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同学中采用了“绝热消去法”，可以消去快变量，而只对慢变量即序参量进
行讨论。协同学理论认为，形成系统有序结构的关键并不在于是否处于热力
学的非平衡态，也不在于离平衡态有多远，而在于系统内部各子系统之间相
互关联的“协同作用”。这种协同作用，导致序参量的出现，而序参量又支
配系统进入有序状态。
协同学开始研究的只是非平衡开放系统的时空有序问题。1978年，哈肯
在“协同学：最新趋势与发展”一文中将协同学扩展到功能有序。1979年，
他又考察了混沌现象，认为一个非平衡开放系统既可以从无序到有序，也可
以从有序到混沌。这一发现使协同学发展到一个新阶段。1981年，哈肯在“20
世纪80年代的物理思想”一文中指出，宇宙系统也呈现有序结构。协同学及
其应用范围的不断扩展，说明了自然界各系统演化发展中某些基本规律的统
一性和普适性。耗散结构理论是非平衡系统的自组织理论，而协同学既适合
非平衡系统，也适合平衡系统，因此它是一种更广义更普适的自组织理论。
协同学的产生和发展使我们对自然界演化过程中的一些问题的认识更加清晰
和深刻。但是，仍有许多问题尚待进一步解决。
（3）超循环理论
超循环理论是德国物理化学家艾根 （1927—）创立的。艾根早年主要研
究方向是快速化学反应动力学及其反应机理。1954年，他将弛豫技术引入快
速化学反应。由于这一研究成果，他荣获1967年诺贝尔化学奖。
艾根在研究生物体内的快速化学反应时，对蛋白质、核酸的起源及二者
之间的关系进行了深入考察。1971年，他在德国《自然杂志》上发表了“物
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质的自组织和生物大分子的进化”一文，提出了超循环理论。这是有关生命
起源的自组织理论，探讨的是生物信息起源这一关键性问题。
对于生命进化，当时人们普遍认为存在着化学进化与生物进化两个阶
段。但化学进化如何飞跃到生物进化，人们还不能作出说明。艾根等人通过
多年研究提出：在化学进化与生物进化之间还存在一个分子自组织进化阶
段。他认为在这个阶段实现了非生命物质向生命物质的转化；这是一种超循
环组织形成的过程。
循环是自然界普遍存在的现象，对于形形色色的循环，可以从低级到高
级分为3个等级，即反应循环、催化循环和超循环。超循环是自催化剂或自
复制单元通过功能的循环耦合而联系起来的高级循环组织。在超循环中，每
个复制单元既能指导自己的复制，又对下一个中间物的产生提供催化支持。
这种超循环有一旦建立就永远存在下去的选择机制。1979年，艾根发表了《超
循环：自然界的一个自组织原理》一书，系统阐述了他的思想，论证了超循
环的形成是生命起源的最佳选择。艾根的超循环理论将达尔文的进化论从生
物的整体水平推广到生物的分子水平，而且将生物间的竞争与协同结合起
来，使人类对生命起源的认识又前进了一步。同时，它的研究方法和方向也
有重要意义。
（4）混沌理论
混沌理论在本世纪60年代开始出现。目前使用的“混沌”，在科学上有
两种不同的含义，一种指平衡态混沌，另一种指非平衡态混沌。混沌理论研
究的是系统如何从混沌到有序、从有序进入新的混沌以及混沌的性质、特点
等问题。它是研究过程和演化的科学。
1963年，气象学家洛仑兹在研究大气热对流问题时，发现天气变化的非
周期性与不可预言性之间有联系，从而揭示了天气变化的随机性因素，并用
实验证明了天气演变对大气状况初值的敏感依赖。他曾夸张地举了一个例
子：南美洲亚马逊河热带雨林中的一只蝴蝶煽动几下翅膀，所产生的微风随
时间增长，可能在美国引起一场龙卷风。这就是所谓的“蝴蝶效应”。它表
明，演化规律是确定的，但演化结果是不确定的，初始值存在微小偏差就会
产生极为不同的结果。
1975年，数学家茹厄尔和塔肯提出了一种湍流发生机制，认为向湍流的
转变取决于少数自由度，经过两三次突变，运动就到了维数不高的“奇怪吸
引子”上。人们无法描述奇怪吸引子上的运动轨道，也无法预测其未来的状
态。奇怪吸引子上的运动轨道，对轨道初始位置的细微变化极其敏感。当运
动自由度减少，最终局限在低维的奇怪吸引子上时，就出现了宏观层次上的
混沌运动。
在非平衡过程中，有序进入混沌的一种道路是倍周期分岔。一个系统在
一定条件下，经过周期加倍，会逐步丧失周期行为而进入混沌。1978年，美
