生态系统是指在一定的空间和时间范围内，在各种生物之间以及生物群落与其无机环境之间，通过能量流动和物质循环而相互作用的一个统一整体。耗散结构理论是由比利时物理学家普利高津1969年首先提出的，按照普里高津的理论：“一个耗散结构的形成和维持至少需要4个条件：一是系统必须是开放系统；二是系统必须处于远离平衡非线性区；三系统必须是远离平衡的自组织系统；四系统有某些非线性的动力学过程，通过结构、功能、涨落之间的相互作用达到有序”。从以上耗散结构形成和维持的4个条件中我们不难看出，生态系统是耗散结构系统。

 

从系统与环境关系分析，系统分为孤立系统、封闭系统和开放系统。孤立系统是指与环境交换的物质和能量很少，它会自发趋于无序的平衡态；封闭系统指与环境仅有能量交换的系统；开放系统是指与外界环境既进行物质交换、又进行能量和信息交换的系统。只有开放系统才能形成耗散结构。恩格斯在《自然辩证法》中指出“整个自然界被证明是在永恒的流动和循环中运动着”。生态系统中多种多样的要素相互作用、相互关联，形成物质流、能量流、信息流的交汇，贯通整个生态系统，形成一种活的有序态，充满了生机活力。正因为生态系统不断从外界环境中吸取负熵流来抵消系统本身产生的正熵，从而为维持生态系统的平衡、稳定，使系统实现从无序到有序、从简单到复杂的演化。因此生态系统是开放系统。

 

1. 生态系统与外界环境进行着物质交换

 

在生态系统中，物质经生产者、消费者和分解者，回到无机环境，是个周而复始的过程。这包括两个过程：一是绿色植物等生产者通过光合作用，将光能转变为有机物的过程；二是“食草动物、食肉动物等消费者和细菌、真菌等还原者利用有机物构建自身的过程。太阳能被固定在有机物中，供食物链、食物网上的各级营养生物利用，使生物得以生存和繁衍，环境得到更新并变得越来越适合生物生存的需要。”生态系统中的物质交换遵循物质不灭原理。在生态系统中，生物有机体的生长发育所需要的钙、钾、碳、氢、氧等元素都由无机环境供给，它们作为有机体维持生命所需要的基本元素，在无机环境与有机环境之间往复运动：先是以无机盐的形式被植物从大气、水、土壤中吸收，形成植物体再被动物摄食转化，从一个营养级传到下一个营养级，从而形成了物质元素——植物——动物的消费链。微生物作为分解者又将动物残体及动物排泄物分解转化成无机化学形态的物质，归还到空气、土壤等环境中，从而被植物重新利用。

 

2. 生态系统与外界环境进行着能量交换

 

能量是生态系统的基础，生态系统中的能量流动开始于绿色植物的光合作用。如化学公式 12H2O + 6CO2 + 光= C6H12O6 (葡萄糖) + 6O2+ 6H2O 。太阳能通过绿色植物的光合作用制造出葡萄糖、淀粉等有机物进入生态系统后，便沿着食物链和食物网依次传递，形成生态系统中的能量流，以动物、植物物质中的化学潜能形式贮存在系统中。从太阳能到被生产者固定，再经植食动物，到肉食动物，再到大型肉食动物，能量是逐级递减的过程，这是因为生态系统中能量的单向流动和闭路循环除遵循能量守恒和热力学基本规律之外，还遵循“十分之一定律”。由于这一规律的作用，组成食物链的动植物排成数量、能量、重量金字塔。塔基是一大批生产者——植物，依次是为数较少的食草动物，更少的食肉动物，第二级食肉动物，最顶端是数量最少的最后消费者，这些动植物的数量又决定了生态系统中的微生物的数量。从而有利于生态系统的自稳。

 

3. 生态系统与外界环境进行着信息交换

 

生态系统存在着众多的信息联系。生态系统中的信息通过多种方式把生态系统各组分联系成一个整体，并具有调节系统稳定性的作用。动物之间的信息传递决定着生物的取食、防护等一切过程。食草动物通过眼睛感觉辨别不同植物的颜色特征。食肉动物用眼睛辨别、用耳朵对声音的反应，来追捕或威胁它的敌人。各种生物的体形和体色都有尽量与其生存环境相一致的特性。这是一种自然保护色，也是一种信息作用。

