地球表层系统的信息增殖 刘宗超刘粤生
      地球表层学是一门由我国学者提出建立的、比地理科学更高一层次的基础性学科， 所研究的是地球表层系统的变化规律．本文作者在一系列研究成果的基础上，提出 了地球表层系统信息增殖的唯象理论． 地球表层，狭义的是指自然生态圈，它是 人类的生存环境；广义的是指自然生态圈与人 类社会圈相互作用的结构系统，它关系到全球 系统的结构变异和功能失调．地球表层是一个 开放的复杂巨系统，其最大特征在于它是 包括人类社会圈在内的，蕴含着天、地、人新 关系的全球系统，而且人类社会圈在其中起着 一定的主导作用． 作者认为地球表层的系统演化包括3种自 组织过程：原始性自组织过程、生物性自组织 过程和智能性自组织过程．正是这3种自组 织过程的同时作用才使得地球表层显现出目前 这种自然性与社会性相耦合的复杂世界格局， 其共同进化达到了自然界的生态功能与人类的 智力功能相协调的境界，同时也决定了地球表 层的未来演化模式．从结构上，地球表层又可 分为3种类型：自然地理系统、天然生态系统 和人类生态系统．这3种类型的系统是 由上述3种自组织过程所决定的，三者相互协 调而出现新秩序的过程就是地球表层的信息增 殖过程．
    一、地球表层系统的广义信息 为了解决地球表层的演化问题，我们引进 了由地球表层的结构信息和交换信息两部分所 组成的广义信息的概念．
     1．地球表层的结构信息 地球表层的结构信息是地球表层的宏观层 次物质系统的结构有序和能量系统有序(可用 程度)的量度．它是地球表层的自然地理系统、 天然生态系统和人类生态系统各自结构信息相 互作用的产物．这3类系统内部组织程度及秩 序不同，其相应的结构信息也就不同．正是结 构信息的差异度，才使得这3类系统分为不同 质的多样性层次． 自然地理系统的结构信息反映了自然地理 工质层次、自然地理层层次和自然地理区域层 次的结构及层次间和层次内的耦合关系，其信 息量则反映了自然地理系统的结构和能量的有 序化程度[3]．自然地理工质层次表现为各种分 散体和连续体的物理化学运动，其主要过程为 表面运动和相变等．自然地理层层次表现为一 定的时空性和周期性，如日变化、海拔差异等， 其主要过程为输运过程，这一系列的不可逆过 程使该层次成为自然历史复合体，包含了较大 的信息量．自然地理区域层次表现为3维的区 域分异性，经度、纬度和海拔三要素决定了它 的空间格局，各种介质的差异决定了不同区域 的差异性，如各种地貌形态、水文地质特征等． 自然地理系统不仅包含了更大的信息量，而且 在时间上更体现出作为自然历史复合体的继承 性和丰富性。在该系统内主要进行的是原始性 自组织过程． 天然生态系统的结构信息是自然地理系统 的结构信息与太阳能的结构信息相互作用的结 果．该系统处于未受人类影响或较少受人类影 响的状态．其主要组分是生物及其环境因素， 其相互作用过程表现为光合过程、食物链的流 通，以及资源竞分中的生克过程．天然生态系 统具有较多的层次，其结构信息反映了生态环 境的存在状态、分布特征和进化与退化．在该 系统内所进行的主要是生物性自组织过程． 人类生态系统的结构信息体现了人类和环 境所组成的大系统的历史与现实的协调性和组 织性，是地球表层系统结构信息的缩影．人类 的环境分为自然环境和社会环境两部分．自然 环境包括自然地理系统和天然生态系统，而社 会环境则包括这两个系统所转化的产物．在自 然环境与社会环境的相互作用下，人类生态系 统无论在结构上还是能量上比自然地理系统和 天然生态系统都更为有序，它以人类的社会生 产和消费实现着与环境的物质、能量和信息的 交换，集中反映在具有社会性的一系列活动中， 如生产活动、经济活动、文化活动、军事活动 等．在该系统内所进行的是智能性自组织过 程．
