周家蓬 田書彥 溫紹君 陳潤生 陳禹保

20世紀(jì)發(fā)生了三場(chǎng)偉大的科學(xué)革命：1905和1915年愛因斯坦前后發(fā)表了狹義和廣義相對(duì)論,奠定了宇觀世界的確定性因果框架；1925~1948年,玻爾、海森堡、薛定諤、狄拉克、諾依曼和費(fèi)曼等人建立了量子力學(xué),奠定了微觀世界的非確定性概率框架；1963~1981年,洛侖茲、費(fèi)根鮑姆、斯梅爾等人創(chuàng)建混沌理論,奠定了宏觀世界的確定性系統(tǒng)隨機(jī)性過程框架,架起了確定論和概率論兩大理論體系之間的橋梁。

相對(duì)論和量子力學(xué)理論的應(yīng)用,誕生出核能、航天、激光、計(jì)算機(jī)等高新技術(shù)成果,將人類社會(huì)帶入電氣化時(shí)代,也將人類對(duì)宇宙奧秘的探索推向更廣袤和更精細(xì)的尺度。混沌理論是一種兼具質(zhì)性思考與量化分析的方法,適用于宏觀的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)研究,其當(dāng)前應(yīng)用主要是過程控制,如物理通訊、化工制造、疾病診斷、股市預(yù)測(cè)等。本文主要分析和討論混沌理論在生物、醫(yī)藥領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。

1 混沌普遍存在于人體

人體是一個(gè)典型的非線性動(dòng)力系統(tǒng)已是公認(rèn),人體每時(shí)每刻都在與外界交互作用。非線性系統(tǒng)不一定產(chǎn)生混沌現(xiàn)象,但是常態(tài)下的心臟［1,2］、大腦［3,4］、肺［5］,甚至 DNA［6,7］等都已被證實(shí)為混沌系統(tǒng)。以心臟為例,健康狀態(tài)的心臟在兩次心跳之間的間隔存在微小的變異,這種“心率變異性”符合混沌的自相似的特點(diǎn)。 “心率變異性”過低或完全隨機(jī)化表明心臟功能弱化或惡化,而等時(shí)節(jié)率的出現(xiàn)則意味著心跳不久將會(huì)終止。郝柏林認(rèn)為,混沌不是簡單的無序或混亂,而是沒有明顯的周期和對(duì)稱,但又具備豐富的內(nèi)部層次的有序狀態(tài)?；煦缦到y(tǒng)具有極高復(fù)雜性,應(yīng)變能力強(qiáng),存活時(shí)間長,因此“混沌是健康”［8］。

混沌現(xiàn)象在時(shí)間上呈現(xiàn)為以某種規(guī)則不斷復(fù)制前一階段的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),對(duì)初始條件依賴敏感；在空間上呈現(xiàn)出自相似的形態(tài),對(duì)邊界條件依賴敏感。由于其本質(zhì)上屬于確定性系統(tǒng),因而其內(nèi)隨機(jī)性是一種偽隨機(jī),各態(tài)遍歷性也是一種偽遍歷,最終往往收斂于吸引子。混沌現(xiàn)象的這些特點(diǎn),往往可以作為我們判斷某事物是否處于混沌的指標(biāo),常用的定量化參數(shù)有Lyapunov指數(shù)、測(cè)度熵、分?jǐn)?shù)維和關(guān)聯(lián)維等。

2 混沌控制和混沌同步

由于混沌現(xiàn)象的復(fù)雜性,人們一度認(rèn)為其是不可預(yù)測(cè)和不可控制的。1990年,美國馬里蘭大學(xué)的Ott等［9,10］提出一種參數(shù)微擾控制混沌的方法,開創(chuàng)了混沌控制的先河。同年,美國海軍實(shí)驗(yàn)室的Pecora等［11］提出混沌同步方法,利用驅(qū)動(dòng)-響應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)混沌系統(tǒng)的同步?？刂坪屯绞腔煦缦到y(tǒng)研究中的兩個(gè)主要方面?；煦缦到y(tǒng)的控制包括兩種思路：一種是控制,目的是穩(wěn)定吸引子內(nèi)部的不穩(wěn)定周期軌道或者是消除系統(tǒng)的混沌行為；另外一種是反控制,目的是加強(qiáng)已有的混沌行為或者使不是混沌的系統(tǒng)產(chǎn)生混沌?；煦缦到y(tǒng)的同步就是使兩個(gè)或多個(gè)混沌系統(tǒng)按照某種相同的方式演化。