 

由以上可知生态系统是开放系统。开放系统因为可与周围环境进行物质、能量、信息交换而引进负熵流，可以抵消系统自生的结构熵，使系统内部总熵随着时间的推移而逐步减少，因此，系统可以由无序走向有序，由低有序走向高有序。

 

 

耗散结构理论认为，一个开放系统可能有下列不同的状态：其一是热力学平衡态，其二是近平衡态，其三是远离平衡态。平衡结构是死的、宏观不变的结构，不需要消耗外界的物质、能量来维持存在，在平衡态和近平衡态，系统要素间关系可以近似地用线性关系表示，其涨落是衰减的，系统不会产生质变形成新的有序结构。非平衡结构是活的结构，微观上每个子系统在不停地变化运动，这种运动构成了宏观上稳定的结构。为了强调活结构的形成和维持，需要消耗外界的物质、能量等。正是这种非平衡结构，才使系统产生和具备与外界进行物质能量和信息交换的要求和势能，非平衡是有序之源。

 

线性作用是指系统内各要素间有严格的对应关系，这种作用具有明显的独立性和对称性。非线性相互作用具有非独立相干性和时空中的非均衡性以及多体间的非对称性。只有当系统元素间具有适当的非线性关系时，通过非线性相互作用，使各个因素之间产生协同作用和相干效应，才能使系统由无序变为有序，形成耗散结构。

 

生态系统处于远离平衡态的非线性区。系统由要素组成，组成生态系统的要素都处于一种动态之中。每个生命有机体时刻都要通过同化作用和异化作用，不断地与外界交换物质和能量，以维持新陈代谢。生命现象实际上是一种远离平衡态的高度有组织的有序结构，新陈代谢过程本身也是复杂的非线性过程，一旦这一过程停止，生命就由有序走向无序，进入平衡态与熵最大的状态，单个生物体也就消失了。生产者、消费者和分解者都是由这些单个生命有机体通过非线性相互作用组成，其中任何一个要素的变化都不会只受另外一个因素的单一影响，而是受到了多种因素的综合作用。生产者、消费者和分解者与无机环境又通过非线性相互作用产生协同作用和相干效应，形成生态系统耗散结构，并且使系统由无序变为有序，由低有序进化为高有序。生产者、消费者和分解者之间，以及它们与无机环境具有非独立相干性和时空中的非均衡性以及多体间的非对称性的关系。而不是独立性、均衡性、对称性的线性关系。例如，淡水生态系统即是处于远离平衡态的非线性区，“水参与动植物体内复杂的新陈代谢过程。如人体中平均含水70%，其中血液含水产品79%，淋巴液含水96%”。所以生态系统处于远离平衡态的非线性区。

 

对一个开放系统而言，自组织系统指无需外界特定指令而能自行组织、自行创生、自行演化，能自主地从无序走向有序，形成新的有序结构的系统。自组织是说明系统中所包含的各个运动变化的子过程间的相互协作、竞争，使过程演化为有序。“生态系统中的各级结构，生物的种类，自行协调、自我组织，形成一个具有自我调节功能的系统。生物物候形成的四季循环正是非平衡系统中的时空有序态。”

 

生态系统是自组织系统，因它无需外界特定指令而能自行组织、自行创生、自行演化，能够自主地从无序走向有序，形成新的有序结构的系统。昼夜更替，一年四季，自行循环往复，整个自然界处于一个动态平衡，是非平衡系统中的时、空有序态。在自然界，生态系统能自行趋向与达到一种有序状态，使系统内的所有成分彼此互相协调，这种有序状态是靠一种自我调节过程来实现，借助这种自我调节过程，各个成分都能使自己适应于物质和能量输入和输出的任何变化。例如，某一生态环境中的动物数量决定于这个生境中的食物的数量，最终这两种成分将会达到一种平衡。这时动物与环境之间处于相互协调的状态。如果因为某种原因（雨量减少）使食物产量下降，因而只能维持比较少的动物生存，那么这两种成分间的平衡被打破了，这时动物种群之间就就出现了生存竞争。自组织能力较强的一方战胜自组织能力较弱的一方。自组织能力较弱的一方因得不到外界环境中的负熵，这一方逐渐成为封闭系统，向最无序、熵最大发展，直至消失。自组织能力较强的一方因能得到外界环境中的负熵来维持自身稳定，与环境之间又建立一个新的有序状态。生态系统也进化为更有序的耗散结构。生态系统中生命成分和环境压力之间具有一种相互制约、彼此影响的关系。

