3．2．1 地球系统的自组织模型与Gaia假说

1．地球系统自组织理论的基本概念

“自组织”一词，来源于热力学中的热的交流的“自我变化”，后来应用于系统科学及其他领域如生物学、地球科学、社会学等。自组织（Self-organization）是指系统在无外界强迫（制）条件下，系统自发形成的有序行为。计划经济是一种有组织行为，而市场经济则是自组织行为。这种能自身进行调节功能的行为，称为自组织。有组织是旨系统在外界的强迫下形成的有序行为。

地球系统的自组织是指当地球系统遭到外部环境的干扰而破坏其有序状态时，它靠系统自身的能力能克服干扰的影响，进入新的有序状态的机制。它可以根据内部和外部条件变化的信息来改善或发展某些功能，以调整系统的运作，克服不确定性或无序性，保持系统的原来的或预定的功能。如森林的自我恢复能力、环境的自净能力等，都是地球系统自组织功能的典型。

2．地球系统的自组织功能

系统的自组织功能是由物质流、能量流和信息流所构成。当系统的内部或外部环境受到干扰时，首先通过信息流息来传递给物质流和能量流，相应地实现调节系统的结构和活动，以适应新的情况并保持其原有功能，以保持与环境的一致性和系统的稳定性。如果来自内部或外部的干扰超过了系统的自组织功能时，系统就遭破坏。

I．Prigogine指出，自组织形成的有序结构，不但需要外界条件来维持，更需要内部条件的存在。外界条件是必要条件，内部条件是充分条件。自组织形成就是强调内部条件为主的。

地球系统是一个具有自我调节及自组织功能的复杂巨系统。它的固体地球子系统、液体（海洋、湖泊业）地球子系统、气体地球子系统及生物地球子系统等，都是具有自组织功能的。在岩石力学之中的“应力自我调态”也是属于自组织特征的表现。例如，岩体因开挖而改变结构的形态，围岩随之而改变应力分布状态。河流系统、湖泊系统都具有自组织特征。森林系统和草原系统也都具有自组织功能。例如，自然界中生物为了生存，都具有一定的自动控制与自我调节的功能。以小的系统为例，如小麦等植物在白天暂时关闭气孔以防止蒸发，达到节水的目的。沙漠中的仙人掌，能将水分贮存在组织里，并有一层厚厚的蜡质皮以防止水分蒸发。沙漠中的一些灌木能将根系扎入很深的土中，以吸收水分，而且根系特别发达，以适应沙漠的缺水环境，并且在干旱季节落叶休眠，以保存活力；很多沙漠植物，叶子变成针刺，一方面减少蒸发，另一方面防止沙漠动物吞食。再以较大的系统为例，如森林系统也具有自组织功能，当森林繁茂到一定程度之后，由于生长过密，林间阳光与通风不足，阻碍了幼苗的生长，加上枯枝落叶层越来越厚，树的种子不能落入土中，影响了新陈代谢过程，必然引起森林的退化；但当森林的密度变小，阳光与空气在林间畅通，种子又能落入土中，新苗可以生长，森林又将恢复生机。这是森林自组织的表现。无机物也有自组织现象，如河流系统也具有自组织特征，只要看一下河流纵剖面的侵蚀与堆积过程及其形态，就可以看出有明显的自组织现象。坡地发育或演化也具有自组织特征。

3．地球系统的Gaia假设

北京大学张的最近对地球系统的Gaia假设作了较系统的介绍。国内外学者就这问题最近发表了不少研究成果。Gaia是希腊神话中的大地女神，仅借用来代表假说的名称。

首先英国地球物理学家Lovelock和美国生态学家L．Margulis等人认为地球系统是由大气圈、水圈、生物圈和固体圈构成的复杂实体，是一个具有自动调节功能的自组织系统。这个自组织系统的关键是生物圈。他们提出，从地质和化石的记录来看，至少在6亿年内全球大洋的酸度、盐度、氧化与还原状况没有多大变化，尽管在这期间地球上曾出现过若干次大冰期。但最冷的时期地球热量平均温度下降也不超过8℃，地球表层温度从来没有降到使全球大洋冻结，或上升到使大洋由于温度升高引起蒸发到干涸程度。根据天体物理学家证明，太阳辐射强度在不断增强，至少增长了30％，甚至增长了70％～100％。从理论上说，太阳辐射强度若增长10％，大洋就会因蒸发而干涸，若减少10％，大洋就会结成冰。虽然在地质史上的平均温度变化幅度在10℃上下，却没有造成大洋干涸或冰封。这主要的原因是地球系统内部存在着自动调节和自组织功能，而这种功能要归功于生物圈。生物圈起到了保护地球系统的稳定性。生物调节着地球系统内的能量流、物质流；调控着大洋的温度、盐度、酸度及元素的地球化学循环，这种机制称为Gaia假设（张昀，1995）。

德国地质学家W．Krambein （1990）和原苏联地质学家拉波夫等，提出了地球是一个“超级有机体”或“Living body”。生物圈在整个地球系统中，起到了自动调节和反馈作用。他们还提出了地球是生物星体假说（Bioid Hypothesis）和地球生理学（Geophysiology）等新概念。

美国罗德岛大学的一个科研小组在1996年发表的论文指出，“生物圈可部分平衡温室效应。”他们发现1977～1985年间，植物吸收CO2的数量较通常增加。这是该小组利用测量南极冰原积雪中所含大气成分得出的结论。由于在雪花中含有当时的空气，当雪花沉积在冰原转化为冰后，其中空气仍保留在冰中，因而研究不同时代冰中所含的气体，可得出不同时期的CO2的变化情况。气温增高和CO2成分的增加等都有利于植物的生长，植物的茂盛将大量吸收CO2，因此地球系统能达到自我调节的作用，这就是地球系统的自组织功能的表现。生物圈可部分平衡温室效应，其中热带雨林起到重要的作用，若对热带雨林的破坏，则减低了上述的平衡作用。

在自然界中，凡是有生命的系统，如动物、植物和微生物，都具有自我调节和自组织能力。对于没有生命的无机体系统来说，如我们的大宇宙它是在运动着的，也是具有自我调节和自组织功能的“永动机”。它通过物质流和能量流实现自我调节和自组织过程，处在永恒的运动和变化之中；新的星星不断产生，老的星星不断消失，新陈代谢无始无终。又如运动着的河流系统，它也具有自我调节的与自组织功能。如河流纵剖面的形状，通过侵蚀和堆积过程实现自我调节与自组织过程；河流的流量，通过和地下水的相互关系也具有自我调节和自组织功能，河流的水量多时，就渗透给河床两侧的地下水；河流的水量少时，河床两侧的地下水又补偿给河流，这就是河流自我调节的功能。
　　本文标题：地球系统的自组织、自相似与自相关模型
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