復雜性科學及其對中醫藥學研究的啟示

李東濤

濟南軍區青島第一療養院中醫科，山東 青島 266071

復雜性科學[1](Science of Compledty)是一門研究復雜性和復雜系統的新興的邊緣、交叉學科。國外有學者稱復雜性科學是科學史上繼相對論和量子力學之后的又一次革命[2]，國內成思危教授認為它是系統科學發展的一個新階段[3，4]，戴汝為院士稱其為“21世紀的科學”。近年有關的學術會議和論文發表數量急劇增加，相關的研究在國內外掀起了熱潮。總之，它方興未艾，引起了國內外越來越多學者的關注。復雜性科學打破了線性、均衡、簡單還原的傳統范式，而致力于研究非線性、非均衡和復雜系統帶來的種種新問題。復雜性科學的出現極大地促進了科學的縱深發展。使人類對客觀事物的認識由線性上升到非線性、由簡單均衡上升到非均衡、由簡單還原論上升到復雜整體論。因此，我們認為復雜性科學的誕生標志著人類的認識水平步入了一個嶄新的階段，將是科學發展史上又一個新的里程碑。

復雜性研究最早的起源可以追溯到20世紀上半葉，1928年貝塔朗菲（Von Ber talanf fy）完成了描述生物有機體系統的畢業論文。自此以后的20年，在這方面做出實質性貢獻的人及其成果為：McCul-loch和Pitts的神經網絡、馮·諾依曼（John Von Neuman）的元胞自動機（cel lular automata）和維納的控制論。上個世紀50年代到70年代，普里高津提出了耗散結構理論，溝通了非生命系統和生命系統的內在聯系，說明這兩類大系統之間并沒有嚴格的界限，表面上的鴻溝是由相同的規律所支配的。耗散結構的理論是對系統宏觀性質的研究，還沒有和系統的微觀性質聯系起來。與普里高津同時代的哈肯的協同學則溝通了從微觀到宏觀的通路，使系統在宏觀上表現出來的規律能和微觀上的運動聯系起來。遠離平衡態的研究是歐洲復雜性研究的代表，但是從目前的情況來看，普里高津和哈肯所研究的系統特性仍屬于“簡單巨系統”特性的范疇，可以直接用統計學等定量工具進行處理。當這些方法運用到更復雜的系統中時，遇到了根本性的困難。1984年，在諾貝爾獎獲得者蓋爾曼（Gel l Mann）等人的發起與鼓動下，一批物理學家、理論生物學家、經濟學家和計算機專家及其它學科的研究人員聚集于美國新墨西哥州的圣塔菲組織了一個松散的研究團體，稱為圣塔菲（Santa Fe）研究所。其前期的主要學術觀點可概括為：復雜系統是由大量相互作用的單元構成的系統。復雜性的研究則是研究復雜系統如何在一定的規則下產生有組織的行為。近年來，圣塔菲研究所的一些科學家拓寬了復雜性的研究內容，把興趣逐步轉移到對混沌邊界的研究上?？傮w來看，圣塔菲研究所認識到復雜性研究的困難在于不能用傳統的方法來處理復雜系統所涉及的問題，并提出了復雜性科學這一概念。迄今圣塔菲研究所在復雜性科學研究方面所涉及的主要內容有：復雜適應系統、非適應系統(如元胞自動機)、標度、自相似、復雜性的度量。其中復雜適應系統是圣塔菲研究所集中研究的對象，而且復雜適應系統理論也是第三階段復雜性科學的主要成果。

1 復雜性

在復雜性科學研究中，復雜性是客觀事物的一種屬性，是客觀事物跨越層次的、不能夠用傳統的科學理論直接還原的相互關系。復雜性與簡單性是相對應的。簡單性一向是現代自然科學的一條通則。許多科學家相信自然界的基本規律是簡單的。愛因斯坦曾是這種觀點的突出代表。雖然復雜現象比比皆是，但人們還是努力要把它們還原成更簡單的行為主體（Agent）或過程。當然的確有不少復雜的事物或現象，其背后確實存在簡單的規律或過程。但是，另一方面也存在大量的事物和現象不能用簡單的還原論方法進行處理。事實上，簡單性與復雜性是客觀事物的兩種不同表現形式。“復雜性必須用復雜性的方法來研究”。

