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界壳论进展 (4)

(4) 界门的定量描述

2002.08 公布于 http://potentialscience.org

曹鸿兴

1 界门的空间量度与功能

界门有着多种多样的形式, 有显式的也有隐式的, 如一个国家的口岸是公开的, 即显式的; 走私和偷渡则是秘密的, 即隐式的. 人有两个鼻孔进行呼吸, 而众多的汗毛孔也有呼吸作用; 鼻孔和汗毛孔的界门形式是很不相同的. 因此要对界门进行定量描述并非易事. 我们从简化问题着手, 只考虑界门的空间量度与界门功能, 来定义一个界门量度指数.

1949年后, 我国的对外开放口岸一直维持在二十余个, 一直到改革开放口岸数才迅速增加, 到1990年代口岸比过去翻了几翻, 每个口岸的功能也大大扩增. 生命的进化是生命体复杂化的过程, 也是生命体界门增加以及功能复杂化的过程, 它是研究界门的有趣的例子.

2 界门与生物进化

界膜在原始生命形成过程中的作用是众所周知的。通过界膜，多分子体系从外部吸收物质、排出废物，这是一种原始的物质交换，是通过渗透来完成的。经过漫长的进化，产生了细胞膜替代原始的界膜，对内外物质交换的控制作用更加完备，于是出现了细胞，细胞膜是通过离子通道来和周围环境进行交换的。

从动物进化来看，愈是高等生命，它与环境的通道愈多，界门的司职愈细。如水螅之类的腔肠动物只有口腔没有肛门，即口和肛门合二为一，食物从原口进入腔肠，在腔肠里消化，废物仍由原口排出，也就是进食和排便为同一个器官。

随着动物向前进化，通向外界环境的通道增加了，如扁虫，消化道仍象腔肠动物那样缺少肛门，但生有排泄器，它是一种特殊的管道系统，叫原肾管，在间质里缕分细管，在体表某一部位有几个排泄孔道通向外界。一直到扁虫，口与肛门开始分离，前端的腹面上有口，上面有孔，叫吻孔，是由肌肉构成的管状突出物，叫吻管，吻管是捕捉食物和抵御敌人的器官。生物一直进化到爬虫类以下，肛门和生殖孔道是合二而一的。

动物从细胞水平分化到组织水平，再分化到器官水平，身体各个系统越来越完善。首先是消化系统，对外的界门是口和肛门，接着是排泄系统，与环境相通是排泄口，这时液体和固体排出物分从不同的阴门排出。随后循环系统和呼吸系统发展，呼吸系统对外通道在水生动物为鳃，随着地质和气候的变迁，水生向陆生动物发展，陆生动物的呼吸通道是鼻腔。生殖系统的完善使动物在繁殖后代上更能适应各种不利的环境条件，为保存物种打下了生理基础。但至今，即使象哺乳动物、人类这样的高级生命，生殖和排泄的通道仍然是合二而一的。

在信息系统方面，舌司味觉，鼻孔兼司呼吸和嗅觉，双耳司听觉和平衡，双眼司视觉，皮肤司触觉和发汗，这些都是为获取信息而开在人身上的通道。但鱼类只有内耳，没有和外界直接相通的耳道。因为鱼生活在水里，声波在水里传播能引起比较大的振动，能透过表皮将声音传到内耳。这意味着鱼少了一个直接通向环境的通道。

原生动物没有眼睛，如不少种蠕虫和贝类，比如众所周知的蚯蚓，皮肤有很多感光细胞，它是原始的视觉器官，虽然没有眼睛，却能感觉到人都难以察觉的光线。文昌鱼的大脑就是视觉器官，它的身体是透明的，感光细胞分布于神经干上，借此区分光明和黑暗。脊椎动物身体不透明，感光的神经细胞就被迫从大脑移到外部，最后外移达到了这样的程度，即在胚胎发育阶段，有两块东西从大脑里分离出来；感光细胞逐渐进化，在其外面形成一层透明的遮盖物和有色素细胞的膜，以避免光从各个方面射入眼区．感光的地方凹陷下去，甚至变成囊状，最终形成眼睛，成为动物与环境联系的光学通道．

节肢动物生有复眼，如苍蝇两只复眼由三四千只小眼组成，每只小眼表面成六边形，复眼具有非常敏锐的视力．

动物也常发出或接受其它信号，如光信号，萤火虫发光，知了歌唱，虫鸣叫，蝙蝠能发射超声波以定向并判定猎物．这些都是动物的信息通道．

人具有眼、鼻、耳和口这“七窍”，还有肛门、泄殖道这二阴，皮肤司排泻和触觉．尤其是皮肤触觉，这点和其他哺乳动物、猿猴等大不相同的．后者都是具有毛，因此皮肤的触觉较迟钝，人没有毛，致使皮肤不但对触觉很敏感，对温度、机械、电刺激都很敏感。正是这种皮肤感受的刺激，使人与环境、其它人和动物有更多的感知，使人脑有更多的学习和认识自然、认识社会的机会。这种刺激使脑变得聪明，反过来人脑的健全又使得人的信息系统进一步进化，更趋完善．

从以上叙述我们可以综合出以下结论：随着生物进化，生命体与外界的通道（界门）在数目上增多，在功能上多样化，在行为上日趋复杂化，即从仅司消化的单通道—口腔向司食物、生殖、信息获取等多功能的通道方向发展．

3 界门量度指数

一个复杂性高的系统，相应地它的界门复杂程度也应高，否则界门胜任不了系统与环境交换的需要．这里我们定义一个指数来描述界门复杂性．

设系统Ｓ共有k个界门，第Ki个界门有mi种功能，界门功能之和为

记参考系统为Ｒ，其界门功能为ＫＲ，定义系统Ｓ的界门量度指数为

取对数是因考虑数学演算的方便. 参考系统的选取需视研究对象而定，可以取同类系统中界门功能和最小的系统作为参考系统，一个开放系统要与环境实现交换,至少要有一个界门，该界门至少要行使两种功能，如某一量的输入和输出，这时界门功能和为K=1×2=2.所以在对某些系统比较时，取K=2的最简单系统作为参考系统是方便的，这时界门量度指数为