复杂性科学及其对中医药学研究的启示

李东涛

济南军区青岛第一疗养院中医科，山东 青岛 266071

复杂性科学[1](Science of Compledty)是一门研究复杂性和复杂系统的新兴的边缘、交叉学科。国外有学者称复杂性科学是科学史上继相对论和量子力学之后的又一次革命[2]，国内成思危教授认为它是系统科学发展的一个新阶段[3，4]，戴汝为院士称其为“21世纪的科学”。近年有关的学术会议和论文发表数量急剧增加，相关的研究在国内外掀起了热潮。总之，它方兴未艾，引起了国内外越来越多学者的关注。复杂性科学打破了线性、均衡、简单还原的传统范式，而致力于研究非线性、非均衡和复杂系统带来的种种新问题。复杂性科学的出现极大地促进了科学的纵深发展。使人类对客观事物的认识由线性上升到非线性、由简单均衡上升到非均衡、由简单还原论上升到复杂整体论。因此，我们认为复杂性科学的诞生标志着人类的认识水平步入了一个崭新的阶段，将是科学发展史上又一个新的里程碑。

复杂性研究最早的起源可以追溯到20世纪上半叶，1928年贝塔朗菲（Von Ber talanf fy）完成了描述生物有机体系统的毕业论文。自此以后的20年，在这方面做出实质性贡献的人及其成果为：McCul-loch和Pitts的神经网络、冯·诺依曼（John Von Neuman）的元胞自动机（cel lular automata）和维纳的控制论。上个世纪50年代到70年代，普里高津提出了耗散结构理论，沟通了非生命系统和生命系统的内在联系，说明这两类大系统之间并没有严格的界限，表面上的鸿沟是由相同的规律所支配的。耗散结构的理论是对系统宏观性质的研究，还没有和系统的微观性质联系起来。与普里高津同时代的哈肯的协同学则沟通了从微观到宏观的通路，使系统在宏观上表现出来的规律能和微观上的运动联系起来。远离平衡态的研究是欧洲复杂性研究的代表，但是从目前的情况来看，普里高津和哈肯所研究的系统特性仍属于“简单巨系统”特性的范畴，可以直接用统计学等定量工具进行处理。当这些方法运用到更复杂的系统中时，遇到了根本性的困难。1984年，在诺贝尔奖获得者盖尔曼（Gel l Mann）等人的发起与鼓动下，一批物理学家、理论生物学家、经济学家和计算机专家及其它学科的研究人员聚集于美国新墨西哥州的圣塔菲组织了一个松散的研究团体，称为圣塔菲（Santa Fe）研究所。其前期的主要学术观点可概括为：复杂系统是由大量相互作用的单元构成的系统。复杂性的研究则是研究复杂系统如何在一定的规则下产生有组织的行为。近年来，圣塔菲研究所的一些科学家拓宽了复杂性的研究内容，把兴趣逐步转移到对混沌边界的研究上。总体来看，圣塔菲研究所认识到复杂性研究的困难在于不能用传统的方法来处理复杂系统所涉及的问题，并提出了复杂性科学这一概念。迄今圣塔菲研究所在复杂性科学研究方面所涉及的主要内容有：复杂适应系统、非适应系统(如元胞自动机)、标度、自相似、复杂性的度量。其中复杂适应系统是圣塔菲研究所集中研究的对象，而且复杂适应系统理论也是第三阶段复杂性科学的主要成果。

1 复杂性

在复杂性科学研究中，复杂性是客观事物的一种属性，是客观事物跨越层次的、不能够用传统的科学理论直接还原的相互关系。复杂性与简单性是相对应的。简单性一向是现代自然科学的一条通则。许多科学家相信自然界的基本规律是简单的。爱因斯坦曾是这种观点的突出代表。虽然复杂现象比比皆是，但人们还是努力要把它们还原成更简单的行为主体（Agent）或过程。当然的确有不少复杂的事物或现象，其背后确实存在简单的规律或过程。但是，另一方面也存在大量的事物和现象不能用简单的还原论方法进行处理。事实上，简单性与复杂性是客观事物的两种不同表现形式。“复杂性必须用复杂性的方法来研究”。

