复杂性科学的兴起给中医学及现代医学带来的历史机遇课件

复杂性科学的兴起

给中医学及现代医学带来的

历史机遇

袁冰

研究员香港现代中医药研究发展中心近年来，复杂性科学的兴起，引发了科学观念的变革，极大地拓展了科学的疆域，同时也带来了对东方古代科学的理念、方法的重新审视。在生命科学领域，现代西医的整体化及医学模式的变革，传统中医的现代化及与现代科学技术的结合，成为当今世界人们越来越关注的焦点。复杂性科学的进展，宣判了现代西医按照“分析－重构”的模式走向整体综合的幻想的破灭，而按照复杂性科学研究复杂系统的思路去探索现代西医走向整体综合的道路时，我们惊奇地发现，这正是中医学几千年走过的道路。也就是说，西医的整体化、中医的现代化，在新的科学理念下将殊途同归，21世纪的现代医学，将在整合西方分析医学和以整体观念为特征的传统中医学基础上，发展成一个全新的医学体系。、科学和科学理论、21世纪科学视野中的现实世界及人体、简单科学和复杂性科学、复杂性科学理念、方法与及其与中医学的一致性、与现代科学并行不悖的现代医学的发展趋势、基于复杂性科学，构建融汇中西医的现代医学新体系

一、科学和科学理论科学及科学理论的传统概念

科学是人类探索自然界的工具，科学的目的是最终揭示存在于自然界的形形色色的研究对象的本来面目和内在规律。科学理论就是描述关于研究对象的本来面目和其内在规律的学说。从原子模型说起

这是我们熟知的原子模型：原子核（质子、中子）和围绕它运行的电子。人们曾经认为，元素周期表中106种物质，在微观，都是以这样的实体结构存在着。(右图)然而，量子力学理论的出现，人们认识到，在微观层次，并不存在这种由实体“粒子”组成的结构。所谓“粒子”（质量）实际上是无形的“能量”聚集的一种表现形式。能量即是质量，质量也是能量。(下图)微观物质的这种“粒子”结构，只不过是存在于20世纪初以前的科学家以及被这种科学“洗脑”了的人们脑海里的虚幻，并不具有任何真实性。量子力学理论的出现，终结了原子结构“粒子”模型的时代。中医“藏象”模型解剖学意义上的真实性藏象模型涉及解剖学器官解剖学意义上的真实性结论心心脏、神经系统有，但超出了解剖学上心脏的范畴中医学的“藏象”，从同名器官解剖学存在的意义上讲，基本上不具有真实性肝肝脏、神经系统有，但超出了解剖学上肝脏的范畴脾免疫器官不真实，无关肺肺有，但超出了解剖学上肺脏的范畴肾肾有，但超出了解剖学上肾脏的范畴理论物理学时空模型的比较

如果我们承认，一个理论一旦被实验证伪，也不能就此认定它是不科学的。那么，我们就必须改变在我们的头脑里已根深蒂固的关于科学的观念，代之以全新的科学观：1.科学不是万能的2.人类无论认识还是改造自然界的能力都是有限的3.科学理论并不一定要有绝对意义上的真实性。原子模型相对论与量子力学霍金的量子引力论真实性不具有局部还未得到完全的证明应用意义有有有有无经过验证有分别对应宇观和微观尚未完全得到科学的验证有无反例有一开始就被认为是不完整的理论未得到证明的部分可能会有反例已被证伪或将来有可能被证伪已被证伪已被部分证伪将来有可能被证伪当代继爱因斯坦之后世界上最伟大的理论物理学家史蒂芬·霍金在他的经典著作《时间简史》里这样论述科学理论：“理论只不过是宇宙或者它受限制的一部分的一个模型，以及一组规则，这组规则把这个模型中的量和我们进行的观测相联系。它只存在我们的头脑中，而不具有任何其他真实性。如果一个理论满足如下两个要求，即是一个好的理论。在一个只包含一些任意要素的模型基础上，该理论应能精确地描述大量的观测，而且它还应能明确预言未来的观测结果。”史蒂芬·霍金眼里的科学理论的概念科学、科学方法和科学探索的过程所以，今天的科学，揭示的已不再是研究对象的本来面目。充其量就是依据所能做的观察，利用科学家的想象，建立一个与现实的研究对象从某方面有一定相似性的模型，通过这个模型去理解研究对象的行为和特性，进而掌握它的内在规律并对其进行有效地干预或调控。由此，科学探索的过程，就是通过与观察、实验结果的比对，利用科学家的想像力，不断地修正和完善这个模型，使它与研究对象从某方面看起来更“像”的过程。科学方法：通过对模型的研究来推知事物的某种性能和规律，借助模型来获取、拓展和深化对于事物的认识的方法，这是今天包括最经典的科学——理论物理学在内的科学研究中的主流方法。二、21世纪自然科学视野中的

