1、隨著人們對客觀事物認識的不斷加深，已經(jīng)不再滿足于停留在易解問題的領(lǐng)地，這其中在生命科學(xué)領(lǐng)域的復(fù)雜性研究又受到了許多跨學(xué)科學(xué)者的關(guān)注。

(資料圖片僅供參考)

2、筆者綜述了復(fù)雜性的概念、生命科學(xué)中的復(fù)雜性極其復(fù)雜性研究。

3、 關(guān)鍵詞 生命科學(xué)；復(fù)雜性科學(xué)；生物復(fù)雜性 復(fù)雜性科學(xué)的概念誕生至今已經(jīng)20多年，這期間有大批學(xué)者從不同的領(lǐng)域入手展開了卓有成效的探索。

4、人們希望更全面深入地從客觀世界事物的整體與部分以及層次關(guān)聯(lián)在時空演化的全程描述角度來研究支配客觀事物運行的基本規(guī)律，建立起新世紀科學(xué)技術(shù)發(fā)展的理論基礎(chǔ)，以指導(dǎo)新的發(fā)展實踐。

5、 這其中在生命科學(xué)領(lǐng)域的復(fù)雜性研究又受到了許多跨學(xué)科學(xué)者的關(guān)注，也有人將其稱之為生物復(fù)雜性（biocomplexicity）研究，生物復(fù)雜性科學(xué)主要探索在一些傳統(tǒng)學(xué)科間交叉的問題。

6、準確地說，是尋求以定量和整合的途徑來深入了解各種生命系統(tǒng)之間復(fù)雜的相互作用，其中既包括生物的、行為的、化學(xué)的和物理的相互作用，也包括生態(tài)的、環(huán)境的和社會的綜合作用等［1］。

7、 1 復(fù)雜性科學(xué)研究的概念和范疇 復(fù)雜性的定義是相對于簡單性而言的，簡單性一向是現(xiàn)代自然科學(xué)、特別是物理學(xué)的一條指導(dǎo)原則。

8、許多科學(xué)家相信自然界的基本規(guī)律是簡單的。

9、還原論的基本思想也就是找出復(fù)雜現(xiàn)象或事物背后的簡單機制。

10、事實上一些復(fù)雜的事物或現(xiàn)象，其背后確實存在簡單的規(guī)律或過程。

11、 關(guān)于復(fù)雜性的概念并沒有一個統(tǒng)一的說法，而是根據(jù)研究的對象有不同提法，比如，從熵的角度：復(fù)雜性等于熱力學(xué)測定的一個系熵和無序；信息的角度：復(fù)雜性等于一個系統(tǒng)使一個觀測者“驚奇的能力”；分形尺寸：一個系統(tǒng)的“模糊狀況”，即在越來越小的尺寸上顯示的詳細程度；有效的復(fù)雜性：一個系統(tǒng)顯示“規(guī)律性”而不是隨機性的程度；體系復(fù)雜性：由一個體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的不同層次所顯示的多樣性；語法的復(fù)雜性：描述一個系統(tǒng)所需要的語言的普遍性程度；熱力學(xué)深度：將一個系統(tǒng)從頭組織在一起所要的熱力學(xué)資源的數(shù)量；時間計算上的復(fù)雜性：一部計算機描述一個系統(tǒng)或解決一個問題所需要的時間；空間計算上的復(fù)雜性：一部計算機描述一個系統(tǒng)或解決一個問題所需要的存儲量［2］；等等。

12、 從20世紀30年代系統(tǒng)科學(xué)開始興起，人們逐漸認識到系統(tǒng)大于其組成部分之和，系統(tǒng)具有層次結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)處于不斷地發(fā)展變化之中，系統(tǒng)經(jīng)常與其環(huán)境（外界）有物質(zhì)、能量和信息的交換，系統(tǒng)在遠離平衡的狀態(tài)下也可以穩(wěn)定（自組織），確定性的系統(tǒng)有其內(nèi)在的隨機性（混沌），而隨機性的系統(tǒng)卻又有其內(nèi)在的確定性（突現(xiàn)）。

13、 復(fù)雜性科學(xué)往往研究的是復(fù)雜性系統(tǒng)，復(fù)雜系統(tǒng)主要有以下表現(xiàn)：（1）系統(tǒng)各單元之間的聯(lián)系廣泛而緊密，構(gòu)成一個網(wǎng)絡(luò)。

14、因此每一單元的變化都會受到其他單元變化的影響，并會引起其他單元的變化。

15、（2）系統(tǒng)具有多層次、多功能的結(jié)構(gòu)，每一層次均成為構(gòu)筑其上一層次的單元，同時也有助于系統(tǒng)的某一功能的實現(xiàn)。

