熵、信息与生物进化——布鲁克斯和威利学说简介

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加好友 发短信物理教与学版主 等级：版主帖子：25359积分：52523威望：10精华：3注册：2004-8-9 18:50:00	熵、信息与生物进化——布鲁克斯和威利学说简介 Post By：2010-8-31 11:35:00 　“迈向统一的生物学理论” 　　他们认为，要统一生物进化理论，必须提出共同背景的动力学和共同的流通“货币”（即公共的可比较的量），从而把各个功能层次上的现象作为更普遍现象的不同表现形式而联系起来。为此必须在生物进化与更普遍的自然规律间找到联系。生物进化是与时间相关的，以从旧的有序态中形成新的有序态为特征的过程。通常具有这种性质的系统要用统计力学或者非平衡态热力学来描述。对观测者而言，时间推移是通过各种类型的与时间相关的不可逆过程来表现的。据此，所有与时间相关的过程都显示熵性质，生物进化也应与熵有关。
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加好友 发短信物理教与学版主 等级：版主帖子：25359积分：52523威望：10精华：3注册：2004-8-9 18:50:00	Post By：2010-8-31 11:36:00 　“生物进化是个熵过程” 　　B.W.认为，科学概念的框架往往是由中心假说和与中心假说相关的辅助假说构成的。中心假说应给出概念框架所包含的基本事实，但由于它的简明性，难以直接验证。而统一于中心假说的各具体研究方面则形成一套可验证的辅助假说。生物进化的中心假说是“生物进化是个熵过程”。 　　B.W.解释说，在中心假说中特别强调熵和信息概念的重要性是因为：1）熵和信息为生物进化过程与物理定律之间提供了联系，这表明生物过程不受特殊的生物定律支配；2）熵和信息为生物系统内存在的某个内在的非随机因素驾驭进化变化提供了可能的证明方法；3）熵和信息为各辅助假说间提供了概念联系。
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加好友 发短信物理教与学版主 等级：版主帖子：25359积分：52523威望：10精华：3注册：2004-8-9 18:50:00	Post By：2010-8-31 11:36:00 　复杂性与组织化 　　复杂性与组织化是两个概念，一个复杂性高的系统不一定组织化高。同样一个组织化高的系统不一定复杂性也高。生物进化的特点是复杂性与组织化同时增加。目前普遍认为复杂性与熵有关，而组织化与信息有关。 　　一些学者在用熵和信息解释生物进化现象时，总是认为系统的最大可能熵Smax（即logW，W为微观状态数）不变（即W不变）。因此若系统的信息量I增加，则系统的实际熵（即观测熵）S必须减小，这是因为I的定义是I=Smax-S——(1)。由于Smax恒定，S与I不能同时增加，因而复杂性和组织化不能同时增加。而这是与一般情况下的生物进化不符的。其次是，按照这种关系，随着进化的发展，则系统的实际熵S在不断地减小，最后当S减小到零时，系统也就不再变化了，因而进化也就终止了。导致上述弊端的根本原因是认为Smax是恒定的，即最大限度微观状态是恒定的。如果假设Smax和S是随时间增加的，并且Smax增加的速率比S快，这样S和I就可以同时增加，因而复杂性和组织性也可以同时增加。
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加好友 发短信物理教与学版主 等级：版主帖子：25359积分：52523威望：10精华：3注册：2004-8-9 18:50:00	Post By：2010-8-31 11:37:00 　生物进化与宇宙进化 　　宇宙学家莱泽和弗洛奇认识，宇宙自大爆炸之日开始膨胀，最初阶段宇宙是热的气体，而当宇宙中的物质质量集结到足够大，以致万有引力作用不能忽略时，引力将影响正在膨胀中的宇宙，以致宇宙中的实际熵S的增加速率落后于最大可能熵Smax的增加速率。