2 复杂系统

目前关于复杂系统的定义还很不统一，至少有30多种，如：复杂系统就是混沌系统（混沌学派）；复杂系统是具有自适应能力的演化系统(圣塔菲)；复杂系统是包含多个行为主体(Agent)具有层次结构的系统；复杂系统是包含反馈环的系统(Stacey)；复杂系统是任何人不能用传统理论与方法解释其行为的系统(John War f ield，约翰.沃菲尔德)；复杂系统是动态非线性系统。

对指导中医学研究而言，我们认为，复杂系统是具有自适应能力的演化系统，即有反馈环，又包含行为主体(Agent)及层次结构，而且是非线性系统。每一个层次的行为主体(Agent)对更高层次的作用者来说都起着建设砖块的作用。能够吸取经验，从而经常改善和重新安排它们的建设砖块。所有复杂的适应性系统都会预期将来。这种预期都基于自己内心对外部世界认识的假设模型之上，也就是基于对外界事物运作的明确的和含糊的认识之上。能够随着系统不断吸取经验而被检验、被完善和被重新安排。

3 复杂性科学

3.1 复杂性科学的概念

我们认为：“运用非还原论方法研究复杂系统产生复杂性的机理及其演化规律的科学”可以作为复杂性科学的定义。简单地说，复杂性科学就是运用非还原论方法研究复杂系统的科学。

3.2 复杂性科学的基本原理

总结目前的研究成果，我们认为复杂性科学的基本原理主要有以下一些：

(1)整体性原理 由于复杂性科学的研究对象是非线性系统，传统的叠加原理失效，因此，不能采用把研究对象分成若干个小系统分别进行研究，然后进行叠加的办法，而只能从总体上把握整个系统。

(2)动态性原理 复杂系统必然是动态系统，即与时间变量有关的系统。没有时间的变化，就没有系统的演化，也就谈不上复杂性规律。

(3)时间与空间相统一原理 复杂性科学不但研究系统在时间方向上的复杂演化轨迹，而且还试图说明系统演化的空间模式。一般说来，系统中非线性关系所导致的浑沌可以认为是一种时间演化轨迹，同时也可以用分形来描述系统长期演化后的空间模式。这两种描述通过奇怪吸引子的分数维和李雅普诺夫指数等概念相关联。

(4)宏观与微观相统一的原理 复杂性科学认为，经济系统的宏观变量大的波动可能来自于组成系统的一些元素的小变化。因此，为了探讨复杂系统宏观变量的变化规律，必须研究它的微观机制。但由于非线性机制的作用，又不能将系统进行分解，所以说必须将宏观与微观相统一。

(5)确定性与随机性相统一原理 复杂性科学理论表明：一个确定性的系统中可以出现类似于随机的行为过程，它是系统“内在”随机性的一种表现，它与具有外在随机项的非线性系统的不规则结果有着本质差别。对于复杂系统而言，结构是确定的，短期行为可以比较精确地预涵，而长期行为却变得不规则，初始条件的微小变化会导致系统的运行轨迹出现巨大的偏差。

3.3 复杂性科学所涉及的几个主要概念

(1)自组织（Sel f-organization） 从系统论的观点来说，“自组织”是指一个系统在内在机制的驱动下，自行从简单向复杂、从粗糙向细致方向发展，不断地提高自身的复杂度和精细度的过程。这一过程是适应性的，使得系统能够更好地应付或处理它们的环境。

