俞夢孫

大約自20世紀(jì)50年代以后，人類對自然界中具有普遍適應(yīng)規(guī)律事物的認(rèn)識(自然科學(xué))已經(jīng)取得重大突破，進(jìn)一步發(fā)展所呈現(xiàn)出的問題，絕大多數(shù)屬于其內(nèi)部機(jī)制不易被完全認(rèn)識的復(fù)雜系統(tǒng)問題。錢學(xué)森先生提出的“工程科學(xué)”思想，對解決這類復(fù)雜系統(tǒng)問題，具有偉大的開創(chuàng)性意義。

“工程科學(xué)”思想屬于系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域，它不強(qiáng)調(diào)研究運(yùn)動物質(zhì)本身，而是注重研究運(yùn)動事物之間的關(guān)系和規(guī)律，研究這些關(guān)系的系統(tǒng)性質(zhì)及其控制方法。這就是錢學(xué)森創(chuàng)立的工程控制論研究的基本主題。

在慢性疾病呈現(xiàn)井噴的當(dāng)代，醫(yī)學(xué)模式正在發(fā)生深刻變革。醫(yī)學(xué)需要回歸其本源——解決健康問題、實(shí)現(xiàn)促進(jìn)健康的目標(biāo)。為此，必然有一批大膽創(chuàng)新的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究者開辟新型的醫(yī)學(xué)模式。我從長期的科研實(shí)踐中認(rèn)識到，錢學(xué)森工程科學(xué)思想對于青年科學(xué)工作者的科研創(chuàng)新有重要的借鑒價(jià)值，對于當(dāng)代醫(yī)學(xué)模式變革有重大意義。工程科學(xué)的內(nèi)涵是什么?如何將工程科學(xué)思想運(yùn)用于醫(yī)學(xué)與健康科研之中?我在過去幾十年科研歷程中對此有一些認(rèn)識，希望對廣大青年科研人員有參考價(jià)值。

1 錢學(xué)森“工程科學(xué)”思想

錢學(xué)森的工程科學(xué)思想，萌發(fā)于他在美國加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室任職期間，并在實(shí)踐過程中，得益于“Seminar”(學(xué)術(shù)討論班)的討論形式。1956年回國后，在開創(chuàng)我國火箭、導(dǎo)彈和航天事業(yè)的實(shí)踐中，他的這一思想又得到了進(jìn)一步發(fā)展。通過對國外定量系統(tǒng)工程方法的梳理，在“系統(tǒng)工程”一詞被賦予更為嚴(yán)謹(jǐn)內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，提出了“系統(tǒng)工程理論”。

錢學(xué)森這一科學(xué)思想，在理論上的最終發(fā)展成熟是在1978年以后。他發(fā)現(xiàn)，通過中國航天實(shí)踐總結(jié)出來的“系統(tǒng)工程理論”屬于工程系統(tǒng)工程，而客觀世界所面臨的常比航天系統(tǒng)更復(fù)雜。因此，他創(chuàng)造性的提出:必須要構(gòu)建系統(tǒng)科學(xué)基礎(chǔ)理論層次的理論——系統(tǒng)學(xué)。經(jīng)過7年半的“系統(tǒng)學(xué)討論班”形式的研究，錢學(xué)森提出了2個(gè)具有深遠(yuǎn)意義的概念:其一是“開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)”概念，其二是“從定性到定量綜合集成方法”?！伴_放的復(fù)雜巨系統(tǒng)”概念為系統(tǒng)學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)，為系統(tǒng)工程理論從工程系統(tǒng)工程向整個(gè)客觀世界，包括人體科學(xué)、思維科學(xué)、社會科學(xué)等新型科學(xué)體系的發(fā)展指明了方向;“從定性到定量綜合集成方法”及其實(shí)踐形式——“從定性到定量的綜合集成研討廳”為認(rèn)識復(fù)雜巨系統(tǒng)規(guī)律、尋求合適的控制途徑找到了新的科學(xué)的方法論［1］。

“從定性到定量綜合集成方法”這一新的科學(xué)方法論的提出有一個(gè)過程。1990年，錢學(xué)森先生明確指出:“實(shí)踐已經(jīng)證明，現(xiàn)在能用的、唯一可以有效處理開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)的方法，就是定性定量相結(jié)合的綜合集成方法”。后來，錢先生又根據(jù)毛澤東提出的深刻認(rèn)識客觀事物規(guī)律的“實(shí)踐論”思想，將它改寫為“從定性到定量的綜合集成方法”。將“定性定量相結(jié)合”改寫為“從定性到定量”不是一個(gè)簡單的文字修改，而是反映了錢先生在對客觀事物認(rèn)識上的又一個(gè)飛躍，反映了對客觀事物認(rèn)識過程的本質(zhì)?！皬亩ㄐ缘蕉俊?，反映了認(rèn)識螺旋式上升的過程，是對實(shí)踐與理論之間本質(zhì)關(guān)系的描述。