 

 

自复杂性科学兴起后，对于一个动力学过程，人们理解为：这些过程包含着一系列子系统或子过程，按照协同的原理相互作用，自发地组织起来进行的，它们之间的关系常常是非线性的。生物与环境之间就是非线性相互作用的关系。环境在不断改变，生物不断进化适应环境，物竞天择，适者生存。“使生态系统对外界环境的阻力具有一定的自组织能力，通过结构、功能、涨落的调节，使生态系统不断地形成新的稳定有序结构，这也是生态系统进化和演替的原因。”外界环境的变化会引起系统结构和要素的改变，相应地引起系统内诸要素相互关系和功能的变化。

 

生态系统通过结构、功能、涨落的调节，不断地形成新的稳定有序结构。涨落即系统某个变量对平衡值的偏离，是指一些微小的扰动。当系统处于远离平衡态的非线性区域时，小涨落可通过非线性相干作用和连锁效应被迅速放大，形成宏观整体的巨涨落，从而导致系统发生突变，产生有序演化，形成耗散结构。协同是系统整体性、相关性的内在表现。竞争是系统演化最活跃的动力，竞争中当然包含了优胜劣汰。

 

长颈鹿是生态系统耗散结构经过涨落，系统发生突变，经过协同、竞争的作用才进化而来的。根据化石证据，相对现代的长颈鹿祖先是生活在二、三千万年前的一种矮鹿，由于环境的改变，使它们的颈部得到锻炼，而且这个后天获得的生物性状遗传给了子代动物。当生态系统处于远离平衡的非线性区时，这个生物性状就经过通过非线性相干作用和连锁效应被迅速放大，形成宏观整体的巨涨落。由矮鹿生态系统低有序结构，发生突变，产生有序演化，终于进化成了今天长颈鹿耗散结构系统。在这一进化过程中，每次进化都出现出现了若干个选择分支，但只有最适合环境变化、自我完善与自我调节能力最强的分支，最终被环境一次次接受下来，最终使现在的长颈鹿生活在地球上。

 

从上可知，在非线性相互作用中，不同的系统、元素相互合作与竞争，只有能够获得到自我发展所需的负熵流的系统，才能使自身不断完善成为得以持续发展的自组织系统。

 

从上可知，生态系统具有开放性、非平衡性、非线性和自组织性特征，是一个耗散结构系统。生态系统中的生命部分必须与周围环境保持物质、能量和信息的交换获得自由能——负熵，来降低生态系统内部的熵值，并以此来维持生态系统的开放性、非平衡性、非线性以及自组织性。生态系统的开放性功能是生态系统维持其它几个功能的必要条件，而要生态系统保持开放性，就必须保持生态系统结构与功能的完整，保证生态系统中正熵流的有效减少和负熵流的增加。在建设资源节约型、环境友好型社会中，我们要从“分析性、线性思维向整体性、非线性的生态思维转变，使经济的发展保持在生态系统所能承载的能力范围之内”。在尊重自然的基础上切实有效地保护生态系统的开放性、自组织能力；“要从主要依靠资金和能源之撑经济增长，向主要依靠人力资本投入和技术进步之撑经济增长转变；要从能源——产出——废弃物线性经济增长方式，向能源——产出——废弃物综合治理——再生产能源的非线性生态经济发展方式转变”；要应用生态工艺和生态工程的原理，实行物质和能量多次利用、物质转化与再生的无污染工艺、多功能系统的完全代谢过程。增强可持续发展能力，实现经济又好又快的发展。从而使胡锦涛在十七大报告中所指出的：“建设生态文明，基本形成节约能源资源和保护生态环境的产业结构、增长方式、消费方式。循环经济形成较大规模，可再生能源比重显著上升。主要污染物排放得到有效控制，生态环境质量明显改善生态文明观念在全社会牢固树立。”的目标得以实现。

 

（作者单位：中共湖南省委党校）