系统自组织概述
生物系统的自组织和自适应机制
生物系统的自组织和自适应机制生物系统是一个复杂而又神奇的存在，它有着自组织和自适应的机制。
这些机制使得生物系统能够自我维持、适应环境、不断发展、进化并繁衍后代。
这些机制为我们提供了启示：我们可以从生物系统学习并应用到技术领域中去。
1、生物系统的自组织机制自组织是指无领导、分布式的组件、部件自发地、自主地进行自我组织的过程。
正是因为这种自组织机制，才使得动物和植物能够自我生长，在某些情况下，它们甚至可以自我修复。
就连病毒、细菌等微生物也能够进行自组织。
生物系统的自组织机制使得它们可以在不断改变的环境中生存，并且不断进化。
生物系统中的自组织是通过一些基础的规则来实现的。
例如，皮肤细胞可以自我组织为皮肤，而不是肌肉。
细胞之间会相互作用并执行自己的功能，这些功能在整个生物体中相互协调。
在组织水平，细胞组成了组织，例如心脏组织和脑组织。
在整个生物体中，不同的组织、器官、系统都会协同工作。
更广泛的自组织机制在生态系统中也是存在的。
例如，蚂蚁不需要中央控制就可以自发地组织为大规模的蚁群。
蚂蚁们会通过分泌化学信息素以及互相触碰的方式与其他蚂蚁交流，并协调好自己的行动。
2、生物系统的自适应机制自适应是指生物系统自动调整自己的结构和功能，以适应环境的变化。
这种机制使得生物能够在不同环境中生存下来，并且不断改进自己的功能。
生物系统的自适应机制是通过进化这个长期过程来实现的。
进化是一种带有随机性的过程。
基因的突变和重新组合在后代中产生了多样性。
新的特征有时能够帮助生物在环境中更好地生存。
这些生物因为具有新优势而更容易传递下去。
这就是自然选择的基本过程。
这种自适应机制在整个进化史上一直存在。
人类通过基因编辑技术和人工选择的方式，已经开始在自适应过程中发挥自己的作用。
举个例子，患有遗传疾病的家庭现在有了更好的选择。
利用基因编辑技术，将有问题的基因取代为正常的基因，这样孩子就不会再继承这个疾病了。
3、从生物系统中学习的启示从生物系统中学习的启示可以应用到技术领域中。
生物系统中的自组装和自组织
生物系统中的自组装和自组织生命的存在和演化是繁复而神奇的过程，充满了自组装和自组织的精妙机制。
从细胞内的蛋白质和细胞膜到生物体的器官和组织，都体现了生物系统自组装和自组织的本质。
自组装和自组织是自然界中普遍存在的现象，而生物系统是其中最典型的例子。
在生物学领域，探究自组装和自组织在生命过程中的作用，对于我们深入认识生命多样性和复杂性具有重要意义。
一、细胞内的自组装和自组织生命起源于单细胞生物，而细胞内的自组装和自组织是生命的基础。
蛋白质是细胞内最为重要的生物大分子，它们具有不同的结构和功能，通过自组装和自组织形成了各种亚细胞结构和细胞器。
核糖体是蛋白质的主要合成场所，它们由四个rRNA和80多个蛋白质组成，通过自组装形成了复杂的结构，可以精确地合成具有不同功能的蛋白质。
细胞膜是细胞内重要的物质转运载体，它们由不同的脂质分子通过自组装形成了膜的双层结构，具有高度的选择性通透性，实现了细胞对不同物质的有效控制。
二、生物体的自组装和自组织细胞是生物体的基本单位，生物体的其他组织器官和功能部位也是通过自组装和自组织形成的。
比如，人类的DNA含有数十亿的碱基序列，但是在细胞核中只需不到10微米的空间就可以缩成一个染色体，而这种超级螺旋状结构则是由DNA和蛋白质组成的高级结构体——染色质通过自组装形成的。
同时，胚胎发育过程中，不同类型的细胞通过自组织形成了不同的组织器官，完成了分化和形态生成的关键环节。
在人体中，骨头、肌肉、血管等组织也都是通过细胞自组装和自组织而形成的。
另外，生物中的一些有机分子如糖类、蛋白质和核酸等，都存在着特定的空间构型和分子运动方式，也是对自组装和自组织过程的直接体现。
三、生物学中的自组装和自组织现象自组装和自组织是生物系统普遍存在的现象，它们不仅存在于单个分子或细胞内，更遍布于组织器官层次和生态系统尺度。