毛澤東曾經(jīng)說過:“規(guī)律是在事物的運(yùn)動中反復(fù)出現(xiàn)的東西”。規(guī)律既然是反復(fù)出現(xiàn)的，那么我們就一定能認(rèn)識它。因此，對于人體這樣一個(gè)開放的復(fù)雜系統(tǒng)來說，只要是被研究的問題能夠反復(fù)地出現(xiàn)，我們就一定能按錢先生提出的“從定性到定量的綜合集成法”，認(rèn)識它的規(guī)律。毛澤東又說:“事情總是不完全的，這就給我們一個(gè)任務(wù)，向比較完全前進(jìn)，向相對真理前進(jìn)，但永遠(yuǎn)達(dá)不到絕對真理”。

毛澤東的這些論斷告訴我們，可以從另一個(gè)角度去理解錢先生“工程科學(xué)”的思想，那就是:有限目標(biāo)解決問題;不刻意追求機(jī)制和普適性，強(qiáng)調(diào)掌握規(guī)律，然后按規(guī)律解決問題;但所提出的解決問題的方案、辦法，要求節(jié)省社會自然資源，以利于人類和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

從以上簡短的回顧可知，錢學(xué)森的確是一位杰出的科學(xué)大師，他的理論將會推動整個(gè)科學(xué)的發(fā)展，也將能夠指導(dǎo)社會問題的解決。他之所以能取得如此巨大的成就，除了天賦和歷史機(jī)遇以外，作為中國的一位知識分子，他始終關(guān)心的是民族的振興，追求的是科學(xué)的真理，獻(xiàn)身的是祖國的需求［2］。所以我認(rèn)為，這是每一位有良知的研究人員都應(yīng)該遵循的科研思想品格，其中的核心品行是:關(guān)注需求，勇于實(shí)踐，承認(rèn)存在片面，敢于修正自己，在實(shí)踐中認(rèn)識規(guī)律、順應(yīng)規(guī)律、運(yùn)用規(guī)律。這就是工程科學(xué)解決問題的品格，是科技創(chuàng)新的原動力。

此外，作為一名工程科學(xué)的研究者，還必須具備對基本知識的透徹理解，以及對需求的深刻記憶，以便為大腦的聯(lián)想功能提供眾多的輸入元素。機(jī)會總是留給有準(zhǔn)備者，留給對相關(guān)現(xiàn)象敏感的人。以下，我將通過自己科研工作中的2個(gè)故事，來具體表達(dá)工程科學(xué)思想的內(nèi)涵。

2 運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)思想解決人體過載耐限標(biāo)準(zhǔn)難題

1969至1971 年間，運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)中的模擬理論和控制論方法，解決我國自主研發(fā)的、飛機(jī)上的火箭彈射救生裝備人體過載耐限標(biāo)準(zhǔn)難題。

1969 年，空軍領(lǐng)導(dǎo)機(jī)關(guān)為解決殲擊機(jī)飛行員低空(300 m以下)彈射救生成功率低的難題，組織國家有關(guān)工業(yè)和科研部門，成立跨部門、跨學(xué)科的科研攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，其中包括飛機(jī)救生、火箭動力、試飛等科研、設(shè)計(jì)、制造等部門，也包括來自總裝的一些醫(yī)學(xué)試驗(yàn)研究和鑒定把關(guān)的醫(yī)學(xué)科研部門。

我作為空軍航空醫(yī)學(xué)研究所成員之一，也參加了這個(gè)跨部門、跨專業(yè)的協(xié)作團(tuán)隊(duì)。初期，主要讓我負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)測量;后來，隨著試驗(yàn)工作的深入，一系列的難題在大協(xié)作的背景下逐個(gè)得以解決后，人對火箭彈射產(chǎn)生的過載(加速度)的耐受標(biāo)準(zhǔn)，成為整個(gè)協(xié)作攻關(guān)項(xiàng)目的瓶頸。這時(shí)，我才有幸得以介入有關(guān)火箭彈射標(biāo)準(zhǔn)的研究工作。

彈射過載作用在飛機(jī)座椅上將飛行員高速彈離飛機(jī)的主要危險(xiǎn)是人體脊椎骨容易發(fā)生壓縮性骨折。在火箭彈射動力應(yīng)用之前，彈射救生的彈射動力由點(diǎn)火后的彈射炮彈提供。二次世界大戰(zhàn)末期，德國科學(xué)家經(jīng)過脊椎骨的靜力學(xué)試驗(yàn)以及有限的人體試驗(yàn)，已為這種以炮彈為動力的彈射救生方式制定了安全的人體對彈射沖擊力的耐受標(biāo)準(zhǔn)(①Gmax≤18;②ΔG/Δt≤300 g/s;③作用時(shí)間Tmax≤0.2 s)。后來這一標(biāo)準(zhǔn)被確認(rèn)為世界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)而寫入教科書內(nèi)。