莱泽进一步认为，进化永远以相空间的增加为特征。在进化方面，生物系统与物理系统相似之处在于把生物系统视为膨胀着的宇宙系统。由于结构的实现落后于相空间的膨胀，因而熵（S）和有序（信息）同时增加。 　　若把上述宇宙进化中的熵变思想引用到生物进化中去，则进化中的内部遗传约束就相当于宇宙进化中的引力约束，它将使生物系统中实际发生的状态数比最大可能发生的状态数少，即实际熵比最大可能熵小。如果系统的最大可能熵增加速率大于实际熵增加速率，则熵（S）和信息（I）同时增加。B.W.进一步认为，当外因与进化世系不相抵触时，复杂性（熵）与组织化（信息）随时间同时增加，熵增加的速率将随时间趋于最小值，而组织化的程度将随时间趋于最大值，世系最大地变为自组织化。对作用于内部约束的外界因素来说生物系统将变为最佳适应状态。而外因将影响熵增加速率和组织化程度增加速率。
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Post By：2010-8-31 11:38:00 　两种进化模型比较 　　B.W.认为，边界条件模型与目前生物学中某些理论（如自然选择理论）较好的一致，但它没有找到进化机理。而初始条件模型与已有的遗传机理是一致的，但它不包括现代进化理论中的几个主要观点（虽然它没有拒绝这些观点的存在）。B.W.十分偏爱初始条件模型，并列出了优于边界条件模型的十大优点。现简述如下： 　　（1）它阐明了生物系统为何既可看做是决定的（受一定的历史与初始条件约束）又可看做是随机的（遗传是不完美的，因而有熵；边界条件也在影响进化）。这表明生物系统是决定性与非决定性相结合的系统，对进化的某些方面做出决定性预言是不可能的； 　　（2）它说明了进化为何是熵但又表现出好象是负熵的原因； 　　（3）它提供了一个共通量（宏观熵与宏观信息）和动力学过程，用以联系所有生物功能层次。并发现是信息确定结构，而不是能量确定结构； 　　（4）它找到了生物学中宏观行为的机制，并且这些机制在实验上被证实了； 　　（5）它阐明了生命物质自组织能力的由来是生物信息和生物信息与唯象信息的关系； 　　（6）它给出了生物学中组织化（与宏观信息相关）与复杂性（与观测熵相关）以及它们关系的协调性； 　　（7）它重申了历史和历史分析对进化物理学的重要性（因为历史约束就是初始条件约束），并给出了终极原因性的公理——历史决定内部的方向性，因而进化是内在非强加的过程； 　　（8）它属于历史结构主义理论，在对进化解释中没有令形态服从于功能。相反它预言生物进化过程中结构变化比功能变化更加经常发生。对每一时刻的现存态的进化解释必定是历史上已实现的其他态的延伸； 　　（9）它提供了一个新的“自然平衡”的观点。众所周知，生物系统是通过一些对立的力的平衡组合而组织化的。例如，突变是受到选择对抗的随机过程，繁殖可增大群体的规模，但受到竞争者的对抗。过去一些研究者认为，由于这些对立的力在同时起作用，生命系统处在精确的动态平衡之中，组织化由最强大的力决定，从而表现出适者生存的本质。而B.W.则认为这些力不是对立的，而是互补的。但又为何在表观上对进化的影响是对立的呢？这是因为组织化发生在用两个以不同速率进行的熵现象表征的任何系统中。从较快速率变化的熵现象角度看，速率较慢的现象似乎在做相反的运动，从而显示出对抗效应（正是由于这一点，B.W.把该模型视做相对论观点的模型）。例如与较高的突变率相对应的繁殖世系图中，相对较低的变化率似乎是在对抗有性繁殖系统中的突变效应。这是一种自然观的理论，即组织化来自对抗力的斗争结果，甚至可以说真实的对抗力正在瓦解。 　　（10）初始条件模型并不排斥边界条件模型能解释的现象，尽管不能给予这些现象以同样的含意。相反边界条件模型则排斥任何类型的初始条件约束。因而前者是更为普遍的理论。 　　B.W.认为，一种理论可以消亡也可以纳入更加普遍的新理论之中。由于生物进化一直在发生，选择与竞争也一直在影响生物进化，因而达尔文和新达尔文主义的理论不是虚假的，只是与他们提出的新理论相比不够完善，而且其理论框架又不允许它变得完善，因此可以把它视为新理论的特殊情况。