例如，蚁群、蜜蜂和鸟群等动物群体存在着协同的行为，这种行为是通过个体之间的信号传递和环境感知引导而产生并维持的，它体现了生物群体自组织的特性。
基于系统自组织理念指导教师课堂教学
基于系统自组织理念指导教师课堂教学小威廉姆.E.多尔说，20世纪是一个使我们意识到自组织的世纪。
中小学课堂教学系统在本质上是自组织的，教师只有意识到这一点，才能达到课堂教学的最优效果。
一、系统自组织概述自组织是“一个系统的要素按照彼此的相干性、协同性或默契而形成特定结构与功能的过程”，使系统从无序走向有序。
自组织理论认为任何一个系统内部的各子系统运动都有独立运动和协同运动两类，是有序和无序的统一。
若各子系统都独立运动而不受大系统约束，整个系统会瓦解崩溃；反之，若各子系统都丧失独立运动，大系统会变成“铁板”，系统就不复存在343。
一个自组织系统的演化必须满足三个条件：保持开放性并远离平衡态，发生非线性交互作用，存在涨落及创造性。
（一）保持开放性并远离平衡态：系统自组织演化的前提。
根据热力学第二定律，为了提高系统的有序度，降低混乱度，使其有序发展，就得从系统外引入负熵流。
当系统开放程度为零时就是封闭系统；当完全开放时就与环境融为一体，系统就不存在340。
远离平衡与开放是统一的，开放是要使系统保持一定程度的独立性，使系统远离原有的平衡向新的有序状态演化。
（二）发生非线性交互作用：系统自组织演化的内在动力。
非线性是作用的总和，但不是相加的代数和。
系统在非线性相互作用下产生整体性行为，而非各部分简单相加效果145。
系统中充满竞争与协同，这种你中有我、我中有你的相互渗透和作用构成系统自组织演化的动力。
（三）存在涨落及创造性：系统自组织的原初诱因。
从系统存在状态看，涨落是偏离系统稳定的平均状态且有随机性。
我们一般认为涨落是具有干扰和破坏性的因素，不利于系统的稳定存在，但系统通过涨落达到有序。
涨落使系统偏离原状态，然后驱动系统中子系统取得物质、能量和信息方面的平衡。
它有破坏与建构双重性，是使系统从无序向有序跃变的另一种自组织演化动力。
皮亚杰和一些生物学家认为，以生命性为基础的自组织系统具有创造性，人作为自组织系统同样具有创造性。
自组织生态系统
自组织生态系统自组织生态系统是由相互作用、相互依赖的多个物种形成的一个和谐、稳定的系统，它们在一起协同作用。
生态系统是一个开放的复杂系统，它的任何功能都需要外部能量来维持，即需要不断地从环境中摄取能量。
从某种意义上讲，生态系统就是处于边界状态下的耗散结构。
这些状态称为相干时间，通常被认为是耗散过程的前沿。
随着边界状态的演变，系统内产生出自组织特征，使系统可以在更大的空间尺度上重建，但是边界也发生改变，因而在系统内又引发新的耗散过程，这就是系统的自组织性。
自组织过程对于维持生态系统的结构、功能和生命过程非常重要。
自组织过程包括两种方式：一种是不同层次的系统相互作用的“元素”之间的直接作用;另一种是系统的局部尺度(例如在个体水平或个别细胞的水平上)和宏观尺度(~lW~组织水平)之间的相互作用。
自组织使得生态系统具有高度的弹性，在面临环境变化时可以较快地自我调节和适应。
“居者有其屋”是社会的基本要求。
实现住宅的多样化和商品化，保证供给，是住宅业走向市场的必由之路。
城市住宅作为房地产业的一个重要分支，不仅与经济发展和居民住房条件密切相关，也是房地产业发展和城市建设的重要基础。
住宅具有社会性，住宅业具有市场性，这两点对促进我国住宅市场的发展十分重要。
近几年来，住宅建设蓬勃发展，取得了很大成绩。
据估计， 2002年全国住宅竣工面积达1．5亿平方米，比2001年增长24．2％;全国城镇共有住宅78． 4万套，比2001年增长29．8％;人均住房面积由2001年的13．9平方米提高到14． 6平方米。
首先，由于大规模兴建住宅小区，开发了大量的经济适用住宅，这极大地满足了广大居民对居住的需求。