火箭動力被引入彈射，雖然由于其推力不受軌道限制而可以使座椅和飛行員彈得更高，有利于低空救生，甚至可實(shí)現(xiàn)零高度或零速度條件下的救生。但是過載的性質(zhì)發(fā)生了變化。所謂瓶頸的矛盾主要體現(xiàn)在以下3方面:①實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，火箭動力所造成的過載波形，其3項(xiàng)參數(shù)全面超過前述公認(rèn)的人體耐受標(biāo)準(zhǔn)，但是尸體試驗(yàn)結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)脊椎骨存在壓縮性骨折現(xiàn)象;②包括猴在內(nèi)的所有可用于實(shí)驗(yàn)的動物脊椎系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都不同于人體的脊柱，故無法用動物實(shí)驗(yàn)解決人的耐受標(biāo)準(zhǔn);③在上述第1個(gè)矛盾性質(zhì)尚未搞清楚之前，不可能直接在健康志愿者身上進(jìn)行無十分把握的試驗(yàn)。以上3項(xiàng)矛盾中的核心矛盾在于第1條，如果第1條矛盾有了答案，那么第2、3條矛盾也就不存在了。整個(gè)攻關(guān)組為此進(jìn)行了多次討論，雖然想法不少，但一時(shí)都拿不出可實(shí)施的辦法。

在這種大家都很焦躁的情況下，由于我過去曾看到過人體脊椎系統(tǒng)可類比成由質(zhì)量(M)、彈簧(k)、阻尼(C)構(gòu)成的MKC振動系統(tǒng)的報(bào)道，并且熟知其具有輸入、輸出的系統(tǒng)特性，再加上曾經(jīng)學(xué)習(xí)過的建立在微分方程上相似原理基礎(chǔ)上的模擬計(jì)算機(jī)知識，在結(jié)合當(dāng)時(shí)的瓶頸情況下，大腦中突然涌現(xiàn)出2個(gè)相互聯(lián)系的假設(shè):①如果人體脊柱系統(tǒng)確實(shí)是一個(gè)可類比成由MKC組成的振動系統(tǒng)，那么人體脊柱系統(tǒng)在作為輸入的彈射沖擊力作用下一定會產(chǎn)生一個(gè)動態(tài)響應(yīng)過程。而作為動態(tài)響應(yīng)的結(jié)果(輸出)，只要不超過脊椎骨的靜力耐受強(qiáng)度(G=18)，則脊椎骨就不會發(fā)生壓縮性骨折，即使輸入的過載波形峰值遠(yuǎn)超過18 g，也應(yīng)該如此;相反，雖然輸入波形的峰值未超過18 g，甚至不超過15 g，但脊柱系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的結(jié)果超出18 g，同樣也會使脊椎骨發(fā)生壓縮性骨折。這里的核心內(nèi)容是脊柱系統(tǒng)在外力作用下的頻率特性(傳遞函數(shù))。這是不是矛盾的關(guān)鍵所在?這里提出了如何獲得人脊柱系統(tǒng)的頻率特性問題。②在已經(jīng)獲得人體脊柱系統(tǒng)頻率特性的條件下，如何界定安全的輸入過載波形又是一個(gè)必須解決的問題。在這種情況下，我聯(lián)想到不同物理系統(tǒng)(如力學(xué)、電子、生理系統(tǒng)等)的頻率特性，只要表示不同物理系統(tǒng)行為的微分方程存在相似性，那么就完全有可能運(yùn)用比較容易實(shí)現(xiàn)的物理系統(tǒng)所獲得的特性，移用到頻率特性相似的另一類物理系統(tǒng)中去應(yīng)用。這就是模擬電子計(jì)算機(jī)的原理，它為我們研究有很大危險(xiǎn)的物理系統(tǒng)的特性，提供了安全的方法。當(dāng)然，也會為我們研究火箭彈射過載力對人體脊柱安全性耐受標(biāo)準(zhǔn)提供了可實(shí)現(xiàn)的途徑。

當(dāng)我將以上2個(gè)想法向攻關(guān)組以及航空醫(yī)學(xué)研究所領(lǐng)導(dǎo)報(bào)告后，得到了他們的全力支持。只有來自總裝的幾位醫(yī)學(xué)專家對這種在當(dāng)時(shí)來講還是新的觀點(diǎn)和新的途徑存在異議。于是1971年下半年，同研究所內(nèi)的幾個(gè)同事一起，我們從試驗(yàn)現(xiàn)場返回了北京，在所內(nèi)創(chuàng)造條件進(jìn)行了10人的脊柱系統(tǒng)頻率特性的測定，并根據(jù)已測得的人體脊柱頻率特性研制了能表征人體脊柱系統(tǒng)頻率特性的模擬電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，對火箭彈射沖擊力的安全范圍進(jìn)行了詳細(xì)的研究。可見，兩者之間存在著高度相似性。在此基礎(chǔ)上，我們科研小組安排了一系列試驗(yàn)，摸清了火箭彈射條件與彈射安全性之間有密切關(guān)系的規(guī)律，并將它轉(zhuǎn)化為人體對彈射過載的動態(tài)耐受標(biāo)準(zhǔn)，寫入正式文件。這項(xiàng)研究不僅破解了瓶頸矛盾之謎，而且開創(chuàng)了脊柱動態(tài)響應(yīng)理論的建立。

