所具有的非線性特徵會顯現出來, 主導系統行為. 原本在化約科學講究簡單(簡化), 以分析簡單的線性特徵為主. 而當系統遠離平衡狀態時, 非線性特徵都跑出來了, 成為主角, 不可被忽略. 第三個特性是混沌現象. 在遠離平衡區, 系統的非線性特徵有一個重要現象: 混沌. 科學家發現若持續供給所需能量, 在混沌邊緣會自己產生秩序: 自組織現象. 這現象直觀上相當違反熱力學理論. 這是混沌系統的能力, 也是生命能力的來源. 生命與人體, 屬於這種遠離平衡態的非線性系統自組織現象. 這裡面的學問, 陸續被耕耘出來.

歐洲系統學派, 興起於20世紀6,70年代, 出現幾位大師. 而美國自80年代, 由數位諾貝爾獎得主成立聖塔菲研究院(1984/5月成立)推動複雜科學, 漸漸地, 混沌系統中的耗散結構與自組織現象, 遠離平衡區的非線性特質和轉化機理, 開始被人認識. 複雜科學以遠離平衡的非線性系統為研究對象, 具有許多獨特性質, 是線性系統與化約科學所忽略的. 這將開啟人類科學理解宇宙事物的新頁.

所謂非線性系統, 說的是系統的兩個解的線性組合, 不一定仍是系統的解, 而且通常不是. 非線性系統解的典型型式, 有迴圈, 有吸引子, 有決定性混沌等特徵. 話說簡單的動力系統, 在初始值有一個小變化時, 最終值也只是微小變化, 這是傳統簡單系統, 特別是線性系統都如此. 以往科學家喜歡用微擾分析, 就是取這個性質, 特別在微分方程很難解的時候. 量子力學主張線性規範, 也特愛微擾分析. 不過, 如果初始是在系統的稜線附近, 當初始值的一個小變化, 很可能造成最終值的巨大差異, 這就是決定性混沌. 分岔點, 常是決定性混沌所在的稜線. 有名的氣象學上蝴蝶效應, 就是這種決定性混沌現象.

科學家發現在自然界中, 許多物理現象, 化學現象, 生態現象, 生物現象, 以至於人類的心智活動, 社會活動, 經濟活動, 文化活動, 等等, 都是非線性, 他們的系統動力學都需要用非線性方程來描述. 在許多物理系統, 化學系統中, 以往我們熟悉的化約科學, 常是以線性方程來近似, 以簡化分析的高難度, 因而呈現出簡潔的線性定律. 這在動力平衡區附近可適用, 非線性特徵不明顯可忽略. 這在數學原理中, 有很清楚的說明. (作者猜測, 牛頓引力場論與愛因斯坦廣義相對論對水星軌道攝動現象預測的差距, 應該是來自線性與非線性的精度, 而非理論本身. 若果真如此, 牛頓引力場論與愛因斯坦時空引力論, 應該是等效的不同表述法.)

科學家也發現許多生化過程都是非線性系統, 並且存在振盪極限迴圈(limit cycle), 這對於生命現象具有重要意義: 生命需要用非線性系統來描述, 而極限迴圈可能代表某種生命狀態或過程. 非線性方程可以到達很高的冪次, 就看我們要分析到哪個精準程度.

伊里亞普里戈金(比) Ilya Prigogine, 正是不滿足化約科學的科學家之一, 轉而主張統合系統理論. 他研究開放系統在遠離平衡的非線性區, 從混沌向有序轉化的機理. 普里戈金發現, 在遠離平衡態的條件下, 作為玻茲曼熱力學有秩性原理的基礎機率不再成立, 也就是熱力平衡結構(equilibrium structures)會解體, 接著出現混沌現象. 然後意外的發現又有一種新的有序結構出現, 他稱這種有序結構為耗散結構(dissipative structures). 這是一個前所未有的新發現: 在遠離平衡態的非線性區, 超出熱力學的不穩定點後, 平衡結構解體, 出現混沌現象. 之後, 竟然會再出現有序位形. 普里戈金的新發現: 一個開放系統與環境互動, 從平衡態進入非平衡態, 發生混沌之後, 又再次形成有序, 這是新的動力學態: 混沌邊緣的耗散結構, 另一種有序結構的源頭. 這發現, 對古典熱力物理的挑戰與開拓, 有如量子力學對古典牛頓力學的挑戰/開拓般, 同樣的擲地有聲. 如同量子力學, 耗散結構為系統學開拓了新大陸. 對於現代科學的衝擊, 應該又有了另一起的新風貌.

