混沌學在醫(yī)學科學中的價值

精品文檔-下載后可編輯混沌學在醫(yī)學科學中的價值：閻書鳳王蕾潘巧儀單位：廣州市衛(wèi)生技術鑒定和評估中心

混沌理論(chaostheory)及其應用方面的研究,在我國已廣泛展開,涉及到數(shù)學、物理、化學、信息、人文和社會等多學科,以至貫穿信息科學、生命科學、空間科學、地球科學和環(huán)境科學領域,并取得一批可喜的成果。在我國,由于教育以及學科間的屏蔽影響,在醫(yī)學上的研究尚處于起步階段。醫(yī)學工第一次遇到"混沌'(chaos)這個詞的時候,產(chǎn)生的第一反應,多為"模糊'、"混亂'、"無序'。容易造成這種誤解也正是這個學科的不幸之處,以至帶來無數(shù)的爭論與商榷。使用這個詞匯的多數(shù)學者也都承認這個詞用得很不理想和不情愿,但仍然還是沒有其他更好的選擇。至于什么是現(xiàn)代科學意義上的"混沌',目前尚無法用簡明確切的詞語來定義,正如對"生命'一詞無法定義而只能描述一樣,而對混沌描述比對生命的描述要生澀的多。Chaology這個詞應該是混沌學,也已在文獻中出現(xiàn),但目前尚未被名詞審定機構確認。

混沌理論的起源可追溯到19世紀,正式誕生在20世紀60年代,而真正被確定為一門新興學科是在80年代。這一新理論的產(chǎn)生是殊途同歸的歷史必然。因為牛頓以來的定理多是對線性(或被假設為線性)的問題闡述,而自然界中大量存在的(90%以上)現(xiàn)象是非線性的,人體、生命系統(tǒng)是尤為典型的非線性系統(tǒng)。這就要求有非線性的方法、原理來解決,不僅是定性,而且要求有定量的研究。因此,研究人員不斷發(fā)展、追求新的認識觀,拓展新的理論和方法,實踐又反過來證實和支持了這一新學科。混沌理論與相對論、量子力學被譽為20世紀三大發(fā)現(xiàn),"后世子孫對于20世紀的物理學、將會記取這三項革命性的發(fā)展'。

非線性科學(nonlinearscience)是一門跨學科研究的領域,其核心是對混沌的研究,而研究混沌的工具是分形(fractal)理論和計算機。只有在分形幾何(fractalgeome-try)和新型計算機誕生的今天,混沌理論的確立才成為可能。計算機也不再作為單純的運算工具,對于混沌,它是更重要的研究工具(模擬系統(tǒng)),它將與傳統(tǒng)的實驗室(試管、顯微鏡之類)并駕齊驅。醫(yī)學如何開展混沌學研究,還是一項十分困難的事。因為我們現(xiàn)時的專業(yè)人員,知識和技能都非常"專業(yè)',而對不同領域,跨大學科的認識和研究還缺少人才(通識人才),單靠一方圣賢,幾乎是不可能完成的。最可能取得認識優(yōu)勢的應該是醫(yī)學研究人員。他們有條件學習新理論、掌握新方法,使用計算機,因為他們最大的優(yōu)勢是已經(jīng)掌握了最復雜的非線性(生命科學)的知識,而其他專業(yè)人員要想重新學習和了解生命科學的知識,很難再有5年、8年或10年的醫(yī)科專修機會?；煦绲难芯亢蛻貌皇菍栴}搞的更復雜,恰好相反,是掌握簡明的方法和原理去解決實際的問題。

混沌理論是對牛頓以來的決定論(序)和后來的隨機論(無序)的調(diào)和,錢學森稱混沌是"宏觀無序,微觀有序'。還有各種解釋:①中醫(yī)至今對它還是帶有明顯的古樸哲學理念,認為混沌是"未分化的狀態(tài)'。②郝柏林:"混沌不是簡單的無序或是混亂,而是沒有明顯的周期和對稱,但又具備豐富的內(nèi)部層次的有序狀態(tài)'。③混沌運動與大尺度上的規(guī)則性運動完全不同。④混沌是一種不能用線性方法預測的隨機行為,混沌是一種既有決定性、又有隨機特征的二重性狀態(tài),"一方面服從大自然法則,如力學法則。另一方面又有一些偶然性?；煦缡窃谖锢韺W的決定論規(guī)律和隨機規(guī)律間架設的一座橋梁',混沌才真正揭示了自然的內(nèi)在屬性和本質(zhì)內(nèi)容。這里只能簡要地提到幾個和醫(yī)學有關的最基本的概念。