2 復雜系統

目前關于復雜系統的定義還很不統一，至少有30多種，如：復雜系統就是混沌系統（混沌學派）；復雜系統是具有自適應能力的演化系統(圣塔菲)；復雜系統是包含多個行為主體(Agent)具有層次結構的系統；復雜系統是包含反饋環的系統(Stacey)；復雜系統是任何人不能用傳統理論與方法解釋其行為的系統(John War f ield，約翰.沃菲爾德)；復雜系統是動態非線性系統。

對指導中醫學研究而言，我們認為，復雜系統是具有自適應能力的演化系統，即有反饋環，又包含行為主體(Agent)及層次結構，而且是非線性系統。每一個層次的行為主體(Agent)對更高層次的作用者來說都起著建設磚塊的作用。能夠吸取經驗，從而經常改善和重新安排它們的建設磚塊。所有復雜的適應性系統都會預期將來。這種預期都基于自己內心對外部世界認識的假設模型之上，也就是基于對外界事物運作的明確的和含糊的認識之上。能夠隨著系統不斷吸取經驗而被檢驗、被完善和被重新安排。

3 復雜性科學

3.1 復雜性科學的概念

我們認為：“運用非還原論方法研究復雜系統產生復雜性的機理及其演化規律的科學”可以作為復雜性科學的定義。簡單地說，復雜性科學就是運用非還原論方法研究復雜系統的科學。

3.2 復雜性科學的基本原理

總結目前的研究成果，我們認為復雜性科學的基本原理主要有以下一些：

(1)整體性原理 由于復雜性科學的研究對象是非線性系統，傳統的疊加原理失效，因此，不能采用把研究對象分成若干個小系統分別進行研究，然后進行疊加的辦法，而只能從總體上把握整個系統。

(2)動態性原理 復雜系統必然是動態系統，即與時間變量有關的系統。沒有時間的變化，就沒有系統的演化，也就談不上復雜性規律。

(3)時間與空間相統一原理 復雜性科學不但研究系統在時間方向上的復雜演化軌跡，而且還試圖說明系統演化的空間模式。一般說來，系統中非線性關系所導致的渾沌可以認為是一種時間演化軌跡，同時也可以用分形來描述系統長期演化后的空間模式。這兩種描述通過奇怪吸引子的分數維和李雅普諾夫指數等概念相關聯。

(4)宏觀與微觀相統一的原理 復雜性科學認為，經濟系統的宏觀變量大的波動可能來自于組成系統的一些元素的小變化。因此，為了探討復雜系統宏觀變量的變化規律，必須研究它的微觀機制。但由于非線性機制的作用，又不能將系統進行分解，所以說必須將宏觀與微觀相統一。

(5)確定性與隨機性相統一原理 復雜性科學理論表明：一個確定性的系統中可以出現類似于隨機的行為過程，它是系統“內在”隨機性的一種表現，它與具有外在隨機項的非線性系統的不規則結果有著本質差別。對于復雜系統而言，結構是確定的，短期行為可以比較精確地預涵，而長期行為卻變得不規則，初始條件的微小變化會導致系統的運行軌跡出現巨大的偏差。

3.3 復雜性科學所涉及的幾個主要概念

(1)自組織（Sel f-organization） 從系統論的觀點來說，“自組織”是指一個系統在內在機制的驅動下，自行從簡單向復雜、從粗糙向細致方向發展，不斷地提高自身的復雜度和精細度的過程。這一過程是適應性的，使得系統能夠更好地應付或處理它們的環境。

(2)突現(Emergence) 突現是指復雜系統中的行為個體(Agent)根據各自行為規則相互作用所產生的沒有事先計劃但實際卻發生了的一種行為模式。正如安德森所指出的那樣，復雜系統“每個復雜的層面都會出現全新的特征。每個階段都需要全新的法則、概念和普遍化，需要與上一階段同樣多的靈感和創造性?！痹诿恳粋€階段，新形成的結構會形成和產生新的突然出現的行為表現，如心智是一個突現的特征。