新標(biāo)準(zhǔn)與原有標(biāo)準(zhǔn)的最大區(qū)別在于，后者雖有靜力學(xué)試驗(yàn)依據(jù)，但它在很大程度上屬于經(jīng)驗(yàn)性的，缺乏理論依據(jù)。而前者以人體脊柱系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)理論為依據(jù)，故以其為基礎(chǔ)制定出的標(biāo)準(zhǔn)更加符合實(shí)際情況，更加接近事物本質(zhì)。

然而，從認(rèn)識論的角度來看，上述一系列的試驗(yàn)還不算完整，還未能用實(shí)驗(yàn)去證明:模擬計(jì)算機(jī)輸出的結(jié)果與脊柱系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的結(jié)果完全一致。因此，我們專門設(shè)計(jì)了有關(guān)試驗(yàn)，來證明兩者之間確實(shí)存在可以相互替代的可能性。為此設(shè)計(jì)了如圖1所示的安全范圍內(nèi)的人體實(shí)測試驗(yàn)和模擬計(jì)算機(jī)輸出的對比試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明兩者的輸出顯著一致，相關(guān)系數(shù)為r=0.9584。至此，一項(xiàng)在人體上用控制論方法進(jìn)行的研究工作終于劃上了圓滿的句號，為新裝備提供了必要的數(shù)據(jù)［3］。

圖1 人體試驗(yàn)結(jié)果

值得一提的是，當(dāng)時(shí)我們并不知道控制論的內(nèi)涵是什么，只是當(dāng)時(shí)任務(wù)需求的矛盾與我頭腦中積累的基礎(chǔ)知識得到了結(jié)合，不知不覺中撞入了近代控制論領(lǐng)域，而且取得的結(jié)果如此完整!這一切都表明了系統(tǒng)思想的威力;同時(shí)也是一種科研精神的體現(xiàn)，敢于在掌握了理論依據(jù)的前提下，打破常規(guī)地去思考、去實(shí)踐。

20世紀(jì)90年代，中國生物工程學(xué)會曾對這項(xiàng)研究工作有過評價(jià):“此項(xiàng)工作，在國內(nèi)是首創(chuàng)的，在國際上是領(lǐng)先的。美國相應(yīng)的動態(tài)響應(yīng)指數(shù)(DRI)標(biāo)準(zhǔn)是1977年在內(nèi)部頒發(fā)使用，80年代才解密，其學(xué)術(shù)和技術(shù)水平上與該項(xiàng)成果相當(dāng)，但俞夢孫的模型是用我國設(shè)備獨(dú)立地研究成功的。此項(xiàng)工作，開創(chuàng)了生物控制論用于航空醫(yī)學(xué)的先河，至今仍在生物控制論的教學(xué)工作中引為范例，獲得了生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)術(shù)界高度評價(jià)”。

上述這個(gè)故事，已經(jīng)過去了40余年，但故事發(fā)生的過程對現(xiàn)代年輕的科研人員來說仍然具有借鑒和啟迪的意義。

這是典型的現(xiàn)實(shí)與當(dāng)時(shí)(1970年)的理論之間不相符的例子，急需有新的理論來認(rèn)識人對彈射力的響應(yīng)過程。這是理論創(chuàng)新的機(jī)會，也是創(chuàng)造新的研究方法的機(jī)遇，但這種機(jī)遇只會留給對多種知識概念清楚、并勇于實(shí)踐者。1970年以前，我較系統(tǒng)地學(xué)習(xí)過振動系統(tǒng)的理論，也從機(jī)械振動分析中學(xué)過信號處理知識;在實(shí)際工作中建立了帶有輸入輸出的系統(tǒng)概念，也讀過模擬計(jì)算機(jī)知識。但如果沒有火箭彈射耐限標(biāo)準(zhǔn)研究的需要，這種創(chuàng)新的思想是不可能產(chǎn)生的。因此，解決具體問題的實(shí)際需求是科研創(chuàng)造的原動力。

這項(xiàng)研究雖然沒有參加科研獎勵(lì)的申報(bào)和評審，但卻是一項(xiàng)國內(nèi)首次用控制論方法解決生物實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目，解決了用人體試驗(yàn)不可能獲得的極限耐受數(shù)據(jù)，為火箭彈射定型提供了依據(jù)，同時(shí)，對彈射力作用于人體脊柱的生物效應(yīng)的原理有了更深刻的認(rèn)識。它的真實(shí)意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了評獎的意義。

美國1977年才開始進(jìn)行類似我們1970年進(jìn)行的模擬試驗(yàn)——DRI，80年代初才公布此項(xiàng)工作。總裝的幾位醫(yī)學(xué)專家，在當(dāng)時(shí)(1971年)只承認(rèn)研究結(jié)論，不承認(rèn)模擬試驗(yàn)過程。直到80年代初，他們?nèi)ッ绹L問期間，實(shí)地看到美國科研人員也在做類似的事情，才完全認(rèn)可了我們當(dāng)時(shí)的工作，并隨后開展了類似的工作。

