耗散结构理论视角下我国青少年生长发育状况的空间分布机制研究*

王 惠



耗散结构理论视角下我国青少年生长发育状况的空间分布机制研究*

王 惠

（厦门大学嘉庚学院体育教学部，福建 漳州 363105）

借助物理学中的耗散结构理论，探究我国青少年生长发育状况空间分布形成的机制，以期为编制区域发展规划、促进区域青少年健康成长提供相应的理论参考。

耗散结构理论；青少年；生长发育；空间分布

青少年生长发育是一个集遗传学、生物学和社会学等科学为一体的复杂生命过程，是人口发展的重要方面。青少年生长发育空间分布与再分布状况是一个包含自然意义、社会意义、经济意义、地理空间意义、生态意义等诸多内容的复合型范畴。这些内容的每一个方面都会影响其分布与再分布状况，从任何单一的视角去研究青少年生长发育状况的空间分布与再分布都难免有失偏颇。因此，有必要从其他视角出发，寻找决定其分布状态及其转变的自然、社会、经济和生态定律之外的原因。据奥地利著名理论物理学家、一般系统理论创始人贝塔朗菲（L.V.Bertalanffy）的划分，科学定律可被分为物理学定律、生物学定律和社会学定律三个层次[1]。生物学和社会学定律虽然是比物理学定律更高的层次，但是两者都要以物理学定律为基础，并最终“还原”为物理学定律。因此，要跳出对青少年生长发育状况空间分布与再分布的研究在经济、社会定律中“徘徊”的“怪圈”，就必然要转向更基础的物理学定律和物理系统中去寻找答案。

1 耗散结构理论

耗散结构理论最早由比利时布鲁塞尔大学教授伊里亚•普里戈金(Ilya Prigogine)于20世纪60年代末期提出，并于70年代初发展成为一种新的“非平衡热力学理论”。耗散结构理论提出后，在自然科学和社会科学界产生了巨大影响。由于耗散结构理论具有普遍的适用性，所以后续研究不仅将它应用于物理学，同时在化学、生物学和社会科学等领域受到广泛采纳。

图1 耗散结构形成的过程

耗散结构理论可概括为：一个远离平衡态的非线性的开放系统（包括物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统）不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称之为“耗散结构”(dissipative structure，见图1)。

2 青少年生长发育状况空间分布的耗散结构特征

系统论的创始人贝塔郎菲曾说过，任何一个生命有机体，本质上都是一个开放系统。青少年生长发育状况的空间分布归根结底属于人口空间分布的一部分，而人口的空间分布又是涉及多重因素、多结构、多维度的一个大的开放系统。因此，可以将青少年生长发育系统视为人口空间分布这一开放系统中的一个子系统。

2.1 青少年生长发育系统的开放性

孤立的系统是不会产生耗散结构的。系统论的创始人贝塔郎菲曾说过，任何一个生命有机体，本质上都是一个开放系统，它处在一个连续不断的吸收与释放过程中，在不断地构成与破坏中保持自己，只要他活着，就不会处于热力学平衡状态[2]。青少年生长发育系统是一个典型的开放系统，它与环境间总是不停地进行着物质和能量的循环。一方面，从环境中获取的物质和能量，包括组成人体基本元素的氧、碳、氢，以及后期成长所需的蛋白质、维生素和脂类等营养物质，另一方面，又在不断的通过自身能动性，改变着环境，从而使整个生长发育过程按规律进行运转。另外，青少年生长发育系统内部的各种现象和变动，如青春期、营养不良、肥胖，以及其人口分布特征和系统内部各种结构的形成，均与这些物质与能量的输入发生直接或间接的联系。

2.2 青少年生长发育系统的非线性机制

人口系统的另一个显著特点，是它本身具有非线性的作用机制。普利高津形象地用“涨落”来描述这种非线性关系。而对于耗散结构来说，涨落却成了促使系统从不稳定的状态跃迁到一个新的稳定的有序状态的积极因素，是形成新的稳定有序结构的杠杆。

在青少年生长发育的过程中，涨落时刻存在。如自然环境的改变、人口政策的出台、医疗卫生条件的改进等，都是青少年生长发育系统的涨落。然而，随着时代的进步和社会的发展，涨落发挥的作用大小也在不断变化。如，在生产力发展水平较低，自然条件作为主导因素的早期，青少年的生长发育分布状态表现出，趋向于自然条件优越或资源更加丰富的区域更加优越，而自然条件恶劣地区青少年发育水平较低。而在物质文明高度发达的今天，经济和社会发展水平成为影响青少年生长发育的主因，自然因素和人口政策等涨落逐渐退居次席[3]。但因为青少年生长发育受到多种因素的影响，因此不同地区或不同时期青少年生长发育系统空间耗散结构的出现、耗散结构的稳定性以及涨落的出现均是有差别的，这也是青少年生长发育水平出现非线性特征的主要原因。