1線性和非線性(linearity,nonlinearity)

線性:是數(shù)學上的一種關系,如ax=3y+b是用這種關系式來表達的函數(shù)(比例)關系,它最大的特點是符合疊加原理,既總體等于各部分之和,從式中可以知道過去,也可以計算出未來(決定論)。非線性:在因變量與自變量之間不存在必然固定公式,總體不等于各部分之和,不符合疊加原理,如人體血壓24小時內(nèi)是M型波動,無法從上午10點所測得的血壓,通過一個什么公式來預測上午11點、12點、下午或晚上某時刻的血壓。人體血壓雖然大致上呈近日節(jié)律,但決定血壓值的因素很多:如地理、季節(jié)、環(huán)境等各種外界因素都隨時不同;植物神經(jīng)張力、激素、血容量、各器官組織的張力等各種內(nèi)環(huán)境因素更是不斷地處于變化不定之中,受到調(diào)節(jié)之后所表現(xiàn)出的血壓,必然是非線性。其實,人體正常的生理節(jié)律幾乎都是非線性的。人體是一個典型的非線性動力系統(tǒng)已成公認。我們過去的研究方法,總體上都是線性的方法(如均數(shù)均方差,波譜分析等),而對于非線性的問題,只能用非線性的方法來研究解決,非線性科學中成就最為突出的就是混沌理論。

2吸引子(attractor)

每一種生物節(jié)律,在不同的時間序列都處于不同的狀態(tài),我們習慣稱之為"動態(tài)',記錄這種動態(tài)的曲線稱為動態(tài)曲線,如心電圖、腦電圖。每一個周期似乎是周而復始地再現(xiàn),正如物理學上最簡明的例子鐘擺。將鐘擺擺錘每一時刻的勢能(或速度)取值,也可得出一條動態(tài)曲線。①定點吸引子:如果是阻尼擺,擺幅會逐漸減少,最終停止,如圖1,是將它轉換到相平面(相空間)中的運動軌跡將是從周邊逐漸趨向中心點繞圈,最后終止于中心點,這個點叫做"定點',也稱吸引子,擺的運動軌跡被它所吸引。②極限環(huán)(limitcycle):如果是無阻尼擺(外加的推動正好克服阻力),擺幅不變,如圖2。它在相平面中的運軌跡是半徑一定、繞圓心的不斷重復的圓。運動軌跡被心區(qū)所吸引,這中心區(qū)就稱為極限環(huán)(吸引子)。③奇異吸引子(strangeattractor):如果是混沌擺(如兩個鐘背靠背地并放在一起,兩個擺互相作用,可能出現(xiàn)混沌擺,如圖3,其中一個擺的運動軌跡將被另一個吸引區(qū)所吸引,而軌跡線永不相交,這個吸引區(qū)被稱為奇異吸引子。

3分形(fractal)

分形(fractal)一詞是從拉丁語"破碎'一詞引來的,是由分形理論創(chuàng)始人曼德爾布羅特1975年首創(chuàng),國內(nèi)一些英漢詞典還沒有收錄,一般指復雜的不規(guī)則幾何圖形。對規(guī)則幾何圖形,如線段、圓、立方體等,可用人們熟悉的歐氏幾何進行研究。而對于劃不出切線也不能用微積分計算,而且無法用微積分來定義的圖形,如海岸線、云彩、雪花、毛細血管網(wǎng)、肺支氣管樹等這樣一些復雜不規(guī)則的幾何對象。歐氏幾何顯然無能為力。那么,如何來測定這些圖像,曼氏有一個經(jīng)典的問題:"英國的海岸線到底有多長?'另外。對于一些國家邊界的長度也是出現(xiàn)了很多麻煩,各家公布的數(shù)據(jù)不一樣。為什么呢?因為用不同的標度測量就會有不同的結果。在解決這類問題的研究中,科學家們發(fā)現(xiàn)這些不規(guī)則幾何對象都有共同的特點,即在不同尺度層次上表現(xiàn)出某種自相似性,局部放大與整體相似。具有這樣特性的幾何圖形稱為分形。后來又發(fā)現(xiàn),可以用一種全新的概念分數(shù)維來表達測定值。而不是過去整數(shù)維(如1維、2維、3維)的概念。分形的維數(shù)可用公式計算:=lim0lnN()ln(1/)式中,N()表示某一尺度下對被測幾何對象的度量,表示尺度縮小的倍數(shù)。由上式計算的維數(shù)一般不是整數(shù),是分數(shù),稱為分維(如34維、179維、258維)?；煦鐚W是現(xiàn)代科學與現(xiàn)代技術特別是計算機技術相結合的產(chǎn)物,是正在蓬勃發(fā)展的非線性科學的重要組成部分,它的任務是揭示具有混沌特征的非線性系統(tǒng)的規(guī)律,并解決實際問題,在自然界中,絕大多數(shù)系統(tǒng)是非線性系統(tǒng),而非線性系統(tǒng)的運動狀態(tài)通常表現(xiàn)出混沌現(xiàn)象,因此,混沌學理論得到廣泛應用。#p#分頁標題#e#