耗散結構的發現, 讓伊里亞普里戈金獲得1977年諾貝爾化學獎. 耗散結構的重要貢獻, 在發現了有序的新大陸. 此理論可能直接提示: 各種生物體, 與其組織器官高度有序的結構, 是生物體在發育過程中, 不斷與周圍環境交換物質, 交換能量, 交換訊息, 在非平衡條件下, 通過分岔這種非平衡相變, 促使對稱破缺, 所形成的耗散結構自組織現象. [物理現象, 三態(固液氣)變化, 是平衡相變.]

賓果~ 這個耗散結構新發現, 可以讓我們從化約科學中脫困, 嘗試回答前面那些疑難問題.

所有的生物, 都是一種耗散結構. 在遠離平衡的狀態, 才能維持這種結構存在. 能量流可以讓生物在非平衡態的混沌邊緣, 自行組織起來. 耗散結構相當於一種超分子組織形式, 它們不再以個別分子呈現(區域性), 而有一種全域性的表現. 系統參數成為宏觀參數, 空間和時間上的表現, 也成為宏觀整體. 也就是說系統突現出宏觀參數, 系統各成分結合在一起, 表現出共同的特性. (這點有些與量子糾纏有相當的異曲同工: 不同因, 相同果.)

普里戈金對生物系統的研究, 有別於分子生物學的微觀路線. 他從大尺度將許多變量耦合起來, 嘗試獲得生物系統某些宏觀性質的圖像. 普里戈金堅定相信, 有序和結構, 可以通過自我組織的過程, 從無序和混沌中, 自動產生出來. 而生物有序, 是呈現各種自組織花樣和相干行為系統的原型, 他具有以長期演化所獲得的結構和功能的形式, 保存和傳遞信息的獨特本領, 物質高度不均勻分布與複雜反饋. 生命, 是以不可逆過程與有記憶活動為基礎. 這個手, 隱約看到, 似乎可以探進生物演化, 胚胎發育, 免疫系統發展, 大腦神經結構, 甚至思想形成. 他繼諾貝爾獎的光環, 運用耗散結構, 有更大的野心: 用大尺度模型, 將許多分子生物學微觀層的變量耦合起來, 試圖獲得宏觀圖像的一般性推廣. 企圖建立一種複雜系統非平衡區自組織現象的統一表述法, 成為研究生命現象的定則.