2.3 青少年生长发育水平的非平衡性

非平衡是指任何系统都是开放的、流动的, 必须要能同外界不断地进行物质、能量、信息的交换……[4]判断系统是否处于非平衡状态的主要依据是此系统是否对内、对外不断的进行能量交换。而由于系统对内、对外发生能量交换的状态、性质以及物理量不同，必然会使能量交换的结果出现差异。可见，差异是系统非平衡状态的特性之一。

如前文所述, 青少年生长发育的分布状况是自然、历史和经济等诸多因素综合作用的结果，而这些影响因素对不同区域青少年生长发育产生的作用大小不一。从自然条件来说, 不同区域自然条件优劣程度不一, 自然环境优越的区域青少年生长发育状况好于环境较差的区域是符合自然规律的；经济发展水平高一些、社会公共服务基础好一些的地区,青少年生长发育可获得物质基础更加充足, 其发育水平高一些，也是符合经济规律的。所以，不同区域自然和环境与青少年生长发育系统进行能量交换的效果不一，导致青少年生长发育出现地域性的差异，而这些差异的存在是符合自然和经济规律的，可见非平衡是有序之源[5]。

2.4 青少年生长发育过程的不可逆性

我们不能交换过去和未来[6]，表明了时间的不可逆性。青少年的生长发育过程同样也具有不可逆性，虽然在生长发育的过程中会出现一些波动或发育不均衡等，但在正常的生长环境下，其过程永远是按照：婴幼儿期→儿童期→青少年期→成年期→老年期的轨迹进行，绝不会出现后一种状态同前一种状态完全一样或逆向生长的现象。这一过程将按照遗传潜能决定的方向、速度和目标发育，称之为“生命轨迹现象”。由于影响青少年的生长发育的因素较多，不可避免的造成青少年生长发育水平的地域不平衡，也就是形成一定的空间分布状态。但这不能够改变青少年生长发育的轨迹，反而会促进一些区域形成新的耗散结构。也正是因为这种不可逆特性的存在，才促使青少年生长发育水平日益提高。

3 热力学定律下青少年生长发育空间分布机制（熵变模型）

熵的概念[7]是由德国物理学家克劳修斯于1865年所提出。根据热力学第二定律，一个系统状态的变化总是与状态函数熵（）的变化有关，系统的熵越大，系统越趋于无序和混乱，反之，系统的熵越小，系统越远离平衡态而接近有序。在开放系统中，系统的熵可以被分为两个部分，即系统内部产生的熵变和系统与外界环境之间熵的交换。其中可正可负，当外界与系统之间交换的是正熵流（），时，系统不但不会形成有序的耗散结构，反而会使系统更加的混乱；只有当外界输入系统的为负熵流（），使系统的总熵变时，系统才能进入相对有序的状态[8]。的部分则永远为正。三者之间的关系为[9]：

由于青少年生长发育系统同样具备耗散结构的特征，因此，它的空间分布状态同样可以用熵来表示。熵越大，表示青少年生长发育系统与环境的契合度越低，其分布状态没有规律性。熵越小，表示青少年生长发育系统与环境和谐统一，其分布状况态呈明显的规律性。和是构成总熵变的两部分，因此，和的相对大小和解决定了的变化。具体在青少年生长发育状况方面（图2），（系统内熵）可以理解为由于出生、死亡等自然增长状况等不可逆过程引起的青少年生长发育状况发生的变化（熵变）。

图2 青年少年生长发育系统与外界环境熵的交换

（系统外部熵流）可以理解为青少年群体在生长发育的过程中与周围环境之间相互作用而产生的熵流。

3.1 当 diS ＞ deS，总熵变dS ＞ 0 时

当周围环境不能提供给系统发展以足够的能量，环境所提供的负熵流（见表1）不足以抵消系统内部不可逆过程引起的熵产生。整个系统的总熵增加，系统空间的有序性降低并向混乱无序状态转化。从青少年生长发育空间分布状况来看，在我国改革开放初期，由于社会生产力水平较低，城镇化建设发展不足以及“二元制”人口政策的影响，使得人口流动能力受限，大量人口聚集于农村地区。但农村有限的环境资源无法提供青少年生长发育所需的基本保障，导致其生长发育的水平低下；而在环境优越的城市地区，各项物质条件丰富其生长发育水平远远高于农村地区。如，1985-1990年城乡儿童身高在 5 年间都有所增加，但由于农村儿童增加的幅度不如城市，所以城乡差距有所扩大，农村儿童生长发育状况不如城市的原因，农村人口基数大、生活水平低下、医疗卫生条件不如城市，可能是其主要限制因素[10]。因此为更好促进青少年生长发育，寻求更有利于青少年健康成长的环境，需要分散落后地区青少年生长发育系统内部产生的熵，在目前空间分布的状态下进行再分布，以缓和系统和环境之间的矛盾。