16、（3）系統(tǒng)在發(fā)展過程中能夠不斷地學(xué)習(xí)并對其層次結(jié)構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)進行重組及完善。

17、（4）系統(tǒng)是開放的，它與環(huán)境有密切的聯(lián)系，能與環(huán)境相互作用，并能不斷向更好地適應(yīng)環(huán)境的方向發(fā)展變化。

18、（5）系統(tǒng)是動態(tài)的，它不斷處于發(fā)展變化之中，而且系統(tǒng)本多對未來的發(fā)展變化有一定的預(yù)測能力。

19、 一般來說，復(fù)雜性研究的基本方法是：（1）定性判斷與定量計算相結(jié)合。

20、（2）微觀分析與宏觀綜合相結(jié)合。

21、（3）還原論與整體論相結(jié)合。

22、（4）科學(xué)推理與哲學(xué)思辨相結(jié)合。

23、 復(fù)雜科學(xué)研究中所用的理論工具：（1）非線性科學(xué)——非線性動力系統(tǒng)理論（穩(wěn)定性和分叉理論、混沌、孤子）和統(tǒng)計力學(xué)（分形、標(biāo)度），及非平衡系統(tǒng)中的復(fù)雜和隨機現(xiàn)象的研究；（2）計算機模擬——它是十分重要的手段，目前已廣泛用于復(fù)雜科學(xué)的研究中；（3）計算智能；（4）數(shù)理邏輯；（5）在不確定條件下的決策技術(shù)；（6）綜合集成技術(shù)；（7）整體優(yōu)化技術(shù)等。

24、 2 生命科學(xué)與復(fù)雜性研究 生命科學(xué)的研究對象都是復(fù)雜系統(tǒng)，（具有關(guān)聯(lián)性、多樣性、自學(xué)習(xí)、自組織、開放、動態(tài)的特點），生命科學(xué)研究的系統(tǒng)正因為其復(fù)雜性，對其構(gòu)成的原因和演化的歷程，此前均缺乏了解，也因此吸引了復(fù)雜性科學(xué)研究者的高度重視。

25、近幾十年來，對生物系統(tǒng)所具有的整體性、關(guān)聯(lián)性、網(wǎng)絡(luò)層次性、統(tǒng)計漲落性、內(nèi)在和外在的隨機性、模糊性、開放性和歷史性等這一類復(fù)雜系統(tǒng)的典型特征進行了探討。

26、生物體本身的特點以及生物的進化使得人們的思維方式從單純的物理學(xué)簡單系統(tǒng)的研究轉(zhuǎn)變?yōu)閷ι飳W(xué)的復(fù)雜系統(tǒng)的研究［3］。

27、 基因是生命遺傳的基本密碼，生物體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能不僅僅是由基因決定的，也是由基因組中大量的非編碼信息和非編碼基因決定的。

28、因此生物體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能不僅僅是由基因決定的，也不僅僅是由基因組中大量的非編碼信息決定的，而是由這些元素在生物體各個層次上復(fù)雜、動態(tài)的相互作用決定的。

29、 作為生命系統(tǒng)的指揮和協(xié)調(diào)中心—神經(jīng)系統(tǒng)，其中樞功能結(jié)構(gòu)為大腦，近十年來腦功能的科學(xué)研究是復(fù)雜科學(xué)領(lǐng)域中的一個熱點。

30、大腦有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，它的組織層次按空間尺度有：分子、膜、突觸、神經(jīng)元、核團、回路、網(wǎng)絡(luò)、層、投射、系統(tǒng)。

31、大腦表現(xiàn)出的某些高級功能是不能在較低的層次上觀察到的，其中有些是由各個單元之間的相互作用而涌現(xiàn)出的集體行為。

32、人們的思維規(guī)律是不斷變化的，但是最低層次的規(guī)律是不變的。

33、腦功能的復(fù)雜性首先體現(xiàn)在各神經(jīng)子系統(tǒng)自身的高度非線性、不穩(wěn)定性和適應(yīng)性；其次體現(xiàn)在它們之間相互連接的非均勻性及大規(guī)模并行等特點。

34、不僅如此，即使在非常簡單的神經(jīng)系統(tǒng)中也存在著令人驚異的復(fù)雜性，這反映在它們的功能、演化歷史、結(jié)構(gòu)和編碼方式。

35、比如，單個神經(jīng)元放電的時間序列包含復(fù)雜多樣的時間模式，反映了神經(jīng)細胞內(nèi)的復(fù)雜的動力學(xué)過程［4］。