其次，随着经济的发展和人民生活水平的提高，城市居民的消费观念也发生了深刻变化，住宅建设从追求数量转向追求质量。
我国绝大多数城市已把改善居住条件作为住宅建设的主要目标，在一些中心城市逐步形成了一批以优质、高档为主要特征的居住小区。
复杂系统的自组织现象
复杂系统的自组织现象自组织现象是指在一个复杂系统中，系统中的各个部分通过相互作用和适应性调整而形成一种有序的结构或行为规律的现象。
这种现象在自然界、社会科学以及技术应用领域中都普遍存在。
本文将介绍复杂系统的自组织现象，并探讨其原因及应用。
一、复杂系统的自组织现象是什么？复杂系统指的是由许多相互作用的部分组成的系统，其整体行为无法简单通过各个部分的行为之和来解释。
自然界中的许多现象，例如大脑中的神经网络、群体行为、气象系统等均属于复杂系统的范畴。
自组织现象是复杂系统中的一种重要现象，它指的是当系统中的各个部分通过相互作用和适应性调整，能够自发地形成一种有序的结构或行为规律。
这种有序结构或行为规律不是由外部规定或者中央控制所产生的，而是系统内部因相互作用而逐渐形成的。
二、复杂系统的自组织现象的原因是什么？复杂系统的自组织现象的形成与系统内部的相互作用、适应性调整和非线性反馈机制密切相关。
首先，复杂系统中的各个部分之间通过相互作用产生了强烈的耦合关系。
当这些部分相互作用时，它们之间可能发生能量、物质或信息的传递，进而影响到彼此的状态和行为。
这种相互作用的结果是系统中的各个部分之间形成了一种互相依赖的关系，从而促成了自组织现象的出现。
其次，复杂系统中的各个部分都具有适应性调整的能力，它们可以根据环境的变化和其他部分的行为调整自己的状态和行为。
通过这种适应性调整，系统中的各个部分可以相互协同，形成一种整体的有序结构或行为规律。
最后，复杂系统中存在非线性反馈机制。
非线性反馈指的是系统的输出作用于系统的输入，从而影响到系统的整体行为。
这种非线性反馈机制可以加强或者抑制系统中的某些行为，使得系统逐渐趋于自组织状态。
三、复杂系统的自组织现象的应用复杂系统的自组织现象不仅在自然界中广泛存在，而且在许多实际应用中具有重要的意义。
首先，在生物学领域，自组织现象对于理解生物体的发育和进化具有重要意义。
例如，在胚胎发育过程中，细胞之间的相互作用和适应性调整会导致不同类型的细胞逐渐分化和形成器官结构。
自组织系统
自组织系统即能自行演化或改进其组织行为结构的一类系统.在一般系统论中,其最广泛的含义是指:该系统能在与环境相互作用条件下,通过自身的演化而形成新的结构和功能。
通俗的说，就是能通过本身的发展和进化而形成具有一定的结构和功能的系统。
社会自组织是社会发展到某一临界状态时，由于创新力或破坏力的作用，原有的社会组织突然失去了平衡，造成组织崩溃，人类在无意识状态下按照趋利避害的原则重新形成新组织，达到新的平衡的过程。
社会自组织是在没有掌握社会发展变化规律的条件下，自发形成的。
社会自组织能否发生，取决于三个方面的因素：一是社会环境或者说环境局限是否发生了改变；二是对具体人来说，社会单元的成本效用比的变化是否达到了某一临界状态；三是激发因素影响力的大小。
1、成本效用比是社会自组织的遗传密码在一定的社会条件下，由具体人组成的某一社会单元获得某一物的的成本效用比小于原社会单元获得同样物的的成本效用比，则社会处于自组织发生的临界状态。
在一定的激发因素的影响下，原社会单元内部各组成结构将会发生分解，然后通过相互作用重新组合，形成成本效用比更低的社会单元。
成本效用比是社会自组织形成和稳定的关键因素。
如果相对于所在环境，原社会单元的成本效用比是合理的，那么即使在强大的激发因素的作用下，原社会单元暂时分解，但只要激发因素消失，社会将会回复到原社会单元。
如果新的社会单元的成本效用比是不合理的，即使在激发因素的作用下暂时形成了，这种新的社会单元也不能长久。
“人民公社的大锅饭制度”在中国虽然曾经辉煌一时，但由于其成本效用比不合理，最终不得不瓦解。