现实世界及人体作为当代科学最基本对象的概念—系统系统的定义：通常把系统定义为一些相互联系、相互制约的要素（组成部分）结合而成的、具有特定功能的整体。可以从三个方面理解系统的概念：①由若干要素（部分）组成的，②有一定的结构，③具有一定的功能。系统是普遍存在的，世界上任何事物都可以看成是系统。大至浩渺的宇宙，小至微观的原子，一粒种子、一群蜜蜂、一台机器、一个工厂、一个学会团体、……都是系统。从某个角度不能称为系统的，从另外的角度却可称为系统：如倒塌的建筑作为科学研究基本方法工具的概念—模型新版的小学五年级教科书中，这样论述模型：“模型是解释科学家的思想和发现的，便于理解难以直接观察到的事物，事物的变化，以及事物之间的关系”。通过对模型的研究来推知事物的某种性能和规律，借助模型来获取、拓展和深化对于事物的认识的方法，是科学研究中常用的方法。模型的形式模型可以是实物，如飞机模型、汽车模型和玩具娃娃；也可以是某种图形，如照片、示意图或3D图形；或者是一种数学表达式，如针对各种数学、物理、化学应用问题列出的表达式。然也有纯粹用语言描述的模型和结合着自然语言、图表、表达式等多种复合形式来表达的模型，如我们物理、化学、生物学教科书，揭示的就是其内容所涉及的现实系统的模型。这样的模型通常称为概念模型。模型与所代表的事物的相似性外观形态的相似性：实物和图形模型是依据与所代表的系统形态和外观方面的相似性建立的，如飞机模型、汽车模型，玩具娃娃和照片、3D图形等。结构的相似性：地形图、交通图、电路图是依据与所代表的系统结构上的相似性建立的。性态功能的相似性：在形态和实际结构上可能与所代表的系统相去甚远，但却很好地模拟或表现了所代表系统的行为和特性，我们称为功能模型或性态模型，如与机械钟表功能完全一致的电子钟表模型，实际应用问题的数学表达式，以训练或娱乐游戏为目的，电脑仿真建立的实际场景模型等。中医学在几千年发展中逐步完善起来的关于人体内部的脏腑、气血、经络的理论，实际上也是从性态和功能角度反映人体生理病理规律的模型。现代医学领域的不同的模型在现代医学，解剖学揭示的是关于人体器官、组织形态结构的实体模型生理学揭示的是人体各器官、系统功能和活动规律的生理模型细胞学揭示的是人体各种细胞结构、功能及其与外环境相互关系的细胞模型分子生物学揭示的则是人体生物大分子层面的要素、与环境的相互关系及在人体生理病理过程中作用的模型性态模型的不唯一性另一方面，针对同一个现实系统，研究目的相同，由于研究方法、关注的层面、所依据的现象不同，又可以形成不同角度、不同层面、不同集成度的模型。而即使在同一层面，同一角度，由于选择的要素和结构的不同，也存在着不止一个模型。例如，物理学中，存在于现实世界的光，曾经就有“粒子说”和“波动说”两种模型；天文学中，关于宇宙的起源也存在“大爆炸理论”和“稳态理论”两种模型；在医学领域，更是形成了中西医两大不同的模型体系。而即使在中医学内，针对同一个人体，也存在着六经、卫气营血、三焦和脏腑气血津液几个不同的模型体系。建构模型的最基本原则：最简可适用模型方法是现代科学各个学科研究各自对象普遍采用的思想方法。现实系统通常有多方面的特性，是极其复杂的。一般地讲，模型越复杂、越精细，对现实系统特性和内在规律的揭示就越全面、越准确。但从另一方面来讲，模型的复杂化、精细化，又增加了人们理解的难度。过于复杂的模型，常常会使人眼花缭乱，失去对整体的把握。因此，在科学研究中，人们总是根据研究的目的，在能满足需要的前提下，建立尽可能简化的模型，就是按“最简可适用”的原则建立系统的模型。简单系统