36、腦電信號是中樞神經(jīng)系統(tǒng)自發(fā)產(chǎn)生的生物電活動，它包含了豐富的神經(jīng)系統(tǒng)狀態(tài)和變化的信息，因而在臨床和神經(jīng)電生理研究中得到了廣泛的應(yīng)用。

37、現(xiàn)在人們對EEG建立動力學(xué)模型，并研究其中的混沌現(xiàn)象，顯示動力學(xué)模型方法對于研究大腦正常生理和病理狀態(tài)具有的意義［5］。

38、 近年來控制領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)和發(fā)展了腦控系統(tǒng)，即基于腦電信號的人機融合控制系統(tǒng)，直接以腦電信號為基礎(chǔ)，通過腦機接口來實現(xiàn)控制。

39、“腦控”研究涉及神經(jīng)科學(xué)、計算機科學(xué)、控制科學(xué)和心理學(xué)等多學(xué)科交叉。

40、相關(guān)研究已經(jīng)開發(fā)出了利用大腦的思維、通過電子接口來控制各種設(shè)施的運動狀態(tài)，并取得預(yù)期效果的“腦控技術(shù)”，這項技術(shù)在醫(yī)療等多個方面具有重要的應(yīng)用價值。

41、 人工生命（Artificial Life）是近10年發(fā)展起來的一個新方向，是以進化為主要特征的復(fù)雜性研究。

42、人工生命致力于研究生命形式（并不局限于某種特定的載體）的普遍特征。

43、地球上的生命被看成是一種具有特定載體—蛋白質(zhì)—的特定生命形式，地球上的生命進化也僅僅代表一種特定的進化途徑，因此可以用別的物質(zhì)來構(gòu)造另類載體的生命形式，賦予它們生命的特征，使其具有進化、遺傳、變異等等生命現(xiàn)象，得到生命的普遍行為［2］。

44、 其他如心血管系統(tǒng)中的心率變異性和管腔應(yīng)變問題；動態(tài)?。ㄒ援惓r間組織結(jié)構(gòu)為特征的疾病，如周期性發(fā)熱、周期性關(guān)節(jié)腫脹等）的預(yù)防、治療和數(shù)學(xué)建模問題；生態(tài)系統(tǒng)的種群繁殖問題；流行病中的疾病傳染規(guī)律；生化反應(yīng)的動力學(xué)過程；免疫系統(tǒng)中信號產(chǎn)生、傳遞和轉(zhuǎn)導(dǎo)的動力學(xué)過程等都體現(xiàn)了生物系統(tǒng)的復(fù)雜性，屬于復(fù)雜性科學(xué)研究的范疇。

45、 因為生命體的多樣性和復(fù)雜性決定了臨床醫(yī)學(xué)本身的復(fù)雜性；疾病是復(fù)雜的，不僅生命體本身病理過程復(fù)雜，而且心理、社會、環(huán)境等因素都會影響病理過程；許多復(fù)雜性疾病，如心血管疾病、癌癥、艾滋病等皆是生命體多層次、多層面因素作用的結(jié)果。

46、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)是在還原論指導(dǎo)下對生命和疾病局部的、分離的認識，仍停留在分析和描述的水平上；所以需要借助復(fù)雜性研究方法。

47、在研究方法和觀念上有所突破。

48、 祖國傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)獨特的思維方法和對復(fù)雜系統(tǒng)整體狀態(tài)的把握與復(fù)雜性研究有類似的思路。

49、中醫(yī)學(xué)對人體內(nèi)部的相互作用以及人體與環(huán)境的相互作用提出了眾多的命題，為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究準備了豐富的素材，對中醫(yī)的理論體系的認識還必須運用物理學(xué)、生物學(xué)、數(shù)學(xué)、控制論、系統(tǒng)論等學(xué)科的最新知識。

50、 復(fù)雜性科學(xué)對我們來說是一個充滿未知的領(lǐng)域，研究方法上既有還原論，也有綜合論和系統(tǒng)論，這兩種思想正在經(jīng)歷碰撞并開始出現(xiàn)融合的趨勢。

51、但是在研究對象上，它研究的問題并不是剛剛出現(xiàn)，而是因為人們認識的深度和它本身的難度，使這一類問題被擱置了起來。

52、目前，對復(fù)雜性的研究已經(jīng)分別在一些學(xué)科取得了初步的進展，隨著科技的進步、人類對自然和自身認識的深化，生命科學(xué)中的復(fù)雜性問題必然會被逐步地認識和解決。

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