(2)突现(Emergence) 突现是指复杂系统中的行为个体(Agent)根据各自行为规则相互作用所产生的没有事先计划但实际却发生了的一种行为模式。正如安德森所指出的那样，复杂系统“每个复杂的层面都会出现全新的特征。每个阶段都需要全新的法则、概念和普遍化，需要与上一阶段同样多的灵感和创造性。”在每一个阶段，新形成的结构会形成和产生新的突然出现的行为表现，如心智是一个突现的特征。

(3)混沌边缘(Edge of Chase) 这是指一个复杂自适应系统运行在有序和无序之间的相交过程中出现的有界非稳定性的一种形式。是复杂系统的层次的行为中，系统的元素从未完全锁定在一处，但也从未解体到骚乱的地步。这样的系统既稳定到足以储存信息，又能快速传递信息。这样的系统是具有自发性和适应性的有生命的系统，它能够组织复杂的计算，从而对世界做出反应。混沌的边缘就是生命有足够的稳定性来支撑自己的存在，又有足够的创造性使自己名副其实为生命的那个地方，是复杂系统能够自发地调整和存活的地带。进化似乎永远都导向混沌的边缘。系统是通过对环境的适应而到达混沌的边缘。

(4)人工生命(al i fe) 人工生命是用综合的方法来理解生命，用计算机、或也许是机器人等新型媒介来探索生物学领域的各种发展的可能性。人工生命研究演衍出了三个伟大洞见：①有生命的系统似乎总是自下而上地、从大量极其简单的系统群中突现出来。“我们从计算机模拟复杂的物理系统中获得的最为惊人的认识是：复杂的行为并非出自复杂的基本结构。“确实，极为有趣的复杂行为是从极为简单的元素群中突现出来的。”②获得类似生命行为的方法，就是模拟简单的单位，而不是去模拟巨大而复杂的单位。是运用局部控制，而不是运用全局控制。让行为从底层实现出来，而不是自上而下地做出规定。做这种实验时，要把重点放在正在产生的行为上，而不是放在最终结果上。③从生命的特点在于组织，而不在于分子这一点上来说，生命有可能不仅只是类似计算机，生命根本就是一种计算法。在此之所以介绍人工生命概念，是出于我们如下的认识：中医学从某种意义上讲，也可以被视为一种人工生命。

4 生物系统的复杂性研究

人们普遍认为，生物的复杂性和非生物的复杂性是两类不同的复杂性，前者的复杂性程度比后者要高得多，而且有质的不同。生物复杂性有三个特点，其一是在复制生物结构的过程中，存在指令和控制，并由此展现出生长性和自适应性；其二是生物具有无双性，这导致不同层次、不同类群，甚至不同个体生物的复杂性，显示有很强的个性，这是在生物学领域应用数学方法的一个难点；其三是生物复杂程度的超巨性，这也使得生物复杂性难以量化。研究表明，许多生物体中存在混沌现象，兔嗅觉识别的过程、穴位的红外辐射、人的脑电信号、大鼠的心动周期信号、健康人的心搏、儿童的心理周期都具有混沌特征。另外，不少医学研究者将混沌理论应用于疾病的研究，对心脏病、精神病、癫痫病、糖尿病等疾病的发生机理、诊断与控制方法以及疾病的传播过程进行了具有实践意义的探讨。