3 從高原健康工程到人類健康工程

如果發(fā)生在1969至1971年間的故事是不自覺的運(yùn)用“工程科學(xué)”思想的實(shí)踐，那么40年后(2011至2013年)，從起源于研討廳方式、匯聚對高原反應(yīng)已有的認(rèn)識，期間在雪域高原發(fā)現(xiàn)高原反應(yīng)回歸曲線的規(guī)律，到后來人體自組織環(huán)境適應(yīng)理論的提出等一系列科研探索過程，都是自覺踐行“從定性到定量綜合集成方法”的結(jié)果。

2011 年，為完成高原飛行員航衛(wèi)保障，我們運(yùn)用“從定性到定量的綜合集成研討廳”方法，梳理、分析移居高原人群在健康方面存在的種種問題。按照傳統(tǒng)高原醫(yī)學(xué)、運(yùn)動醫(yī)學(xué)的理論，初入3000米以上高原，前1周盡量不要運(yùn)動，1周之后也不要做大負(fù)荷的運(yùn)動。但是對于空軍作戰(zhàn)來講，都是需要突破的，我們進(jìn)去就要作業(yè)，而且是高負(fù)荷、大負(fù)荷的作戰(zhàn)訓(xùn)練。因此，這項(xiàng)研究的難點(diǎn)在于，建立人體適應(yīng)高原環(huán)境過程的系統(tǒng)模型。這個(gè)模型必須回答:人在什么情況下能夠適應(yīng)高原環(huán)境?在什么情況下會產(chǎn)生不適應(yīng)反應(yīng)?這個(gè)過程是如何發(fā)生的?如果回答了這些問題，就意味著把握了高原反應(yīng)的本質(zhì)規(guī)律，就有可能發(fā)展出適應(yīng)高原環(huán)境特殊要求的訓(xùn)練方法。

按照人是開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)概念，人體應(yīng)該是一個(gè)在內(nèi)外環(huán)境都能存在一定變異范圍的穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，具備對環(huán)境變異產(chǎn)生適應(yīng)的自組織能力［4］;然而，客觀的現(xiàn)實(shí)是:廣大移居(高原)人員的慢性高原病狀態(tài)十分普遍。這些事實(shí)說明，移居高原所造成的應(yīng)激原刺激強(qiáng)度已超出人體對環(huán)境的可適應(yīng)范圍，或者可以說成是:移居到高原的速率超出了人體自身能夠建立起來的適應(yīng)高原環(huán)境的速率，因而發(fā)生了以睡眠障礙為標(biāo)志的高原反應(yīng)。這就是對高原移居者在健康問題上存在種種問題原因的最初的猜想。也說明，為了保障飛行員在高原的健康，就必須先搞清楚人體對低氧環(huán)境產(chǎn)生生理性和病理性重建的規(guī)律，然后將低氧環(huán)境變化速率控制在生理性適應(yīng)環(huán)境范圍之內(nèi)，達(dá)到對環(huán)境逐步的、漸進(jìn)性適應(yīng)。

這樣一個(gè)從系統(tǒng)角度去思考高原問題的著眼點(diǎn)，不同于以往的從防病、治病角度。從人體本來就具備的對環(huán)境的穩(wěn)態(tài)能力出發(fā)，摸清規(guī)律，遵循規(guī)律，使人體在穩(wěn)態(tài)范圍的調(diào)控遷移中適應(yīng)高原環(huán)境，更符合開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)本來的面貌，效果更好。符合錢學(xué)森多次提出的“要從人的整體、人的功能態(tài)和功能態(tài)的調(diào)節(jié)去研究人”。

以后的整個(gè)研究過程，可以說是對研討廳提出的初步假設(shè)或猜想的反復(fù)驗(yàn)證，修正假設(shè)，達(dá)到當(dāng)前最優(yōu)認(rèn)識的過程。在這種反復(fù)印證的研究過程中，不僅發(fā)現(xiàn)了人體對高原低氧環(huán)境適應(yīng)的諸多自然規(guī)律，而且通過多次反復(fù)迭代，已經(jīng)將其適應(yīng)規(guī)律量化成數(shù)學(xué)模型，并且初步摸索到了最優(yōu)適應(yīng)途徑，對“人體是一個(gè)開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)”有了更深刻的理解［5－7］。這些新發(fā)現(xiàn)、新認(rèn)識總結(jié)起來，可以歸納為以下3方面。