      2．地球表层的交换信息 地球表层的3个子系统在历史上是相继出 现的、．自然地理系统的结构信息是内部各层次 相互作用再经过自组织而有序化的产物；天然 生态系统是自然地理系统与太阳能相互作用而 高度有序化的产物．自然地理系统的结构信息 只有一部分与天然生态系统的结构信息存在同 构关系，即前者与太阳能相互作用所产生的交 换信息就是后者的结构信息．由此类推，地球 表层3个子系统的交换信息都可以看成是其结 构信息本身可能转化而成的一种信息形式． 当地球表层的3个子系统形成后，它们之 间又可以因获得交换信息而消除自身的某种不 确定性，并把因耦合而得到的交换信息转换成 自身的结构信息，并借以改变自身的有序化程 度或自组织关系．从交换的角度看，任何一个 子系统的结构信息只是一种可能性，只有当它 转换成交换信息时，才能形成现实的信息联系。 交换信息的作用在于沟通地球表层的自然地理 系统、天然生态系统和人类生态系统间的相互 联系，实现着各系统间的转移．结构信息转化 为交换信息是一个复杂过程，它受多种因素的 影响．交换信息与结构信息不总是绝对一致 的，因为地球表层系统的3个子系统的要素、 系统、环境这3个环节由于交换信息的沟通而 组成了纵横交错的相互作用的多层次网络．不 仅3个子系统之间有交换信息，而且子系统与 地球表层大系统之间也有交换信息．
       二、地球表层系统的信息增殖律 地球表层系统的信息与物质和能量有别， 在诸子系统的信息交换过程中，信息不仅可以 复制，还可以通过重组而得到增殖，整个地球表 层由简单到复杂的演化都是信息增殖的结果．
        1．地球表层系统从结构属性到功能属性的 信息增殖过程 地球表层系统作为太阳系的一个相对独立 的子系统有其特有的结构信息，在与太阳系的 结构信息发生相互作用的过程中，出现了耦合 的交换信息，双方都表现为由结构属性向功能 属性转化；对于太阳系，太阳的热辐射是一种 熵增过程，而对于地球表层，则是信息的来源． 交换信息的出现，使地球表层由自然地理 系统向天然生态系统演化，该演化过程以用不 同方式重组太阳能为标志．其中植物、菌类和 动物是组成天然生态系统的3个环节，也是生 物进化的3条路线，它们有各自的取食或营养 方式，以此决定其生态位和进化方向：光合路 线、吸收路线和摄食路线．进化的终极目标是以 各种方式直接或间接地获取太阳能，从而使能 量在地球表层得以重新分布且更有序，使原来 地球表层的结构信息在向交换信息转化中达到 增殖． 天然生态系统在内外信息交换中，又从新 的结构信息向新的交换信息转化，它与自然地 理系统的结构信息相互作用，具体表现为：光 合作用使植物放出氧气，氧气产生臭氧而形成 臭氧层，从而吸收紫外线，、光合生物改变了自 然面貌及生态环境；环境变，生物也变，氧呼 吸提高了代谢的效能，同时在有氧大气下，早 期生物能向更大的空间发展，从而扩展了生态 位． 所有的原核生物都始终停留在原始的单细 胞阶段，真核细胞的出现导致了生物向高水平 发展．在功能属性上，出现了由核酸和蛋白质 组成的控制体系，使其在信息交换过程中，促 使真核生物向高级体型发展．变异与遗传是生 物进化的基本动力．遗传就是DNA分子中核 苷酸排列序列，即结构信息的复制；变异就是 DNA结构信息与环境的结构信息交换后的重 组，即经过自然选择而积累到一定的量，就出 现增殖过程，最后形成一种新的模式．这种新 ’的物种具有新的结构信息，它是生物系统在更 高的水平上对环境的适应行为．可以说生物性 自组织过程就是生物体与其环境构成一种演化 的生态系统，信息增殖则创造出不同的生活型 和生态型，如植被演替、鸟类迁徙、生态变迁 等都是信息增殖的外在表现． ：以上表明，信息增殖是有机生命体的本质． 信息增殖的原因不在于信息量的增加，而在于 生命系统具有创造新信息和在不消耗额外能量 的前提下选取有价值信息的能力，在于对所获 取信息的重组。
     2．地球表层系统在参与功能与认识功能相 互作用中的信息增殖过程 人类的出现是智能性自组织过程的标志， 是信息增殖的一次伟大飞跃，从此信息增殖由 自然增殖进入人工增殖的新阶段．人类创造性 思维是由自然信息转化为概念信息从而实现精 神信息增殖的重大途径．只有人脑才能对各种 自然信息进行加工，从而将它变换成为能够反 映人的自我意识的精神信息。这种精神信息为 自然界增加了崭新内容，当精神信息在全人类 的交往中形成信息范型时，人类就按照这种新 的模式，创造出人工自然． 智能性自组织过程在地球表层系统的演化 中，突出地表现为两重性，即人类作为地球表 层系统参与者的认识与被参与的地球表层生态 环境变化之间的双重联系．