尼克連恩繼承這種主張, 在研究生命起源和活著是什麼(What is living not what is life)的主題中, 以粒線體, TCA循環, 和質子動力說為基礎, 提出生命大能量理論(2015). 主張生命起源是由不平衡狀態的能量流動所驅動, 因而產生了結構, 典型的耗散結構. 這種能量流動的生化過程, 被稱為向量化學. 尼克連恩主張, 生命是在動態不平衡中產生出來的, 足夠的能量流和物質流讓生物自己將零件組織起來. 話說, 研究海底環境, 到1977年科學家在太平洋底加拉巴哥裂谷, 首次由熱羽流現象追蹤發現海底熱泉, 意外發現到熱泉竟可以滋養著豐富的動物群, 如同熱帶雨林和珊瑚礁叢一樣. 其中最引人注意的是那個熱泉噴發口形成高幾十公尺的黑煙囪, 這發現震驚學界. 熱泉由此煙囪口噴出, 噴發高達攝氏三四百度的酸性熱泉, 遇海水而冷卻. 目前發現三大洋洋脊, 分布有兩百多個這種熱泉噴發黑煙囪. 科學家進一步發現, 細菌(硫細菌)利用噴發口冒出來的硫化氫氧化產生能量, 形成供應熱泉世界生命的基礎(並不利用熱泉噴發的高熱做為能量來源). 科學家們開始懷疑, 或許熱泉世界與生命起源有很大關聯. 不過這兒有個大問題, 氧氣是光合作用產生出來的. 40億年前, 還沒有生命世界, 還沒有光合作用, 也還沒有充滿氧氣的地球. 德國一位演化生物化學教授瓦赫特紹澤Gunter Wachtershauser於1988~1992以一系列論文,提出鐵硫世界假說. 利用鐵硫礦催化, 在厭氧環境下合成有機分子(胺基酸). 鐵硫世界理論提出「代謝」先於「遺傳」的創新假設, 與RNA世界假說對比並列, 形成新的生命起源理論. 鐵硫世界改變了我們對生命起源的主流看法. 不過, 黑煙囪的鐵硫世界, 與RNA世界假說一樣, 仍存在一些難以克服的困難. 最重要的是黑煙囪不穩定, 只能生長十幾年就崩塌了, 科學家認為時間太短, 不足以創造出生命. 同一時期, 也是1988~1992年期間, 一位美國地質化學家羅謝爾Michael J. Russell也發表一系列論文, 完全根據地質化學理論的推測, 提出鹼性溫泉世界, 有別於酸性熱泉世界, 並且推測這種鹼性世界, 有非常精緻的自然蛇紋岩化的海綿狀結構, 允許熱泳過程, 濃縮有機分子. 這樣精緻的鹼性溫泉, 比起粗糙的酸性熱泉, 更有利於生命創生. 這個假想環境, 終於在2000年於大西洋中洋脊約16公里處被發現, 後來稱為失落的城市, 從此科學家們開始認真對待羅謝爾的理論. 失落的城市精緻的海綿狀結構加上熱泳效應, 空間尺度與真正的細胞相當, 可以構成天然的礦物細胞. 尼克連恩支持這種鹼性溫泉礦物細胞主張, 他以質子動力說的能量基礎, 在溫泉非熱力平衡環境的物質與能量流, 用耗散結構遠離平衡態的自組織行為, 來建構這種生命起源的演化活動. 將演化分成三個階段: 第一階段, 精緻海綿狀結構的隔離效用, 讓鹼性溫泉形成的質子梯度可以發揮能量幫浦的功能, 進行化學活動, 形成簡單有機分子, 再經過熱泳濃縮, 成為生物化學的起源. 第二階段, 在海綿微孔結構中, 形成簡單而脆弱的礦物細胞耗散結構. 這種耗散結構, 是物質自組織的本性, 不需要遺傳做基礎, 還沒有複雜到需要訊息指導. 這種耗散結構, 需要持續的能量流入來維持結構. 因為耗散結構不斷耗散能量, 若能量不再流入(基於匱乏或受阻), 系統漸趨於熱力平衡, 耗散結構也就冰消瓦解了. 第三階段, 有機分子聚集愈來愈大, 自我複製開始形成, 開始需要訊息指導的加入. 這時銜接上RNA世界假說, 前遺傳物質出現.

我們追隨這主張, 繼續往下說. 分岔bifurcation, 是非線性系統重要的特徵. 非線性系統在分岔點兩邊, 處於不同相(phase)中. 通常的物質系統多處於力學平衡態中, 可由線性近似來描述. 當系統軌跡經過分岔點, 原來熱力學平衡態在參數的一側失去穩定, 新出現一種非平衡態. 所以可以宣稱, 非線性系統的分岔現象, 是一種非平衡相變, 將造成熱力學平衡的對稱性破壞, 產生時間有序結構(振盪), 或空間有序結構. 這種耗散結構, 是分岔引起對稱破缺形成的. 生物各種組織和器官, 以至於生物體本身, 是不斷與周圍環境交換能量和物質的非平衡條件下, 通過分岔, 非平衡相變, 引起對稱破缺, 發育而成的耗散結構. 生物胚胎的發育過程如此, 生物物種的演化過程也如此, 人體的免疫系統發展過程, 大腦神經氣候形成, 人腦思考發展過程, 意識形成過程, 心智演化, 心靈演化, 可能都可以用這理論闡釋推演. 這是一個很有可為的方向.