简单系统：组成系统的要素（子系统）比较少，它们之间的关联比较单纯。如一台机器，就是一个小系统。大系统：子系统数量相对较多（几十、上百），如一个车间或工厂，则可称为大系统。巨系统：若子系统数量非常大（成千上万、上百亿、万亿），则称为巨系统。简单巨系统：若巨系统中的子系统种类不太多（几种、几十种），且它们之间的相互关系又比较简单，则称为简单巨系统，如激光系统。巨系统通常有宏观和微观的层次划分，系统在这两个层次上的行为特性有性质上的区别，这是巨系统不同于小系统和大系统的重要特点。复杂巨系统与开放的复杂巨系统复杂巨系统：在巨系统中，如果子系统种类很多（几十、上百、上千或更多），并且有层次结构，它们之间关联方式又很复杂（如非线性、不确定性、模糊性、动态性），这就是复杂巨系统。这类系统无论结构、功能、行为和演化方面都非常复杂，在时间、空间和功能上都存在层次结构，以至于今天还有大量的问题并不清楚。开放的复杂巨系统：对于复杂巨系统，如果与环境存在能量、物质和信息交换，则称为开放的复杂巨系统。开放的复杂巨系统广泛存在于现实世界，人脑系统、人体系统以及生态系统、社会系统均是这样的系统。三、简单科学和复杂性科学简单性科学简单性科学，是基于世界的简单性和自然规律的简单性的理念发展起来的科学体系。在系统科学、复杂性科学产生之前的科学，基本上都可以归结为简单性科学。它研究自然对象采用的方法主要有两方面：分解：将整体分解为部分，通过了解部分而把握整体单因素分析：保持每次只变动一个变量显然，简单性科学，只适用于研究一些相对简单的对象，或者是虽然复杂，但可以分解为一个个简单对象的研究客体。存在于自然界的现实系统而存在于自然界的现实系统（除了人造系统），没有一个属于这样的简单系统：宇宙、星系、太阳系、地球、生态、地理、人体、人脑等等……，甚至于我们认为组成物质的最基本、最简单的单元——原子的结构，都是难以分解成一个个简单部分的复杂的客观对象。这样的系统的特点是：组成系统的子系统种类繁多、数量庞大；相互之间的联系和影响非常复杂；与外界环境还存在着能量、物质和信息的交换。传统科学”分析-重构”的研究方法面对这样的现实系统，几百年前的科学该怎么办呢？只能将动态变成静态，把本来是一个整体的系统，分解成一个个独立的部分或方面；舍弃一些研究者认为不重要的因素，从而把复杂系统的的问题，归结成简单系统的问题，再采用应对简单系统的方法进行研究。分析科学家们认为，把这样研究的结果，沿分解的路径，最终再逆向逐层逐次地整合起来，就可还原出整体系统的特性和内在规律。这就是”分析-重构”的研究方法分析方法的局限性及”测不准原理”的发现然而，随着科学的发展，人们发现：·由整体分解出来的一个个独立的部分，其特性和行为规律与它们在整体中是不一样的，就象一个人，独处和在团队里会有不同的行为方式一样。生命有机体的“测不准原理”：在活的有机体内，我们很难做到固定其它变量，保持每次只变动一个变量。而为固定其它变量进行的人为干预本身，作为一种干扰，无疑会影响研究对象由自身性质决定的属性和行为，使实验不可避免会产生一定的误差。也就是说，在一个各部分相关的整体中，采用分析科学的方法，我们不可能客观真实地了解每一个部分的的属性和行为规律。量子力学中存在的“测不准原理”，在生物体内依然存在。从分析走向整体综合的技术障碍“分析”基础上“重构”整体，首先要全面掌握组成系统整体的各要素的性能、它们之间的相互联系、系统与外界环境之间的相互影响。生命科学的研究显示，人体细胞、生物分子层次的要素与器官、系统层次的要素均会影响到人体整体的生理病理过程。如病毒、胰岛素、癌细胞均是细胞分子层次的因素，它与心脏、神经系统这些器官、系统层次的要素同样在人体的生理病理活动中发挥巨大的作用。因此，要揭示人体整体发生的生理病理变化，不光要考虑器官、系统层次的要素，也要考虑细胞、分子层次的要素。而人体的细胞总数是超过60万亿个，而所包含的分子数，更是远超过此的天文数字。数学模型和动态分析方法的引入，拓展了人类的综合能力，但同时观测的变量数达到两位数，就已经超出了人类直观思维所能承载的限度，使人眼花缭乱了。不要说“重构”整体水平需要同时把数量以万亿计的因素同时投入观察分析。而无论是在器官、组织水平，还是在分子、细胞水平，不综合相当数量的变量，就不可能达到“重构”系统的水平，因此也就不可能得出符合或接近现实系统整体状况的结论。直面复杂性：复杂性科学应运而生显然，面对复杂性的汪洋大海，简单性科学已经走到了尽头。今天，科学如果不想放弃人类赋予它的揭示和利用自然规律的本能理念，就应当逢山开道，遇河架桥，引进新的更适合于研究和认识它们的方法和工具，拓展自己的疆域。既然，应对复杂系统，不能通过将其分解为简单系统的方法解决，那么我们就只能直面复杂性，把复杂系统作为一个整体，按照它的本来面目进行研究。由此，复杂性科学应运而生。四、复杂性科学的理念方法