参与者的认识是人 类行为的依据，这种参与功能直接影响着地球 表层的变化；而由地球表层结构信息的变化所 影响的参与者的认识是一种被动的联系．这种 认识功能与前述的参与功能之间的相互作用永 不停止，它表现在人类与自然地理系统和天然 生态系统处于永远追求协调发展的信息增殖过 程中．智能性自组织过程中的物质和能量的分 布与原始性自组织过程和生物性自组织过程中 的相比具有较高的质． 人类的智能使交换信息出现了信息增殖的 新特质，即由真理性评价转换到价值性评价． 如果地球表层系统的价值有一组的话，那末人 类应选取价值大的一个系统才是合理的．当人 类以其科学家集团作出判定时，不同的科学家 可以有不同的选择，这取决于给哪些价值以优 先地位，甚至不仅是真理性和价值性评价，而 且还要依赖大量心理、社会、历史等因素，这 是一个由交换信息到全人类的信息范型的增殖 过程．
    3．地球表层系统的进化是信息增殖与熵增 的对立统一 地球表层系统在与其3个子系统和地外系 统相互作用的过程中，能吸取外界的信息以克 服内部的熵增．3种类型的自组织过程就是使 系统重组为更加有序的状态，使其信息增殖， 它表征着地球表层系统演化过程的方向性、不 可逆性及复杂性．地球表层系统演化的全过程 就是其物质组成的分布、能量的聚集受控于信 息模式的自组织过程，生命的诞生、人类的出现 都是信息增殖的形式化．地球表层系统在其所 依赖的子系统和地外系统之间相互作用的过程 中，接受信息，产生变异，调节自身的结构状 态，在信息反馈中使系统能够在差异中创造回 一，把变异转化为自身结构，使系统增加新质． 具有新质的系统一旦出现，就将被保存下来， 使信息增殖有了存贮的新载体．当这种信息增 殖达到阈值时，地球表层系统就会有新突破， 从而进入更高一级的形式． 无论哪个系统，其内熵流总是大于零的， 这是任何系统也克服不了的退化之源．从总体 上看，只有信息增殖大于熵增，地球表层才得 以演化到有机界，直到人类以及其他生命体的 出现．地球表层的整个演化过程是信息增殖与 熵增的对立统一．
        三、地球表层系统信息增殖的进化论诠释 地球表层系统的信息增殖也可一般地认为 是该系统的杂化、异化、结构多样化、形态丰 富化和多层次化的缘故，这就导致了地球表层 系统的层次往往具有相对性和条件互转性，从 而使其子系统的发育呈多向性．地球表层堪称 大自然信息增殖的杰作，它使气态、液态和固 态分层，从而形成大气圈、水圈和岩石圈，并产 生丰富的地貌．接着是原始性自组织过程、生 物性自组织过程和智能性自组织过程的杂化、 异化、叠加等，它们以一定的系统化或信息增殖 为必要条件，而地貌丰度、营力不稳与系统的 信息增殖这三者之间有一种互为因果的关系． 地球表层系统的每一步进化，都是其子系 统相互作用，从而由结构信息的耦合转化为交 换信息的过程．它也是一种协同过程，在该过 程中交换信息具有媒介的作用，地球表层系统 的各部分均对此媒介作出贡献，同时又从媒介 的信息增殖中得到相干的信息．它具有序参量 的作用，该序参量在低层次使役着诸子系统， 或子系统的子系统，而同时又在高层次或同等 层次系统提供宏观或中观有序的状况，序参量 压缩了信息使其成为信息子，信息子是连接高、 低层次的序参量．在地球表层的低层次系统 中，各子系统发射触发其他子系统的结构信 息，就可将自身结构向特定的关系集发生转移． 交换信息最初可能具有随机性，但是交换信息 通过竞争和合作，最终达到统一，从而导致一 组序参量所主宰的新自组织系统．这时交换信 息所表现的特征是微观上被压缩，宏观上产生 增殖，在更高层次上与地球表层系统或同层次 子系统内部建立了更和谐的局整关系． 地球表层系统无论是退化还是进化，都是 系统与内外环境相互作用面导致新信息出现的 结果．由信息增殖所形成的不断更替的链条， 是地球表层系统向高层次转化的必由之路．与 前两个过程相比较，智能性自组织过程不仅通 过生物遗传密码传递信息，而且递过教育传递 信息，文化就是信息增殖非线性增长的结果． 在当前知识爆炸、各种新观点倍增的年代里， 寻求统一的概念和原理来创建未来世界文化格 局的吸引子——地球表层的生态意识及全球生 态文明观，不仅是各个领域的科学家应该在信 息增殖意义上共识的重任，而且是一个关系到 全人类能否生存下去的伦理规范的确立问题．