如果自组织形成的新的社会单元比原单元的成本效用比更低，则具有更强的生命力，会被更多的具体人所接受，原有的社会单元就会被新的社会单元形所取代；如果相近，则可能被部分取代。
2、激发因素是社会自组织发生的重要条件没有激发因素的作用，原社会组织单元往往因为对未来的不确定性风险过分担心而表现出相当强的惰性。
复杂系统自组织机理分析
复杂系统自组织机理分析复杂系统自组织机理分析复杂系统是由许多相互作用的元素组成的系统，这些元素之间的相互作用和关系非常复杂。
在这样的系统中，元素之间的相互作用会导致系统自身产生一些有序的结构和行为，这种现象被称为自组织。
自组织是复杂系统中的一种普遍现象，它可以在各种领域和层次中观察到，包括物理学、生物学、社会学等领域。
在复杂系统中，自组织的机理可以通过以下几个方面进行分析和理解。
首先，复杂系统中的自组织可以通过简单的局部规则产生。
在这种情况下，每个元素根据其周围元素的状态和规则来决定自己的行为，而不需要全局的指令或控制。
通过局部规则的相互作用，系统中的元素会自动形成一些有序的结构和模式。
例如，蚁群中的蚂蚁只能通过与周围蚂蚁的信息交流来决定自己的行动，但整个蚁群却能够形成一种有序的行动模式。
其次，复杂系统中的自组织可以通过正反馈和负反馈机制产生。
正反馈机制会加强系统中已经存在的结构和行为，进一步推动系统向某种状态演化。
而负反馈机制则会抑制系统中已经存在的结构和行为，使系统保持在某种稳定状态。
通过正反馈和负反馈机制的相互作用，系统可以自发地调整自己的结构和行为，从而实现自组织。
例如，生态系统中的物种会通过食物链的相互作用调整自己的数量和分布，从而保持系统的稳定性。
此外，复杂系统中的自组织还可以通过网络效应产生。
网络效应是指系统中的元素之间的相互作用会受到其他元素的影响，从而导致整个系统发生变化。
这种相互作用可以是直接的，也可以是间接的。
通过网络效应，系统中的元素之间会形成一种复杂的互动关系，从而促使系统自身形成一些有序的结构和行为。
例如，社交网络中的用户之间的互动会影响到其他用户的行为，从而导致整个社交网络形成一种特定的结构和动态。
综上所述，复杂系统中的自组织是一种普遍存在的现象，它可以通过简单的局部规则、正反馈和负反馈机制、以及网络效应来实现。
通过对这些机制的分析和理解，我们可以更好地理解和控制复杂系统的行为和演化。
生态系统的自组织现象
生态系统的自组织现象生态系统是一个包括生物群体、非生物因素以及它们之间的相互作用组成的生命系统，这个系统在自然条件下有着很强的自组织能力。
这个自组织能力是指生态系统内部的物种在资源有限的情况下会形成一个互相协调的生态关系网络，从而实现资源利用的最优化，保证系统的稳定运行。
下面本文将通过阐述自组织现象的特征、机制，以及这个过程中所产生的生物多样性、物种适应性等问题，来探讨自然界中的生态系统是如何通过自组织来维护一个稳定的生态环境的。
一、自组织现象的特征自组织是指在物质互相作用的过程中形成的无序、杂乱的系统，像一个混沌状态。
但在一定条件下，可以通过内部结构和互动规律来实现整合和协调，从而获得一个稳定的、有序的自组织物质状态。
在生态学中，自组织的特征表现在以下几个方面：1. 非线性：生态系统内部各种生命现象都是复杂的、多变的，不能被线性模型所描述，比如物种的分布、密度等都受到非线性因素的影响。
2. 态变：生态系统的状态是稳定而动态的，当系统受到外部干扰时，会出现相应的变化和调整，以维持稳态。
3. 迭代：生态系统内部的自组织过程是一个不断迭代循环的过程，当前的状态会影响下一次的发展，所以生态系统发展的方向是不可预知的。
二、自组织现象的机制自组织现象之所以能够在生态系统中形成，与它的内部机制密不可分。
这里主要从以下两个方面展开：1. 规模依赖的机制规模依赖是指一个生态系统内部不同尺度上的生命体群体之间通过不同的方式影响和调节彼此，从而形成一个稳定的生态平衡。