5 复杂性科学对中医学研究的启示

中医学研究的对象是人体，由于人体是复杂巨系统，所表现的各种疾病也极其复杂，在此，在应对复杂的人体与复杂的疾病，中医也经历了从简单到复杂的漫长过程，不断重复着经验━规则━临床验证━更新经验━更新规则循环往复不断完善与发展起来的，中医的辨证论治是以由历代医学的临床经验为建筑材料堆砌起来的复杂适应系统。中医学应用“寒则热之，热者寒之，虚则补之，实则泻之”等基本规则。但在临床上，针对不同情况，往往可以做得很细化，如要考虑药物的产地、患者所处的地域、所处背景等人文社会情况，而针对这些情况，也有要应用不同的规则。中医与新兴的复杂性科学，其起点是不同的，中医是针对人体的复杂巨系统出现的偏颇，纠偏补缺，而达到整体的协调；而复杂性科学是从还原论出发，研究多个行为主体(Agent)通过自组织，在形成不同层次结构时，所涌现的的新的特征。但这并不能掩盖中医学的复杂性特征，如朱时清院士认为，中医的自组织自相似与复杂性科学的特征吻合；西医注重物质实体，中医重视协调，生物复杂系统最重要的特点各组分关系高度协调。乔宇认为中医的理论基础是“整体论”，可以说中医属于复杂性科学。中医学的理论体系本身就是一个开放的复杂巨系统，中医的哲学思想基础即“阴阳五行系统”，阴阳五行模型体现了复杂系统的非线性特征。中医脏腑理论与复杂性科学相通，诊疗方法与复杂性科学相通，辩证施治的意象说属于近代科学模式识别。以分子水平来看，作为自然药物的每一种中药也都是一个复杂系统，一味中药往往具有很多不同效用，而当多味中药以不同的搭配组成方剂，则又是一个不同的复杂系统。因此可以说，人体是一个复杂系统，与之相对应的中医药诊疗体系是一个开放的复杂巨系统。

关于研究方法，宋琳莉等提出用系统思维代替中医整体思维与形象思维、本能思维。潘国凤等认为应以系统论与还原论相结合的复杂性科学研究中药。白云静等提出整体性思维与还原性思维逆向对接等观点。中医学研究可以借鉴的研究方法有：复杂性适应系统、人工神经网络，数据挖掘，从定性到定量的综合集成法，模型构建、人工智能等。

关于从定性到定量的综合集成法是从上世纪80年代中期开始的。1986年开始，在钱学森指导的“系统学”讨论班，对有关复杂系统的一些问题进行了探讨。经过5年的探讨与实践后，于80年代末，把对系统的研究加以拓广，提炼出开放的复杂巨系统的概念，并总结概括了处理开放的复杂巨系统的方法论，形成了“从定性到定量的综合集成研讨厅体系”的构思，把复杂系统的研究推上了一个新的台阶。并从概念上弄清楚了“复杂性”问题，得出如下结论：“复杂性”实质上是开放的复杂巨系统的动力学特性。由于开放的复杂巨系统也把复杂系统、复杂巨系统和开放的简单巨系统作为特殊情况，所以复杂性的研究自然也把这些系统的动力学特性概括在其范畴之中。这就对复杂性的研究方向有一清晰的把握。综合集成研讨厅体系是处理开放的复杂巨系统的方法论，从思维科学的层次来看，它又是思维科学的一项应用技术。它的构思是把专家们和知识库、信息系统、各种人工智能系统、计算机象作战指挥厅那样组织起来，形成一个巨型的人机结合的智能系统，共同作用于复杂问题的求解。从对综合集成研讨厅体系的构思，我们可以看出，与历史上其它方法论不同的是，综合集成研讨厅体系不是一系列公式的汇总，也不是以某几条公理为基础搭建起来的抽象框架。它的实质是指导人们在处理复杂问题时，把专家的智慧、计算机的高性能和各种数据、信息有机地结合起来，构成一个统一的、强大的问题求解系统。因此，从软／硬件体系上和组织结构上实现该系统，使之能真正应用于复杂问题的研究实践显得尤为重要。我们对证候研究的研究，借鉴了从定性到定量的综合集成研讨厅体系的研究方法，取得了一定的成果。

[1]宋学锋．复杂性、复杂系统与复杂性科学[M]．中国科学基金，2003(5)：262－269.

[2]Waldrop M.复杂：诞生于秩序与混沌边缘的科学[M]．陈玲，译．北京：三联书店，1997，1－7.

[3]成思危，冯英艳．复杂性科学探索[J]．北京：民主与建设出版社，1999，1－8．

[4]成思危．复杂科学与系统工程[J]．管理科学学报，1999，12(2)：1－6．