超循环理论chaoxunhuan lilun

描述大集团分子自组织的一种理论。超循环理论是70年代由德国生物物理学家艾根(Eigen)提出来的。一个生命系统，可以看作是一个以蛋白质与核酸为基础，由多种分子所构成，具有严整结构和自我更新与自我复制功能的系统。生物的生命活动，最终都可以看作是一系列的生化反应，而这些生化反应都形成一个循环过程，即反应的每一步的某一产物都参与下一步的反应。图1所示的生化反应，酶(E)先是参与反应，然后在反应结束时被分离出来，继而又重新参加新的反应。在这个生化反应中，每一步的产物E都是下一步的反应物，这种循环结构叫反应循环。又如图2所示的自催化反应循环，在这个循环中，作为反应产物的Ⅰ反过来又参加到新的反应过程中，从而促进自己的增长，这种循环结构称为自复制单元。生命现象包含着许许多多各色各样的由酶的催化作用所推动的各种循环，这些都是基层的循环，在此基础上，艾根定义了超循环的概念：经过循环联系把各种自催化或自复制单元等基层循环连接起来的系统，叫做超循环系统或超循环结构。如图3所示，每一个生化反应I₁,I₂，…，In都是一个基层循环，它们又经过循环联系在一起而形成一个超循环结构。在生物界中，许多生化过程都是超循环的实例。在超循环中，可以积累生命进化的信息，可以出现各种新陈代谢、繁殖和遗传变异等生命现象的特征。研究表明，大分子集团依借这种超循环组织，可以形成稳定的结构，并能进化变异。与耗散结构理论相对照，可以发现，超循环理论实际上是自组织理论的一种具体形式，是自组织理论在分子、大集团分子层次上的具体化。超循环理论进一步论证了稳定、突变、自组织等共同概念，定量地描述了分子的自组织过程，提出了解决生物进化问题的一个可能方向。

图1

图2

图3

超循环理论

关于非平衡态系统的自组织现象的理论。西德科学家艾肯(M.Eigen,1927—)在20世纪70年代直接从生物领域的研究中提出的。在生命现象中包含许多由酶的催化作用所推动的各种循环，而基层的循环又组成了更高层次的循环，即“超循环”，还可组成再高层次的超循环。超循环系统即经循环联系把自催化或自复制单元连接起来的系统。在此系统中，每一个复制单元既能指导自己的复制，又能对下一个中间物的产生提供催化帮助。艾肯在分子生物学水平上，把生物进化的达尔文学说通过巨系统高阶环理论，进行数学化，建立了一个通过自我复制、自然选择而进化到高度有序水平的自组织系统模型，可解释多分子体系向原始生命的进化。这个理论在科学界仍有争议，但无疑地把系统科学研究推进了一步，也促进了各学科的联系。

超循环理论

从生物领域研究非平衡系统的自组织问题的理论，是非平衡系统的自组织理论的一个重要学派。它的中心思想是要说明在生命起源和发展的化学阶段和生物学进化阶段之间，有个分子自组织阶段，在这个阶段中，形成了具有统一的遗传密码的细胞结构。这种统一的遗传密码的形成并不在于它是进化过程中唯一可以进行的选择，而是因为在这一阶段形成了一种超循环式的组织，这种组织具有一旦建立就永存下去的选择机制。超循环理论通过建立生命现象的数学模型，把生命起源、生物进化的达尔文学说，在分子生物学水平上，通过巨系统高阶环理论数学化了，提出了自组织系统的模型，并以此导出生物的一些生殖、遗传、变异、进化的性状。所谓超循环，是由循环组成的循环，并且是具有催化功能的超循环，即是通过循环联系把自催化循环联系起来的循环。在这样的超循环系列中的每个元素既能自复制，又能对下一元素的产生提供催化作用。遗传秘码的复制就是用这种超循环组织来保证的。超循环是能够积累、保持和处理遗传信息的大分子组织的最低要求。1971年，联邦德国生物物理学家艾根正式提出超循环理论。超循环理论从分子水平研究进化，寻求化学进化与生物进化之间的关系，这对沟通非生物与生物系统的研究有着重大意义。超循环理论已开始用于社会、经济等领域的研究。