在这个过程中，规模越小的单位越能够快速响应外部干扰，越能够产生重要的作用。
例如，一个湖泊的生态系统中，某一个种群的数量减少或增加会影响到湖泊的整个生态格局，这个过程是非常复杂的。
2. 群体动力学的机制群体动力学是一个研究群体排列和运动特性的学科，主要的研究对象是非理性群体。
在生态系统内部，生物种群的规模和物种的丰度往往是动态变化的，群体机制就是研究这个过程中生物种群的数量和分布等问题。
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体微团的不同运动，目前无法解释。系统温度差达到临界值后系统
状态发生突变，也无法分析外界控制与系统响应之间的关系，称为
系统自组织。此时，外界作用不称为控制，而称为实现自组织的条
件。
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有时，同一个现象，既可以说成是自组织现象，用自组织理论 来处理；也可以说成是他组织现象，用控制论来处理。
从效果上看，自组织与他组织相同；从发生的原因看，两者有 根本的差异。直接原因在系统之外的为他组织，多为人工系统。
由于系统划分不同，影响系统演化的原因可能是外部环境，也 可能是内部因素。当系统环境确定后，无法找出环境如何影响系统 组织状态的出现，无法分析相互之间的控制与响应关系，此时看成 为自组织。如贝纳尔对流。
乱无章的运动，系统在水平方向上仍然是对称的无序状态。
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T1
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继续加热时，上下温度梯度加大，T1>T2 ，从下往上的热量流与温 度梯度力之间为非线性关系，系统逐渐远离平衡态。当温度梯度大
到某个阀值时，系统性质发生突然改变，依靠流体内分子碰撞传递
能量的无序状态消失，系统呈现出规则的运动花样，所有流体分子
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贝纳尔对流实验：取一薄层流体，上下各放置一块金属平板以 使其温度在水平方向上无差异。从下对流体加热，下上平面温度分 别为T1和T2。
T2
未加热时，系统处于平衡态， T1=T2 ，各处温度相同，流体内分子 作杂乱无章的运动，系统在水平方向上是对称的。
T1 T2
刚开始加热时，上下温度梯度不大，T1≈T2 ，从下往上的热量流与温 度梯度力之间为线性关系，系统处于平衡态， 流体内分子仍然作杂
规则不同，其有序、无序的程度则不同，会得到完全不同的结 果。从导电性看，铝、锗(zhe)、氮气是有序排列；从密度看铝、锗 、氮气不是有序排列，而锗、铝、 氮气是有序排列。
(3) 有序、无序在一定条件下可相互转化
是系统的演化行为，出现质变。可以通过系统有序程度的变化 来分析系统的演化。
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2、他组织
他组织有一个系统以外的组织者，设定目标，有预定的计划、 方案等，从而实施系统，达到预定的目标。
组织者与被组织者(系统)的关系是控制、管理的关系。对不包 含人的系统的控制过程称为控制；对包含人的系统的控制过程称为 管理。
控制要区分自然与人工控制作用。
自然界控制作用就是系统与自然环境之间的各种因果关系，不 是控制论的研究对象。
人工控制作用取决于:(1) 控制的内容、大小和形式等；(2) 被
控制对象的响应机制。控制论的研究对象。
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3、自组织