3.1 發(fā)現(xiàn)人體對低氧響應(yīng)的規(guī)律，構(gòu)建人體對低氧響應(yīng)的定量模型2011年冬季，研究所的領(lǐng)導(dǎo)組織我們小組去西藏3800 m海拔地區(qū)，對12名志愿者的各項(xiàng)生理參數(shù)的變化情況進(jìn)行連續(xù)10余天的監(jiān)測，頭腦中逐漸形成了這些數(shù)據(jù)隨高原駐留天數(shù)延長而發(fā)生變化的輪廓。特別是到達(dá)目的地的第7天，當(dāng)曹博士將一組直接暴露在3800 m高原環(huán)境下的受試者的數(shù)據(jù)整理成經(jīng)時(shí)坐標(biāo)曲線時(shí)，聯(lián)想到近幾年學(xué)習(xí)系統(tǒng)學(xué)后所思考的人體適應(yīng)環(huán)境變化的模型結(jié)構(gòu)，我突然產(chǎn)生了一個(gè)念頭:是否能構(gòu)建一個(gè)可容納這些大量數(shù)據(jù)、并能說明人體初入高原適應(yīng)性反應(yīng)的框架?這個(gè)框架應(yīng)能容納各項(xiàng)生理參數(shù)變化的規(guī)律。

按照上述思路，從各項(xiàng)生理參數(shù)變化中總結(jié)出3條規(guī)律性的現(xiàn)象:①在到達(dá)3800 m的第1天，所有監(jiān)測的生理參數(shù)(心率、脈搏血氧飽和度、睡眠結(jié)構(gòu))變化最大;②隨高原駐留天數(shù)的增加，上述監(jiān)測數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)出回歸現(xiàn)象，可理解為逐漸適應(yīng)高原環(huán)境的結(jié)果，但回歸達(dá)不到海平面水平;③這些數(shù)據(jù)回歸過程大體上呈現(xiàn)為時(shí)間的指數(shù)函數(shù)的規(guī)律。根據(jù)上述3條規(guī)律性現(xiàn)象，我們依據(jù)維納的負(fù)反饋原理，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一個(gè)人體對低氧響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

低氧響應(yīng)數(shù)學(xué)模型的重要意義在于:①可以從該數(shù)學(xué)模型估計(jì)出，低海拔(平原)久居人員到達(dá)不同海拔高度高原環(huán)境后，以動脈血氧飽和度為標(biāo)志的高原反應(yīng)強(qiáng)度和反應(yīng)過程;②模型顯示，人體具有對環(huán)境變化適應(yīng)的最優(yōu)速率，這將為我們探索高效訓(xùn)練方案提供定量依據(jù)。人體低氧響應(yīng)數(shù)學(xué)模型建立的過程，就是從定性到定量的綜合集成過程。

3.2 高原反應(yīng)的本質(zhì)是低氧應(yīng)激反應(yīng)有了高原反應(yīng)的定量模型，我們提出了進(jìn)一步的問題:高原反應(yīng)的本質(zhì)是什么?Selye的應(yīng)激反應(yīng)概念認(rèn)為，應(yīng)激反應(yīng)包含三要素，即作為對機(jī)體起刺激作用的應(yīng)激原，作為應(yīng)激原刺激的主體——機(jī)體內(nèi)穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，以及作為內(nèi)穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)對應(yīng)激原刺激的響應(yīng)——Selye稱這種響應(yīng)為普遍性適應(yīng)綜合征。后來的許多研究者證明:應(yīng)激反應(yīng)是多層次的，而且是能夠在層次間轉(zhuǎn)換的，這符合開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)必然具備的多層次自組織功能的原理。

將上述應(yīng)激反應(yīng)概念，對照高原低氧反應(yīng)的實(shí)際情況，以及機(jī)體對低氧響應(yīng)的規(guī)律，可以確認(rèn):高原反應(yīng)的本質(zhì)，屬于機(jī)體對低氧刺激的應(yīng)激反應(yīng)，而且這種低氧應(yīng)激反應(yīng)也一定是多層次的。我們通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):低氧應(yīng)激反應(yīng)有3個(gè)基本層次。

第1類:生理性低氧應(yīng)激反應(yīng)。其特點(diǎn)是低氧對機(jī)體的穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)雖已構(gòu)成應(yīng)激源刺激，但其相對于內(nèi)穩(wěn)系統(tǒng)的刺激強(qiáng)度未超出內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可調(diào)整的范圍，因此不會影響睡眠。正因?yàn)椴挥绊懰哔|(zhì)量，因此，機(jī)體會迅速啟動使機(jī)體適應(yīng)低氧環(huán)境機(jī)制，使系統(tǒng)快速調(diào)整到對當(dāng)前低氧環(huán)境更有序和更高的穩(wěn)態(tài)水平上——適應(yīng)(習(xí)服)狀態(tài)。

第2類:顯著性低氧應(yīng)激反應(yīng)，或稱損傷性低氧應(yīng)激反應(yīng)。這一類應(yīng)激反應(yīng)相對于具體的內(nèi)穩(wěn)范圍而言，其低氧刺激強(qiáng)度已超出了機(jī)體對低氧內(nèi)穩(wěn)態(tài)可調(diào)節(jié)范圍，因而機(jī)體已處在對低氧調(diào)節(jié)功能的失衡狀態(tài)。此時(shí)，機(jī)體自動地放棄某些暫時(shí)“不重要”的功能，而去滿足當(dāng)前的主要矛盾(低氧反應(yīng))，即進(jìn)入“拆東墻補(bǔ)西墻”性質(zhì)的病理性重構(gòu)階段。因此，也可以把這類反應(yīng)稱為“損傷性低氧應(yīng)激反應(yīng)”。臨床上除了表現(xiàn)為頭痛、嘔吐等癥狀外，最有特征意義的表現(xiàn)是睡眠質(zhì)量下降，如難以入睡、睡眠不深等。