3.2 当 diS ＜ deS，总熵变dS ＜ 0 时

当周围环境输入系统的是负熵流，并且这个负熵流足够的强大，它除了能抵消掉系统内部的熵增以外，还能够使系统的总熵减少。从环境对青少年生长发育影响的角度来看，随着社会生产力的不断提升，人们生活水平日益改善，东部地区社会环境供给青少年生长发育的物质条件日益丰富，东西部青少年生长发育水平出现差异，呈现出，从较低级的耗散结构变为更高层次的更稳定有序的耗散结构的过程。而在社会经济发展比较正常和顺利，经济发展保持较高水平、医疗卫生条件完善和人口政策都较为合理的情况下，青少年生长发育系统往往处于这种熵减少的状况，这也促使了青少年生长发育空间再分布逐渐趋于合理。

3.3 当 diS = deS，总熵变dS = 0 时

从耗散结构理论方面来看，当环境产生的负熵流与系统内部不可逆过程引起的熵流相同，两者相互抵消导致系统的总熵等于零，总熵不再发生变化而达到极小值，系统在这一空间内可以维持一个低熵非平衡态的有序结构。这时候青少年生长发育系统处于某种特殊的平衡状态，维持在一个稳定格局。以我国目前青少年生长发育的空间分布来看，随着社会各项事业的高速发展，城镇化建设的加快，中西部和农村地区经济生活水平的提高，整个社会环境可供给青少年生长发育的物质基础日益丰富，促进了青少年生长发育呈稳定的空间分布。当前我国青少年生长发育的空间分布状态基本已经形成：点状分布（城市和农村）、面状分布（东部沿海和西部内陆）、线状分布（同一纬度）和垂直分布（高原和平原）的规律，并且这一空间分布状态在短时期内不会发生较大的改变。

表1 影响青少年生长发育的主要环境负熵来源

负熵来源主要内容 自然环境纬度、海拔高度、日照时间、降水量、海陆位置、土地肥沃程度、矿产资源和空气质量等 社会环境经济发展水平、家庭收入、教育水平、医疗卫生条件、人口政策和公共体育设施和服务等

4 结论

4.1 耗散结构的形成反映了我国儿童青少年生长发育状况非均衡分布的基本特征

所谓“均衡”，基于人地关系角度，我们可以将“均”定义为数量的均匀分布，将“衡”定义为系统与经济社会、资源环境承载力之间的平衡[11]。从全国格局来看，东部地区经济承载力较强，资源承载力不足；中部地区经济承载力不足，资源承载力较强，西部地区经济和资源承载力均不足。可见，中国的人口分布现状是既不均，又不衡，这也是我国青少年生长发育状况空间分布现状。

耗散结构的形成过程直观揭示了我国青少年生长发育空间分布的主要特征，东、西部和城乡青少年生长发育空间分布的差异客观反映了，中国自然环境、经济发展和医疗卫生等负熵大小差异引发的生长发育状况空间变动差异。这也从另外一方面说明了，青少年生长发育状况虽在空间上不平衡，但与自然地理条件、经济环境是相平衡的、适应的。均衡分布的要义就在于“均而不衡，衡而不均，不患不均，重在求衡”。只有这样的不平衡才是合理的、符合客观规律的。

4.2 从全国格局来看，未来东部沿海地区“增长极”的极化效应将有所减弱

当前，全国人口已形成“三极、一带”的增长态势。所谓“三极”，一是东北部形成以哈尔滨为中心的“松嫩平原增长极”；二是形成以北京、天津等大城市为核心的“大京津冀增长极”；三是西北部形成以乌鲁木齐、伊犁等为核心的“北疆增长极”。“一带”，则是形成由长三角经济圈起，往南至南宁的“沿海人口增长带”[12]。在人口出现增长极的地区，儿童青少年生长发育水平高于其它地区。其原因在于，人口增长极地区，由于这些区域拥有更加优越的自然、社会等条件，区域内环境所产生的负熵流大于人口系统内部产生的熵流，这些区域表现出更加强大的内能流，既吸引青少年人口数量的增加，同时提高整个区域内青少年生长发育水平。