(3)混沌邊緣(Edge of Chase) 這是指一個復雜自適應系統運行在有序和無序之間的相交過程中出現的有界非穩定性的一種形式。是復雜系統的層次的行為中，系統的元素從未完全鎖定在一處，但也從未解體到騷亂的地步。這樣的系統既穩定到足以儲存信息，又能快速傳遞信息。這樣的系統是具有自發性和適應性的有生命的系統，它能夠組織復雜的計算，從而對世界做出反應?；煦绲倪吘壘褪巧凶銐虻姆€定性來支撐自己的存在，又有足夠的創造性使自己名副其實為生命的那個地方，是復雜系統能夠自發地調整和存活的地帶。進化似乎永遠都導向混沌的邊緣。系統是通過對環境的適應而到達混沌的邊緣。

(4)人工生命(al i fe) 人工生命是用綜合的方法來理解生命，用計算機、或也許是機器人等新型媒介來探索生物學領域的各種發展的可能性。人工生命研究演衍出了三個偉大洞見：①有生命的系統似乎總是自下而上地、從大量極其簡單的系統群中突現出來?！拔覀儚挠嬎銠C模擬復雜的物理系統中獲得的最為驚人的認識是：復雜的行為并非出自復雜的基本結構?！按_實，極為有趣的復雜行為是從極為簡單的元素群中突現出來的。”②獲得類似生命行為的方法，就是模擬簡單的單位，而不是去模擬巨大而復雜的單位。是運用局部控制，而不是運用全局控制。讓行為從底層實現出來，而不是自上而下地做出規定。做這種實驗時，要把重點放在正在產生的行為上，而不是放在最終結果上。③從生命的特點在于組織，而不在于分子這一點上來說，生命有可能不僅只是類似計算機，生命根本就是一種計算法。在此之所以介紹人工生命概念，是出于我們如下的認識：中醫學從某種意義上講，也可以被視為一種人工生命。

4 生物系統的復雜性研究

人們普遍認為，生物的復雜性和非生物的復雜性是兩類不同的復雜性，前者的復雜性程度比后者要高得多，而且有質的不同。生物復雜性有三個特點，其一是在復制生物結構的過程中，存在指令和控制，并由此展現出生長性和自適應性；其二是生物具有無雙性，這導致不同層次、不同類群，甚至不同個體生物的復雜性，顯示有很強的個性，這是在生物學領域應用數學方法的一個難點；其三是生物復雜程度的超巨性，這也使得生物復雜性難以量化。研究表明，許多生物體中存在混沌現象，兔嗅覺識別的過程、穴位的紅外輻射、人的腦電信號、大鼠的心動周期信號、健康人的心搏、兒童的心理周期都具有混沌特征。另外，不少醫學研究者將混沌理論應用于疾病的研究，對心臟病、精神病、癲癇病、糖尿病等疾病的發生機理、診斷與控制方法以及疾病的傳播過程進行了具有實踐意義的探討。