及其与中医学的一致性

隐喻、类比方法引进用于模型的构建整体方法把复杂系统作为一个整体，按照它的本来面目进行研究。然而，在现实生活中，要一下子从整体上理解一个人们还不甚了解的复杂对象是很困难的。通常的做法是，找出这个复杂事物与人们已经了解的一种简单事物的某种相似性，通过隐喻和类比的方法，使人们达到对复杂事物的理解。隐喻和类比是古今中外小说、诗歌里常用的方法，无论在东方还是西方，现代还是古代，均是一种人们熟知的认知方式。古代中医学里的许多理论就是通过“比类取象”的方法建立起来的。隐喻、类比方法在复杂性科学中的应用隐喻作为一种科学方法，用于科学理论的建立，不过是最近二十年的事情。美国圣菲研究所最早把它作为从整体研究复杂系统的方法而引入，作为对现实系统进行描述和动力学模拟的基本科学方法。在目前几十种复杂性科学的基本定义中，有十余种定义是采用隐喻和类比的方法来界定的。如蝴蝶效应、分形、人工生命、混沌边缘、自组织临界性、涌现等等。在构建复杂系统的理论模型中，也往往采用隐喻和类比的方法。当代复杂性科学的许多重要模型，如霍兰发明的遗传算法、回声模型都是借助于这种方法建立的。著名的“沙堆模型”美国物理学家PerBak（帕•巴克）在自组织临界性这个隐喻性概念基础上，建立了著名的“沙堆模型”。实验：通过装置让沙子一次一粒均匀地落在桌上，形成逐渐增高的一小堆，借助慢速录像和计算机仿真精确地计算沙堆顶部落下一粒沙会带动多少沙粒移动；

初始阶段，沙子下落对沙堆整体的影响不大；

当沙堆的高度达到一定程度以后，一颗沙子的落下可能引发整个沙堆的崩塌。

实验结果产生了“自组织临界”理论。令人惊异和赞叹的是，“沙崩”与地震的统计规律是完全一样的，这是很深刻的相似性。其实，远不止地震，从自然界到人造的系统，一些灾难性行为包括森林火灾、生物灭绝、甚至城市交通堵塞都遵守着与“沙崩”同样的规律。