国科学家费根鲍姆发现，系统在不断地倍周期分岔时，相邻两次分岔对应的
参数之差的比值，惊人地趋近一个常数。这说明，倍周期分岔进入混沌是一
种相当普遍的现象。系统经过倍周期分岔进入混沌，原来的有序结构并未完
全消失，而是形成无穷多个结构，所以显示出杂乱无章的混沌状态。但在混
沌区内，从大到小，一层一层彼此相似的结构互相重叠，形成“无穷嵌套的
自相似结构”，犹如中国的套箱。
分形与分维是描述奇怪吸引子的重要手段。1975年，美国科学家曼德布
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罗特提出了分形理论。分形是指具有非均匀分布和自相似层次结构的几何对
象。分形已成为描写那些不规则、不光滑和断裂的形状的典型方法，可用它
刻画飘动的云彩、飞舞的雪花、弯曲的海岸线等。分形几何学更接近大自然
本身。分形是具有分维的几何结构。现实世界中的非连续、不光滑、不可微
等特征需要用分数维数来描写。在分形几何学的基础上，分维物理学正成为
一个蓬勃发展的重要研究领域。
混沌理论为我们认识复杂性提供了有力的工具。简单原因可能导致复杂
后果。因此通过研究混沌，可以寻求复杂现象的简单根源，并找到新的方法。
混沌理论揭示了自然界的辩证统一，使人们对自然界演化过程的决定性和随
机性、有序和无序等问题有了更深刻的认识。
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五、当代生命科学与生物技术的发展
生命是上苍赐予地球的瑰宝。数以万计、奇异多彩的生物，千百年来引
起多少人的好奇与探索。当代生命科学特别是分子生物学的重大进展，使人
们终于开始揭示生物的奥秘，认识到了生命现象的本质。在此基础上，当代
生物技术迅速兴起，成为高技术中的佼佼者，并创造出了前所未有的奇迹。
1。分子生物学的早期研究
分子生物学主要是在研究遗传的物质基础及遗传信息的传递中形成和发
展的。
（1）遗传学的发展
20世纪初，以孟德尔（1822—1884）遗传定律重新发现为转折，遗传学
研究逐渐进入成熟时期。1903年，美国生物学家萨顿（1877—1916）和德国
的鲍弗里（1862—1915）提出了遗传的染色体学说，认为遗传因子就在染色
体上。1910年，美国人摩尔根（1866—1945）发表了关于果蝇性连锁遗传的
论文，第一次将一个基因和一个具体的染色体的行为联系起来。此后，摩尔
根和他的学生又发表了《遗传的物质基础》和《基因论》，系统地阐述了基
因学说和染色体理论，证明了基因是染色体上的遗传单位。
细菌和噬菌体遗传学是遗传学发展的一个重要阶段。早在本世纪 30年
代，微生物学家施莱辛格 （1913—）和埃利斯 （1906—）就研究过噬菌体。
德尔布吕克 （1906—1981）了解了埃利斯的研究工作后，认为噬菌体是研究
基因复制的最有希望的材料。1942年，卢里亚（1912—）和安德逊（1911—）
用电子显微镜揭示出噬菌体T颗粒头部和尾部的详细结构。1946年，德尔布
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吕克和贝利用两个近缘噬菌体的突变体去感染细菌，在噬菌体后代中获得重
组体。噬菌体遗传学开始形成了。美国细菌学家莱德伯格 （1925—）研究了
大肠杆菌的内部结构，并于1947年证明两个大肠杆菌细胞可以重组，于是开
创了细菌遗传学。40年代中期开始的细菌附加体研究，既丰富了细胞质遗传
理论，又为70年代基因工程准备了运载工具。
40年代以后，人们逐渐认识到核酸是基因的载体，遗传学研究又掀起一
个新的热潮。物理学和化学向生物学的渗透，使遗传学又取得重大突破，产
生分子遗传学。它一产生就超出遗传学范围，把分子水平的研究迅速扩展到
生物学领域，从而形成分子生物学，引起生物学革命，又发展了遗传工程这
一崭新的生物技术。
（2）传统生物化学
到50年代初，在传统生物化学领域，对生物大分子化学结构的研究已取
得丰硕成果。20年代，列文（1869—1940）等人发现核酸分为核糖核酸（RNA）
和脱氧核糖核酸（DNA）两种类型。它们都是由不同的核苷酸组成的。列文根
据当时较粗糙的分析方法得出的结果，错误地认为核酸中的4种碱基含量相
等，于是提出了四核苷酸假说。1947—1952年，查哥夫（1905—）对