作者更猜測, 有序結構是多重性. 熱力平衡結構是線性有序, 第一有序態; 耗散結構是非線性有序, 第二有序態; 可能存在第二非線性有序, 第三非線性有序, 的一連串跨越區域的有序序列, 形成一序列的動力學有序物態. 我們地球人類的科學, 對於非線性非平衡態, 才剛開始了解. 其中, 系統聯結可能會蹦出/突現新的有序態: 第三有序態, 第四有序態, 第五有序態, 是由系統聯結創造的.

生物物理學張長琳教授, 研究人體經絡, 提出經絡是人體內電磁場形成的駐波式耗散結構(2010). 認為經絡不是靜態組織, 而是一種能量場分布, 一種體內能量流構成的動態耗散結構, 直接應用耗散結構理論於生物/人體中醫研究. 張教授也研究傳統氣功和內丹修練. 他知道, 中國的氣功師和內丹家是以自己的身體作為實驗對象和儀器, 來了解人體的真相, 是一種很高階文化的探索行為. 他以敬重的態度, 深入研究分析這些文化蘊涵. 他提出假說: 丹田是一種場, 丹田和脈輪, 是能量波聚焦中心. 這個假說, 值得參考.

醫學物理劉秉正教授研究非線性動力學與混沌. 他指出(1994), 生命體的某些節律現象, 可能和生化過程的振盪極限迴圈有關. 例如可興奮細胞非常普遍, 在動植物身上的各系統, 常有他們的蹤跡. 如動物的神經軸突, 肌肉的動作, 感覺的傳遞, 心臟的脈搏, 血管收縮, 便是依賴細胞的可興奮性質. 心肌更為特殊, 不需要外在刺激, 可以自發的交替處於靜止和興奮狀態, 這稱為自動興奮細胞. 這些現象, 可能可以用非線性系統振盪極限迴圈來解釋.

赫爾曼哈肯(德)研究系統學, 同樣把注意力集中在自組織這個方向. 他於1977年提出協同學synergetics觀念, 強調系統組件之間透過協調合作, 產生宏觀尺度的空間性與時間性的功能結構. 這些結構, 是組件之間的合作, 協調一致, 所創造出來的系統宏觀特質. 他研究的範圍廣大, 物理流體, 激光, 等離子體, 化學, 生物形態, 物種演化, 胚胎發育, 免疫系統發展, 腦神經連結, 生態, 工程, 計算機科學, 經濟, 社會, 幾乎無所不包. 從物質世界的結構形成, 到精神世界的結構形成, 企圖找尋一個統一的條件和規律, 描述系統的組件之間如何協調合作, 形成結構. 他認為這中間, 存在著一般性泛宇宙的抽象原理, 適用於各種系統. 這種綜合效果synergy, 從組件間之合作產生, 縱貫物質到精神, 心靈與社會組織, 有一種共同的條件和規律. 他使用嚴謹的數學抽象能力, 進行研究.

哈肯的兩個假說, 強而有力. 首先, 組件之間的合作, 產生系統綜效, 創造出宏觀特質. 運用這個理論來解釋耗散結構, 由混沌中再次產生有序的自組織行為, 似乎自然而順利. 其次, 這種協同產生系統綜效, 是泛宇宙共同的原理, 適用於各種層級, 適用於所有時空. 協同學推展的領域極廣, 當我們於特殊領域思索問題遭遇瓶頸時, 可以嘗試借助另一領域的例子來解決困境. 當我們於某一特殊領域有所發現時, 也可以順勢推廣到其他領域. 綜效研究, 在今日的經濟學, 社會學, 企業管理等領域, 被大力推廣與應用, 是個相當成功的理論. 今日企管經營的策略規劃, 非常擅用綜效, 併購普遍流行, 也是綜效策略的影響.