第3類:衰竭性低氧應(yīng)激反應(yīng)。這類應(yīng)激反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是低氧刺激強(qiáng)度已超出了機(jī)體自組織能力可補(bǔ)償?shù)姆秶蚨浒Y狀特點(diǎn)是不可回歸性，在睡眠障礙方面顯現(xiàn)得更為突出。這實(shí)際上已進(jìn)入急性高原病危急狀態(tài)，如不及時(shí)處理，將危及生命。

人體在不同情況下產(chǎn)生上述3個(gè)層次的應(yīng)激反應(yīng)的根本原因是什么?通過從高原實(shí)驗(yàn)得出的定量模型，我們猜想:在于環(huán)境中氧分壓變化梯度或速率超出人體對環(huán)境變化所發(fā)生的自然適應(yīng)或正常自組織速率的程度。如果稍稍超出，那么人體進(jìn)入生理性低氧應(yīng)激反應(yīng)階段，人體會自動調(diào)節(jié)適應(yīng)低氧，適應(yīng)功能逐漸得到增強(qiáng);如果明顯超出，那么人體進(jìn)入損傷性低氧應(yīng)激反應(yīng)，人體調(diào)節(jié)功能難以正常適應(yīng)低氧環(huán)境，而產(chǎn)生損傷性適應(yīng)——雖然維持生命，但表現(xiàn)出疾病狀態(tài)。如果顯著超出，則人體來不及適應(yīng)，既已進(jìn)入危及生命的衰竭態(tài)。

3.3 運(yùn)用人類健康工程SIR模式理念，以漸增性間歇低氧訓(xùn)練為調(diào)控手段，驗(yàn)證最初的假設(shè)認(rèn)識到低氧應(yīng)激的上述本質(zhì)，我們發(fā)現(xiàn):如果將環(huán)境氧分壓的變化速率控制在一定的范圍內(nèi)，就可以通過訓(xùn)練來提高人體適應(yīng)高原的能力。而這是可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)過程完全可以運(yùn)用人類健康工程的SIR模式。人類健康工程建立在錢學(xué)森工程科學(xué)和人體系統(tǒng)科學(xué)思想基礎(chǔ)之上，是中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會經(jīng)過廿余年對中國和世界醫(yī)療發(fā)展存在問題的深入研究而提出的新道路和新理念。人類健康工程的核心理念是以提高人體系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)水平為目標(biāo)，把工作重心從“病”轉(zhuǎn)向“人”，轉(zhuǎn)向人對環(huán)境變化的適應(yīng)過程中功能狀態(tài)的變化;從“治病”轉(zhuǎn)向?qū)m應(yīng)環(huán)境過程中人的狀態(tài)的“動態(tài)調(diào)整”，使之與環(huán)境的改變相協(xié)調(diào)，從而提升人體自組織功能，祛除疾病、促進(jìn)健康［8］。健康系統(tǒng)工程的核心技術(shù)包括3大部分:人體生命信息的感知(Sensing)、人體整體健康狀態(tài)的辨識(Identifying)和人體健康狀態(tài)的調(diào)節(jié)(Regulating)。這三者構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)維持和增進(jìn)整體健康的目的，因此也稱為SIR模式。

高原健康工程實(shí)驗(yàn)的總體思路是運(yùn)用工程技術(shù)方法，使環(huán)境變異的速率與人的再組織速率相匹配，從而使人體能在最佳范圍內(nèi)適應(yīng)環(huán)境——形成新環(huán)境下的健康態(tài)。

如何判別人體適應(yīng)功能是否超過閾值?答案是睡眠質(zhì)量檢測(Sensing)和辨識(Identifying)。運(yùn)用睡眠檢測技術(shù)監(jiān)控所提供的環(huán)境變異量是否已超出人體自然的適應(yīng)過程。如果所設(shè)計(jì)的環(huán)境變異量太小，適應(yīng)過程太長，則效率低;如果變異量太大，則會影響睡眠質(zhì)量，或者難以入睡，或者過度嗜睡。因此，只要睡眠質(zhì)量沒有受到顯著影響，就可以提高環(huán)境變異量，提升訓(xùn)練效率。