在系统实现空间的、时间的或功能的结构过程中，若没有外界 的特定干扰，仅是依靠系统内部的相互作用达到的，称为系统的自 组织。特定干扰是指外界施加作用、影响的形式、特点与系统所形 成的新结构和功能之间存在直接的联系。
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二、两种有序原理
1、序的一般概念
自然科学认为序是对两个元素之间关系的确定。数学上严格定 义偏序，指一种具有传递性、反对称性和自反性的二元关系。
子系统之间有偏序关系的两个系统可以比较其有序程度。进一 步用有序、无序来描述系统的状态。
有序：系统组分之间有规则的联系与转化，即系统组分之间存 在类似数学的偏序关系。
能够分析出外界控制与系统响应之间关系的系统，称为他组织 系统，否则为自组织系统。目前看来是自组织系统，将来可能是他 组织系统。如贝纳尔对流。
自组织是系统存在的一种形式，是系统在一定环境下最易存在 最稳定的状态。对于生态系统，人们应使自己的行为限制在生态系 统的自组织范围内活动。在经济系统中，必须符合经济规律，使经 济系统处在自组织状态。
利用演化方程分析系统组织的过程时，通常无法采用分析 其演化轨道的方法，而是对方程进行定性分析，讨论方程解的 个数、状态的稳定性，讨论参量变化如何影响系统状态稳定性 发生的条件。
对组织过程分析，组织分为两类：一类是系统之外有一个 组织者，完成组织行为，实现组织结构，称为他组织；另一类 是在一定的外界条件下，系统“自发地”组织起来，形成一定 的结构，如蚂蚁、蜜蜂的社会组织，生物链组织，称为自组织 。
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2、对称性与有序
有序可以是空间的、时间的或功能的有序，不同种类的有序是 根据不同规则来确定。
系统科学对无生命系统的有序性分析是通过对称性来实现的。 某系统或运动以一定的中介进行变换时，若变换后结果保持不 变，则称该系统或运动在一定的中介变换下是对称的。系统状态发 生变化时，若从无序均匀分布状态变化为有序结构，对称性降低， 即对称破缺。 可以用对称性的高低来表示系统有序程度的多少，用对称破缺 来表示系统状态的突变。 空间对称分为形象对称和结构对称。旋转、反射、平移等操作 使事物位置发生变化，但变化前后的状态未发生改变，则称对此操 作2是020对/4/6称的。如正方形经中心且垂直图形的轴旋转π/2,π后对称第。12页
自组织是复杂系统演化时出现的一种现象。
•与他组织的联系与区别 •自组织过程前后系统状态的特点，如何用有序、无序来标识 •自组织理论 •自组织的形式
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一、自组织与他组织
1、组织
组织是指“按照一定目的、任务和形式加以编制”，属于一类 特殊的演化过程。同时，把组织过程所形成的结构也称为组织。组 织结构具有以下特点：
开始有规律地定向运动，水平水平方向上的对称性被破坏。从侧面
Байду номын сангаас
看如图5-1所示。
T2
T1 图5-1 立面图
从侧面看，形成一个个环，现象地成为贝纳尔蛋卷。
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从顶面向下看，是一个个正六边形，流体从六边形中心流上来，又 从六个边流下去，如图5-2所示。
图5-2 平面图
上下温度差在水平方向上并没有变化，却在水平方向上造成流
无序：系统组分之间混乱、无规则的组合，在运动转化上的无 规律性。
有序概念利用偏序关系来区别两个系统之间的差别；系统组分
之间具有某种偏序关系，则系统是有序的。
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理解序概念应注意以下几点：
(1) 有序、无序是相比较的结果
状态有序一定是相对于另一个状态而言的。
(2) 系统之间比较是否有序总是依据某个规则