沙堆模型的仿真表明：开放的、有多个自由度的、远离平衡的动力系统在接近临界态时，以阵发的、混沌的、类似雪崩的形式演化，并能够达到一个稳定的自组织临界态。这个模型已广泛应用于诸如太阳耀斑、火山爆发、经济学、生物演化、湍流以及传染病的传播现象中。计算机仿真技术的用于复杂性建模的必要性对于开放的复杂巨系统的模型，即使相对于现实系统，模型的层次及所抽取的变量个数均作了大大的简化，模型要全面地描述现实系统，仍将是相当复杂的。按照科学的建模原则，模型的正确性要求依据模型做出的预期与现实系统的观测相一致。因此，对模型的每一次调整，都需要大量的观测和验证。对于复杂系统，这意味着极大的工作量，完全靠人工的方式几乎不可想象。计算机模拟仿真技术是由于计算机的应用才出现的一种新方法。这种方法有别于一般的实验方法，它完全通过对模型进行电脑仿真来研究现实系统，现在成了科学发现和研究的重要方法，并已广泛用于复杂性科学研究中。计算机仿真在复杂性科学发展中的贡献计算机为复杂性研究提供了强大的分析工具，是复杂性科学或复杂性研究重要的技术基础和研究手段。混沌现象的发现本身就是计算机应用的一个奇迹。在分形理论中，复杂的分形图也是由一些简单的算法通过计算机的反复迭代而产生的。复杂性科学研究的重要成果中，著名的有人工生命、元细胞自动机、竞争-合作模型、大型模拟工具SWARM等。圣菲研究所霍兰的遗传算法、复杂适应系统理论、回声模型、朗顿的元细胞自动机、人工生命研究，帕•巴克通过沙堆模型对自组织临界性的研究，阿瑟对经济复杂性的研究，全依赖于计算机。如果离开了计算机，这些工作都是不可想象的。没有计算机，也就没有当今的复杂性科学。我们下面考察一个采用仿真软件NETLOG编制生态系统的仿真模型：狼和羊群生态模型中医理论体系就是通过隐喻、类比的方法建立的今天，当我们把隐喻和类比作为一种科学的方法，用复杂性科学的理念重新审视在中国有几千年历史的古老的中医学时，我们注意到：从古到今，从中国最早的医学理论巨著《黄帝内经》起，隐喻和类比，中医称之为“比类取象”的方法，就一直在中医建立理论体系的过程中广泛地应用着。《黄帝内经》中有“援物比类，化之冥冥”、“不引比类，是知不明也”的论述。中医理论中的各种模型体系，就是在阴阳、五行、八卦的“比类取象”的基础上，通过对人体生理病理现象的整体观察构建的。这一理论体系几千年来一直有效地指导着中医学的临床实践，从这个意义上讲，很难说它比今天复杂性科学运用同样方法建立的理论模型更不科学。复杂性科学与中医学在建模过程中的区别在复杂性科学中，采用隐喻和类比的方法建立的模型，同样需要通过严谨的逻辑推理，归结为对现实系统的预期，通过观察和实验进行验证。模型作为科学理论为科学界接受，同样需要实证的支持。依据观察和实验构建理论，用受控实验来检验理论，再根据检验的结果修正和完善理论。几百年来一直是推动科学理论进化的一般机制。由于在科学中存在这样一种理论发展机制，一种新的理论的确立，是不需要从这门学科的历史中寻找依据的。而在我们的中医学，虽然我们也说中医学是以临床实践为依据的，但一种新的观点、新的理念被认可，被接受，往往还需要从老祖宗那里去寻找依据——“出处”。五、与现代科学并行不悖的