隨之我們開展了間歇性低氧訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)。這一訓(xùn)練的本質(zhì)是通過調(diào)節(jié)(Regulating)，充分發(fā)揮人體自組織功能。間歇式低氧暴露是國內(nèi)外體育界用于提高機(jī)體耐缺氧能力的訓(xùn)練方式，是提升運(yùn)動成績的有效方法。它的特點(diǎn)在于間歇性，在訓(xùn)練過程中既有刺激強(qiáng)度較強(qiáng)的訓(xùn)練階段，又有一定的機(jī)體放松階段，用于系統(tǒng)的調(diào)整適應(yīng)，因而有利于機(jī)體低氧適應(yīng)機(jī)制的建立。我們有針對性的設(shè)計(jì)了2類實(shí)驗(yàn):對于有計(jì)劃進(jìn)駐高原者——預(yù)適應(yīng)模式，可以在平原駐地建立低氧訓(xùn)練艙，用氮稀釋氧的方法實(shí)現(xiàn)低氧刺激強(qiáng)度調(diào)控;對于急進(jìn)高原者——急進(jìn)模式，利用高原駐地室外大氣環(huán)境作為穩(wěn)定不變的刺激強(qiáng)度，而在室外逗留時(shí)間作為調(diào)節(jié)刺激量的參量，而間歇期間可在室內(nèi)造成海拔較低的環(huán)境。由于已經(jīng)建立了低氧相應(yīng)的定量模型，并且運(yùn)用檢測人體適應(yīng)能力閾值的睡眠檢測技術(shù)，我們能夠通過SIR模式通過循環(huán)迭代不斷設(shè)計(jì)出更高效的訓(xùn)練方案。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過間歇性低氧訓(xùn)練者，只要訓(xùn)練量調(diào)整得當(dāng)，完全可以在不使用任何藥物條件下避免顯著性高原反應(yīng)的發(fā)生，保障了出入高原階段的健康和作業(yè)能力。上述訓(xùn)練模式已經(jīng)推廣到相關(guān)高原執(zhí)勤飛行部隊(duì)，實(shí)現(xiàn)了到達(dá)高原當(dāng)天即可執(zhí)行任務(wù)。

高原健康工程從定性到定量的綜合集成，是指出從實(shí)際問題出發(fā)，經(jīng)過研討廳提出問題的假設(shè)，然后反復(fù)驗(yàn)證，研究出可表達(dá)實(shí)際問題的數(shù)學(xué)方法，從而達(dá)到定量程度，達(dá)到當(dāng)前的最優(yōu)認(rèn)識。這就是認(rèn)識上的螺旋式上升過程。高原健康問題的突破性進(jìn)展再一次證明，錢學(xué)森先生工程科學(xué)解決問題的思路和方法，在解決人體這樣一個(gè)開放的復(fù)雜系統(tǒng)問題上，是十分有效的。當(dāng)前，健康工程已經(jīng)在對一批慢性疾病(包括糖尿病、皮膚病、心腦血管疾病、腫瘤等)患者的健康干預(yù)中取得顯著效果。實(shí)踐表明健康工程是可工程化的衛(wèi)生保健模式，可以適用于慢性疾病患者的康復(fù)、亞健康狀態(tài)人群的保健、以及特殊人才的訓(xùn)練。進(jìn)一步的研究工作正在開展中。

4 結(jié)語

錢學(xué)森先生學(xué)術(shù)思想最本質(zhì)的東西是實(shí)事求是，是把辯證唯物主義的認(rèn)識論貫穿于他一生的行為、工作。當(dāng)前，學(xué)術(shù)界存在的種種問題，歸根結(jié)底是離開了實(shí)事求是，放大了自我，注重形式，不求實(shí)效。

所以我認(rèn)為，當(dāng)前學(xué)術(shù)界應(yīng)該更好地學(xué)習(xí)錢老的工程科學(xué)解決問題的思想和方法。研究生階段是科研工作者從事創(chuàng)造性研究工作的重要時(shí)期。無論在國內(nèi)還是在國際上，生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、乃至更廣闊的健康科學(xué)，都處于深刻變革的時(shí)期。在慢性病井噴的當(dāng)代，人類健康工程的發(fā)展和實(shí)施是時(shí)代的需求，是歷史的必然［9］。在這樣的時(shí)代背景下，錢學(xué)森工程科學(xué)思想對于青年醫(yī)學(xué)科學(xué)工作者的科研創(chuàng)新有重要的借鑒價(jià)值。

［1］錢學(xué)森.論系統(tǒng)工程［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2007:288-299.

［2］錢永剛.錢學(xué)森系統(tǒng)理論思想形成的背景及應(yīng)用［R］.北京:中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院科學(xué)技術(shù)委員會，2013.

［3］俞夢孫.在附加火箭助推器條件下人體對過載耐限的研究［J］.航空軍醫(yī)，1978，3:1-12.

［4］佘振蘇，倪志勇.人體復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)探索［M］.北京:科學(xué)出版社，2012:125-136.

［5］俞夢孫.健康工程和健康物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展研究［R］.北京:中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會，2012.

［6］Yu MS.Human performance engineering at high altitude［J］.Science，2012(Suppl):7-8.

［7］俞夢孫.一次人類健康工程的實(shí)踐——高原健康工程［J］.空軍醫(yī)學(xué)雜志，2013，29(1):1-4，7.

［8］俞夢孫.系統(tǒng)·生命·疾病·路線［J］.醫(yī)學(xué)與哲學(xué)，2013，34(3):1-5.

［9］陶祖萊.健康工程與健康物聯(lián)網(wǎng)［R］.北京:中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會，2012.