秩序与结构如何从混沌中涌现

当代复杂系统理论中一个非常重要的方面，是对“涌现”(emergence)的研究。而涌现中最重要的课题，可能就是所谓“秩序”（或结构）的形成；它是极度混乱状态——混沌的对立面。

达尔文：进化论与自然选择

复杂系统最重要的研究对象就是生命或生物。相对于自然界基本元素和其相互作用规则的简单性，生命这种高度复杂的事物的存在，看起来是一种奇迹。对于从远古到现实，从简单到复杂的生物品种分布，达尔文带来了物种演进的全新视角：进化论；并且认为自然选择是生物进化的基本动力与途径。“选择”(selection)这个词通常联系着一个实施主体。“自然选择”(natural selection) 这个词语在早期神创论中就被使用，但在达尔文这里，“自然”的含义是纯粹、无保留的：它是有差异的生物个体在自然环境里的生存竞争、优胜劣汰——最终“适者生存”。

达尔文进化论看上去符合大量人类对于自然界生物的观察结果，但仍然有许多难以解决的问题。例如，仅仅依赖于随机组合、突变和自然选择，地球上的高级生物似乎不大可能产生：因为仅仅依靠这样的选择机制，形成如此复杂的系统，所需的时间，远远超出了地球可能的寿命。如果将视野拓展到更一般的课题——从多种简单分子汤中原始生命如何出现到单一细胞（受精卵）如何精确地演变成高度复杂的多细胞生物体结构等，达尔文的选择机制就更无法满意。这就来到了考夫曼的切入点。

考夫曼：自组织的自发秩序

相对于达尔文，考夫曼将视角从生物的物种进化拓展到更一般性的秩序(order) 上。进化论意义下物种由低级向高级的进化，在考夫曼眼中是新的、更复杂的秩序的产生与扩张。秩序的视角，突破了生物/生命系统的限制，使人可以用一种连贯的方式去考察整个自然系统从简单到复杂的演化。达尔文的进化建立在选择之上，可供选择的对象来自个体差异、变异——偶然性。换言之，在纯粹的达尔文途径中，那些最终存活下来的物种或它们背后的秩序，最初都是偶然发生的，是在无数次偶然出现-自然筛选中积累的。如上所说，人们发现，这种方式的效率将极其低下，由此产生我们所见的复杂世界几乎不可能。一定还有更有效的秩序产生与进化机制。

考夫曼指出，自然的选择过程始终伴随着另一个方面：自组织；而在达尔文的进化理论中，这方面是空白。自组织的机制能够以远远高于随机组合的方式产生某些特定的秩序，这是由一定范围中相互作用的基本要素的性质及其作用规则、边界条件决定的。考夫曼将其称为“Order for free” -- “spontaneous order”：自发秩序[注]；它是达尔文的自然选择之外的另一个秩序之源，也是生物个体发生之秩序的终极来源。

进一步看，在达尔文那里，个体是被筛选的对象。随机性、变异（突变）导致了个体差异，这些有差异的个体相互竞争，优胜劣汰，就是所谓自然选择的过程。考夫曼的途径是具有某种动因（例如分子的随机运动）的动态系统中的自组织过程，是比达尔文开放系统假设背景上的随机组合/突变与淘汰更有效的结构产生途径。

梅菲尔德：复杂的引擎

依然从生物系统的进化出发，梅菲尔德引进了信息这个考察要素。一方面，相对于无序或混乱，所谓有序的状态或结构可以解释为包含或呈现了某种信息，这是一般信息理论的常见观点；另一方面，特定结构的形成，需要特定的信息——梅菲尔德发现，用信息操纵与积累——计算——可以很好或很简明地解释如生物这样复杂系统进化的过程；他这种进化机制称为“复杂的引擎”(the engine of complexity)。

另一方面，如前面提到，达尔文提出了物种的进化过程。考夫曼从秩序产生的角度去考察进化过程，并且已经拓展到更一般的复杂系统，例如经济或社会方面。梅菲尔德仍然从生物系统进化出发，实际已经将考察范围扩大到整个宇宙中事物的演化上。他将宇宙中的事物从结构/秩序的产生方式角度，划分为两个基本类型：第一个基本类型是所谓"structure for free"(自发的结构)[注]，第二个基本类型是所谓“purposeful structure”(目的性结构)。前者以随机运动为动力，仅仅在基本的物理规律上就可以从混沌状态中自然地形成，例如晶体。而后者才是真正感兴趣的复杂结构——梅菲尔德认为，它们的形成需要/依赖于特定的信息(他称之为指令，instructions)。

留意，尽管梅菲尔德言明其用语“structure for free”是借鉴于考夫曼的“order for free”，但其实二者的对象并不对应——甚至隐藏了相悖性。自混沌状态产生晶体这样的过程，当然是典型的自发秩序/结构的形成过程，呈现考夫曼的order for free，而梅菲尔德的structure for free基本上也就限于此类——对他而言，生物/细胞的结构则是所谓目的性结构，必须区分出来。然而考夫曼恰恰是在用其order for free模型来解释后者的自发产生机制。综合来看，考夫曼的order for free是说，包括生物/细胞所展示的秩序，都是可以在宇宙中自发地，以自组织的方式产生出来的——而不仅仅靠随机组合和自然筛选。梅菲尔德实际上缩小了for free的范围，进一步指出像生物体、细胞这样的构造，还需要更高级或复杂的机制——信息操纵和累积；计算，所谓复杂的引擎。

更有意思的问题是，梅菲尔德所谓“指令”信息是如何形成的，以及其类型（例如，生物的DNA与计算机程序这两种“指令”的区别）和作用方式；这远不是“积累”这样的概念可以概括的。梅菲尔德用算法的进化来概括这个问题，从可进化计算的立场加以讨论，看起来还只是方向性的、初步的探究。同时可以看到，这其实又从另一个层面回到了考夫曼的命题上：指令信息 (这种高级的秩序) 的产生与进化同样有自然选择及自组织的自发产生两种基本途径。

注

"Order for free"在中译本《宇宙为家》中被译作“免费的秩序”，《复杂的引擎》沿袭了这一译法，将"structure for free"译作“免费的结构”。笔者认为对中文读者而言，这种译法从理解的角度，难免有牵强之效果。可参考这里的一次讨论：https://book.douban.com/annotation/71861363/

参考

• Mayfield, J.E. (2013). The engine of complexity: evolution as computation. Columbia University Press.
  约翰•梅菲尔德《复杂的引擎》，第一推动丛书，湖南科学技术出版社，2018-2-1
• Kauffman, S.A. (1995). At home in the universe: The Search for Laws of Self-Organization and Complexity. Oxford University Press.
  斯图亚特•考夫曼《宇宙为家》，第一推动丛书，湖南科学技术出版社，2004-4
• Kauffman, S.A. (1993). The origins of order: self-organization and selection in Evolution. Oxford University Press.

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