對於由大量子系統構成的巨大系統來說，基本動力方程包含的變數數目極大，也就是基本動力方程的維數非常高。要處理這樣高維的方程，目前人類的數學分析與計算能力, 實際上還遠遠不可能的。因此，如何對維數極高的基本動力方程進行簡化，以適當的低維方程近似描述原來系統，便成為一個重要技巧。協同學的伺服原理, 提供可行技巧, 包括中心流形定理center manifold.

再一方面, 曼福雷德艾根Manfred Eigen(德)(1967年諾化得主), 從快速化學反應研究的光環, 走向前生物大分子的演化研究, 探討生命起源. 於1971年正式提出超循環論Hypercycle. 在60年代分子生物學誕生後, 探索生命起源問題上, 遭遇蛋白質與核酸誰先誰後的問題. 這個先有核酸還是先有蛋白質的問題, 可以更抽象的提問: 先有信息還是先有功能, 這又是另一個雞與雞蛋的問題. 艾根在超循環論文中指出, 生命起源的這個在先, 是指因果關係上的, 不是指時間順序上的. 而事實上, 在因果關係上的在先問題, 不是一個科學問題, 而是一個偽問題. (雞與雞蛋也是一個假問題, 雞與雞蛋是一起出現的.) 時間順序上的在先問題, 需要實驗與適時考古來證明.) 他們(信息與功能)應該不是簡單的因果關係, 而是有一種雙向的因果關係, 是一種互為因果的封閉循環. (核酸和蛋白質的相互作用引發的循環, 是一個高等級的複雜組織, 循環中有循環, 艾根稱為超循環Hypercycle: 反應循環和催化循環共組的超循環. 這在生物大分子演化中, 扮演重要角色, 說明了前生物的演化如何進行. 前生物的超循環對生物的多樣性和統一性的關係, 也提出合理解釋. 艾根認為, 這種統一性很難想像是一下子形成的, 除非是一次巨大的創世活動的結果. 他認為生命起源是逐步漸進的, 演化應該可以大段分成: 化學演化階段; 分子自組織演化階段; 生物學演化階段. 超循環演化起於隨機過程. 雖是機率事件, 不是決定論, 不過, 當條件具備時, 卻是不可避免的. 艾根將物競天擇和協同整合聯繫起來. 超循環組織, 是一個遠離平衡的開放系統, 既競爭又協同, 既隔離又整合, 從而選擇與演化. 這些對超循環組織的演化, 是同等重要的. 超循環理論在分子層次上, 把競爭和協同結合起來. 他並將超循環論推廣到神經組織和社會組織.

超循環是一個自組織的重要原理, 用來探討生命起源, 神經組織, 免疫系統, 社會組織, 都非常強固有力. 其中, 也主要使用非線性微分方程這個數學工具. 我們得了解, 艾根的超循環, 是與耗散結構, 協同學同時形成提出的, 沒有先後應承的關係. 卻在理論上, 相互支持的關係非常強固. 這三大理論, 可以結盟構成一個強固的自組織結構原理, 用以解釋包含生命在內的宇宙自組織現象.

耗散結構, 協同學, 與超循環論, 是三種非平衡系統自組織理論, 獨立發展而成.皆使用非線性微分方程數學, 在複雜性研究領域, 建立系統科學的重要里程. 共同建構自組織三大原理: 耗散結構, 協同原理, 超循環論. 從以上這些理論, 我們對生命是什麼/如何形成, 會有比較合理圓孰的理解. 若連結耗散結構, 協同學, 與超循環論, 自組織三大原理, 來擴充解釋尼克連恩的生命理論, 將更形完整. 能量流動產生超循環自組織的耗散結構, 協同合作, 持續演化. 艾根的超循環論和尼克連恩的生命大能量理論, 幾乎是相同的見解, 只是尼克連恩能量理論更多接近前段生物大分子演化, 而超循環論更多接近後段前細胞演化. 兩者結合, 當可完成前生物演化的故事, 並有實驗與事實佐證. 從這條線走下去, 生命科學有可能翻新一頁. 我們將站在前人的肩膀上, 繼此, 來發展人體生命系統的理論.