3 在中西方醫(yī)學(xué)中的運(yùn)用

西方現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的手術(shù)技術(shù)是混沌控制的典型應(yīng)用。通過去除造成人體功能紊亂(周期變混沌或混沌變超混沌)的病灶(例如癌變組織),使得系統(tǒng)重新恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。西方現(xiàn)代醫(yī)學(xué)上的心臟起搏器是混沌反控制的典型案例。起搏器是治療心律失常的主要手段之一,它利用混沌系統(tǒng)對(duì)初始條件的依賴敏感性,對(duì)衰變?yōu)橹芷趹B(tài)的心臟系統(tǒng)施加干擾,從而逐漸使其回歸混沌態(tài)。

中國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)上的針灸本質(zhì)上等同于混沌同步的方法,即通過刺激多個(gè)特定經(jīng)絡(luò)穴位(體表),引發(fā)目標(biāo)系統(tǒng)(內(nèi)臟)的協(xié)同變化。中藥的療效也是類似的道理：多種中藥成分對(duì)人體多個(gè)混沌系統(tǒng)(例如泌尿、免疫、神經(jīng))同時(shí)施加干擾,人體多個(gè)混沌系統(tǒng)與病態(tài)系統(tǒng)(例如心腦血管)相互協(xié)同,最終使其回歸正?；煦鐟B(tài)。

中西方醫(yī)學(xué)走向融合的兩個(gè)例子：一是癲癇的混沌控制療法：該療法近期采用了類似于中醫(yī)“望聞問切”的技術(shù),通過對(duì)腦電圖混沌態(tài)進(jìn)行特征分析,進(jìn)而根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)預(yù)測(cè)下一狀態(tài)并進(jìn)行干預(yù),可較有效地預(yù)防癲癇的發(fā)生［12］。二是白血病的砒霜療法(“上海方案”)：白血病的西醫(yī)療法效果不佳(“五年無病生存率”約25%),而結(jié)合中醫(yī)理論采用砒霜療法“五年無病生存率”可達(dá)95%。

4 展望

西方醫(yī)學(xué)將疾病分為孟德爾疾病和復(fù)雜疾病兩大類。孟德爾疾病也叫單基因遺傳病,往往致病基因上的一個(gè)關(guān)鍵的堿基變異就可引起疾病發(fā)生,而人類的整個(gè)基因組多達(dá)30億個(gè)堿基。因此,這個(gè)關(guān)鍵的變異堿基相當(dāng)于吸引子的角色。目前已經(jīng)確定的孟德爾疾病有3000多個(gè)［13］,絕大多數(shù)無法治療(因其致病變異位于吸引子)。對(duì)于復(fù)雜疾病,往往需要許多基因同時(shí)發(fā)生變異才可能最終引發(fā)病癥。復(fù)雜疾病的風(fēng)險(xiǎn)位點(diǎn)相當(dāng)于吸引子近旁的某些空間相位點(diǎn)。目前至少發(fā)現(xiàn)一萬多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)位點(diǎn)影響800多種復(fù)雜疾病［14］,對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)位點(diǎn)的干預(yù)有望預(yù)防和治療復(fù)雜疾病(用藥物將風(fēng)險(xiǎn)位點(diǎn)阻隔在吸引子以外)。由于中醫(yī)采用的是混沌同步的方法,即利用多個(gè)混沌系統(tǒng)去引導(dǎo)病變系統(tǒng)回歸正常態(tài),因而對(duì)于復(fù)雜疾病往往會(huì)有更好的療效。

隨著中國人口老齡化、環(huán)境惡化和社會(huì)壓力陡增,作者認(rèn)為打破成規(guī)、開展相關(guān)的交叉學(xué)科的研究是非常必要和迫切的,對(duì)高血壓、慢性心臟病等復(fù)雜疾病展開基因檢測(cè)、早期預(yù)警和中藥治療的方案是可行的。

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