4復雜性(complexity)

任何非線性動力學系統(tǒng),都具有自身固有的特性,在對于外界任何微小擾動、刺激,都會表現(xiàn)出一定的反應,系統(tǒng)的這種反應(應激)能力的特性稱為復雜性。人體各個結構上、功能上的生理系統(tǒng),都隨時會對身體內(nèi)、外各種因素的刺激作出反應,一般情況下稱為調(diào)節(jié)。如血液的pH緩沖系、免疫系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等?；煦鐚W認為,生理系統(tǒng)的復雜性越好,其應激、應變的調(diào)節(jié)能力就越佳,例如一個發(fā)育良好的青年人的肺-支氣管樹,其肺泡的總數(shù)和有效換氣面積很大,我們說復雜性好;而一個老年慢性支氣管肺炎、肺氣腫病人的肺泡總數(shù)和有效換氣面積會比這個青年人差很多,我們說他的肺復雜性差。其余各種生理指標,都可以用復雜性來描述,如受體的密度,神經(jīng)突觸的多寡,健康腎單位的多少,動脈血管壁的彈性,干細胞的分化潛能等。能將這些復雜性進行定量測定的量度稱為復雜度?；煦鐚W的主要任務就是尋找各種生理功能的復雜度,不僅可分辨健康與減退(衰老),而且可廣泛應用于診斷疾病和療效評估。有一篇著名的文章為"復雜性丟失,衰老的來臨'詳細說明了這一點。

時間醫(yī)學不斷地在揭示人體生物節(jié)律,我們不難看到這些節(jié)律、周期的時段決不是整整齊齊、相互均等的。女性的月經(jīng)周期為28天左右,而決不是按2824小時準時來潮。臨床醫(yī)生對健康心臟一般在病歷記錄上會寫為"心律齊'或"律整',然而我們仔細測量一段時間內(nèi)的心電圖,會發(fā)現(xiàn)健康的心臟幾乎沒有兩處P-P間期完全相等的,應該說是"絕對不齊'才是健康的。將這些健康的節(jié)律動態(tài)曲線按混沌學方法重構吸引子,結果是奇異吸引子,是混沌的。假如等時節(jié)律越來越多,即目前人們多稱之為"心率變異性'的改變,表明心功能在惡化,而"鐘擺律'是不再混沌了,是臨終前的表現(xiàn)。所以,20世紀80年代后期,人們開始提出"混沌才是健康'的口號。系統(tǒng)的復雜性越好,應變能力就越強,出現(xiàn)的可能性就越多,必然就會處于混沌狀態(tài)。如果一個病人動脈壁開始硬化,彈性喪失,其脈壓差會變得比原來小,復雜性也會表現(xiàn)出減退,其吸引子中的軌跡線可能就會出現(xiàn)重疊,可以認為混沌狀態(tài)在減弱。

有關衰老發(fā)生的生化機理的學說很多,主要的有自由基衰老學說、基因程控學說、交聯(lián)學說、非酶糖基化學說和羰基毒化衰老學說等。正確解釋衰老發(fā)生機理的學說一定要闡明衰老的普遍性、積累性、生理性、內(nèi)因性和必然性。但是,許多學者往往將衰老的表現(xiàn)(后果)與起因相提并論,或將衰老的生理變化和病理變化混為一談。如果用混沌理論及測量生理學復雜性動力學的新方法用來測定正常的衰老過程,則有定量作用。也可用來測定預防疾病和改善其進程的各種手段的效果及加以改進。例如,可測定健康老化與癡呆在認識事物上腦電圖反應的復雜性,以便鑒定到底屬于哪一種狀態(tài),以及特定的藥物對認識功能和行為的作用如何。如果將心率和血壓動力學的復雜性作為衰老的觀測指標,運動和營養(yǎng)對心血管的衰老效應就更容易定量。還可測定某人由于衰老或是疾病所引起的適應能力降低的程度,也可用來