而由于“少子化、高流动、老龄化”已成为中国未来人口发展的新常态，因此，在经济发展水平区域差距加大并主导人口区域流动的情况下，未来东部沿海和大城市地区青少年生长发育水平高于其他地区的大趋势仍将继续。但在中国实施特大城市人口严格调控、区域经济均衡发展战略、城镇化建设、西部大开发等政策性负熵流的输入，结合目前已显现的东部地区人口占比增幅下降及城镇化增速放缓的趋势判断，东部沿海地区“增长极”的极化效应将会有所减弱。

4.3 从区域内城乡格局来看，负熵流的引进逐渐弥合城乡之间的差异

依据耗散结构理论，使青少年生长发育系统由无序到有序，就必须降低熵值，也就是要引进负熵流，使得系统达到一种新的稳定有序状态。长期以来我国城乡经济的差异和“二元制”人口政策使得城乡地区在多方面的差距愈加明显。表现在青少年生长发育方面，如，1991年广东省7-18岁城乡男生身高的差距平均值为4.6cm，女生为3.8cm，差异明显[13]。乡村青少年生长发育水平低于城市地区的最主要原因是由于乡村物质条件的匮乏和青少年人口基数较大，无法供给其生长发育足够的营养保障，乡村青少年人口系统内部产生的熵流大于环境产生的负熵使得矛盾加剧。

而伴随着“三农政策”、“城镇化建设”、“新农村合作医疗”等政策的实施，乡村地区在生活水平、营养供给和医疗卫生等方面取得长足进步，使得这一状况有所改观。如，2010年一项研究表明青岛市7-18岁城乡学生的身高分别为男生157.6cm、157.9cm、女生152.2cm、152.1cm，差异已基本消弭，甚至反超[14]。正是经济性、政策性等负熵流的输入使得乡村环境可提供青少年生长发育的条件得以充实，青少年系统内部产生的熵逐渐减小，促使其生长发育水平日益提高，同一区域内城乡之间的差异逐步消除。

[1] 林益.一般系统论研究的过去、现在和未来(上)[J]. 空军工程大学学报·自然科学版,2001，2(6):1-6.

[2] 路德维希·冯·贝塔朗菲著,吴晓江译.生命的问题[M].北京:商务印书馆,1999:160.

[3] 高国柱.环境因素对中国城市青少年体表面积发育的影响[J].人类学学报, 2016，35(3):446-456.

[4] 赵凯荣.复杂性哲学[M].北京:中国社会科学出版社,2001，63:65-70.

[5] 刘承波.从无序到有序:试以耗散结构论分析创新的机制[J].学术研究,2002(1):17-19.

[6] 普利高戈津等著,曾庆宏等译.从混沌到有序·人与自然的对话 [M].上海:上海译文出版社,1987.

[7] J·里夫金,T·霍华德著,吕明,袁舟译.熵:一种新的世界观[M].上海:上海译文出版社,1987:5.

[8] 童玉芬.耗散结构理论与人口的空间分布[J].西北人口,1988(4):31-35

[9] 沈小峰,胡岗,姜璐.耗散结构论[M].上海:上海人民出版社,1987:91.

[10] 季成叶,尹小俭.我国乡村学生1985-2005年体格发育增长变化[J].中国学校卫生,2011，32(10):1158-1163.

[11] 朱宝树.我国人口迁移大势和胡焕庸线思考[J].南方人口,2016(1):1-8.

[12] 吴瑞君,朱宝树.中国人口的非均衡分布与“胡焕庸线”的稳定性[J].中国人口科学, 2016(1):14-24.

[13] 蔡秋茂,聂少萍,许燕君，等.广东省7-18岁儿童青少年生长发育长期趋势分析[J].中山大学学报(医学科学版), 2013，34(6):960-965.

[14] 刘艳,段海平,陈暕，等. 2010年青岛市儿童青少年生长发育城乡差别及其10年变化趋势分析[J].中国预防医学杂志, 2015(6):420-423.

Spatial Distribution Mechanism of Adolescents Growth and Development in China with the Perspective of Dissipative Structure Theory

WANG Hui

(Tan Kah Kee College of Xiamen University, Zhangzhou 363105, Fujian, China)

2016年福建省中青年教师教育科研项目（项目编号：JAS160769）。

王惠（1983—），硕士，副教授，研究方向：体育教学训练学。