现代医学的发展趋势西方医学发展历来都是被自然科学的进步驱动的几百年来，西方医学与自然科学的进步是几乎同步的，自然科学方法和技术的每一步进展，都会把西方医学在相关领域的研究推向前进：光学显微镜和电子显微镜的出现，使人们对微生物、人体和疾病的认识，深入到越来越微观的层次，为细胞学、微生物学的建立奠定了基础。化学的发展，植物提取及化学合成技术的进步，推进了药物化学、药理学和生物化学的发展，导致了抗菌素的诞生，以及一大批在疾病控制及治疗方面发挥重要作用的药物及疗方法的问世。物理学、电学、无机化学的进步，使生理学、病理学的研究范围不断扩大，并深入到更深的层次，也推进了医学检测和治疗仪器的发展。如电生理实验，化学检验、X线、血气分析仪等物理诊断仪器及脉冲治疗技术的持续发展。数学、电子技术及信息技术的发展，将数学模型、计算机仿真技术的应用推进到基础医学研究领域。并带来了CT、核磁共振、彩超、心脑电图、正电子扫描等一系列高端检测仪器的突飞猛进的发展。西方医学分析方法的困境今天，随着现代科学技术的进步，人类对生命现象的研究已经推进到分子、原子、原子核甚至更加微观的层次，建立了包括分子生物学、基因医学在内的庞大的学科体系。但令许多生物学家和医学家感到不解的是：人体仍有很多内在规律没有很好地揭示，在许多严重危害人类健康和生命的疾病面前，人们仍是那样无能为力。宏观层次无法理解的生机勃勃的生命现象，在深入到微观层次后，反而更加茫然了。现实面前，科学家们逐渐清醒了，生命也许本来就不能简单地归结为组成生命的细胞与细胞、分子与分子之间的相互作用。生命系统作为地球上物质演化到一定阶段才出现、并随着时间流逝而不断进化的复杂系统，把将其分解为一个个简单系统进行研究的还原论方法视为揭示其本质奥秘的唯一可行的方法，本身就存在问题。复杂性科学兴起带给西方医学新的发展机遇复杂性科学的兴起引发了科学观念和思维方式的变革，随着宇宙、生命等现实系统的复杂性被揭示，科学家们逐渐意识到，完全靠传统科学的分析和实证，人类可能永远也无法理解像宇宙和生命这样深邃而充满奥妙的现实系统。今天，在复杂性科学的理念逐渐成为主流科学理念的时代，作为一直遵从主流科学的理念，采用不断进步的科学方法和技术手段推进自身发展的西方医学，只能按照今天复杂性科学开创的道路走向整体化：抛开人体微观的实体结构，采用隐喻和类比等方法，从整体上构建人体的简化模型，运用实证方法和定性与定量相结合的分析方法以及计算机仿真技术，通过对模型的验证和不断完善，最终达到能用于整体把握人体、对人体疾病进行综合控制的程度。

基于复杂性科学，现代医学整体建模的方式及模型特征1、简单化：2、与人体的实体结构不存在一一对应3、从宏观到微观，可以通过观测和实验来验证4、定量化方法和算机仿真技术的引入整体模型的一致性提示中西医融合的可能性当我们按照以上叙述的这样一种整体模型的形式和建模程序来审视中国传统医学几千年来形成的人体模型时，我们注意到，简单化、从宏观到微观、与人体的实体结构不存在一一对应，正是中医学人体模型的最重要特征。而模型的可验证性及定量化、计算机仿真技术的应用正是中医学走向现代化的道路上首先要解决的问题。这就是说，西医学走向整体化和中医学走向现代化的道路，实际上是殊途同归。中医学的人体模型是在漫长的古代，医学家同各种危害人类的疾病长期抗争中逐渐形成和完善起来的。不仅有完整的模型，而且有相应的模型分析方法、与模型相一致的疾病信息采集方法、辨证诊断体系和相应的治疗体系。这就提供了一种可能性：把中医学几千年发展中逐步建立并完善起来的中医人体模型直接拿来作为西医学要建立的整体模型，按照科学的理念完善模型的可验证机制，引进定量化技术、现代检测技术和计算机仿真技术，把它发展成一个融汇中西医学的人体整体模型。相应地，与中医人体模型相适应的辨证论治体系和理法方药自然引进了现代医学体系。六、基于复杂性科学，构建融汇

中西医的现代医学新体系将复杂性科学的理念、方法、技术引入医学领域，就是运用隐喻、类比的方法，构建与医学相关的性态模型，基于计算机仿真和在临床观察验证，不断修正和完善这个模型，使对人体与医学相关的性态的认识逐步深化，从而不断提升医学对人体状态的调控、疾病治疗的水平。现代医学整体医学的理念、方法及任务作为与医学相关的人体性态模型它不仅涉及人体内部的结构，人体内各部分之间的互动关系，也会涉及外界环境对人体的影响，也就是各种致病因素、生活环境、生活习惯等等；以及药物、方剂、针灸拔罐以及其它治疗方法对人体的干预作用。而致病因素、药物、方剂这些外界因素本身也是复杂系统，也同样需要引进复杂性科学的方法和手段进行研究。由此在现代整体医学兴起的带动下，21世纪的现代医学将呈现这样的基本架构：（见结构图）21世纪现代医学体系的架构┏解剖学21世纪现代医学架构图┃组织胚胎学┏分析医学┫细胞学┃