5 復雜性科學對中醫學研究的啟示

中醫學研究的對象是人體，由于人體是復雜巨系統，所表現的各種疾病也極其復雜，在此，在應對復雜的人體與復雜的疾病，中醫也經歷了從簡單到復雜的漫長過程，不斷重復著經驗━規則━臨床驗證━更新經驗━更新規則循環往復不斷完善與發展起來的，中醫的辨證論治是以由歷代醫學的臨床經驗為建筑材料堆砌起來的復雜適應系統。中醫學應用“寒則熱之，熱者寒之，虛則補之，實則瀉之”等基本規則。但在臨床上，針對不同情況，往往可以做得很細化，如要考慮藥物的產地、患者所處的地域、所處背景等人文社會情況，而針對這些情況，也有要應用不同的規則。中醫與新興的復雜性科學，其起點是不同的，中醫是針對人體的復雜巨系統出現的偏頗，糾偏補缺，而達到整體的協調；而復雜性科學是從還原論出發，研究多個行為主體(Agent)通過自組織，在形成不同層次結構時，所涌現的的新的特征。但這并不能掩蓋中醫學的復雜性特征，如朱時清院士認為，中醫的自組織自相似與復雜性科學的特征吻合；西醫注重物質實體，中醫重視協調，生物復雜系統最重要的特點各組分關系高度協調。喬宇認為中醫的理論基礎是“整體論”，可以說中醫屬于復雜性科學。中醫學的理論體系本身就是一個開放的復雜巨系統，中醫的哲學思想基礎即“陰陽五行系統”，陰陽五行模型體現了復雜系統的非線性特征。中醫臟腑理論與復雜性科學相通，診療方法與復雜性科學相通，辯證施治的意象說屬于近代科學模式識別。以分子水平來看，作為自然藥物的每一種中藥也都是一個復雜系統，一味中藥往往具有很多不同效用，而當多味中藥以不同的搭配組成方劑，則又是一個不同的復雜系統。因此可以說，人體是一個復雜系統，與之相對應的中醫藥診療體系是一個開放的復雜巨系統。

關于研究方法，宋琳莉等提出用系統思維代替中醫整體思維與形象思維、本能思維。潘國鳳等認為應以系統論與還原論相結合的復雜性科學研究中藥。白云靜等提出整體性思維與還原性思維逆向對接等觀點。中醫學研究可以借鑒的研究方法有：復雜性適應系統、人工神經網絡，數據挖掘，從定性到定量的綜合集成法，模型構建、人工智能等。

關于從定性到定量的綜合集成法是從上世紀80年代中期開始的。1986年開始，在錢學森指導的“系統學”討論班，對有關復雜系統的一些問題進行了探討。經過5年的探討與實踐后，于80年代末，把對系統的研究加以拓廣，提煉出開放的復雜巨系統的概念，并總結概括了處理開放的復雜巨系統的方法論，形成了“從定性到定量的綜合集成研討廳體系”的構思，把復雜系統的研究推上了一個新的臺階。并從概念上弄清楚了“復雜性”問題，得出如下結論：“復雜性”實質上是開放的復雜巨系統的動力學特性。由于開放的復雜巨系統也把復雜系統、復雜巨系統和開放的簡單巨系統作為特殊情況，所以復雜性的研究自然也把這些系統的動力學特性概括在其范疇之中。這就對復雜性的研究方向有一清晰的把握。綜合集成研討廳體系是處理開放的復雜巨系統的方法論，從思維科學的層次來看，它又是思維科學的一項應用技術。它的構思是把專家們和知識庫、信息系統、各種人工智能系統、計算機象作戰指揮廳那樣組織起來，形成一個巨型的人機結合的智能系統，共同作用于復雜問題的求解。從對綜合集成研討廳體系的構思，我們可以看出，與歷史上其它方法論不同的是，綜合集成研討廳體系不是一系列公式的匯總，也不是以某幾條公理為基礎搭建起來的抽象框架。它的實質是指導人們在處理復雜問題時，把專家的智慧、計算機的高性能和各種數據、信息有機地結合起來，構成一個統一的、強大的問題求解系統。因此，從軟／硬件體系上和組織結構上實現該系統，使之能真正應用于復雜問題的研究實踐顯得尤為重要。我們對證候研究的研究，借鑒了從定性到定量的綜合集成研討廳體系的研究方法，取得了一定的成果。

[1]宋學鋒．復雜性、復雜系統與復雜性科學[M]．中國科學基金，2003(5)：262－269.

[2]Waldrop M.復雜：誕生于秩序與混沌邊緣的科學[M]．陳玲，譯．北京：三聯書店，1997，1－7.

[3]成思危，馮英艷．復雜性科學探索[J]．北京：民主與建設出版社，1999，1－8．

[4]成思危．復雜科學與系統工程[J]．管理科學學報，1999，12(2)：1－6．