非典病情中“过度反应”的混沌学原理

杨鸿智

非典病情中“过度反应”的混沌学原理
作者：
中国医药信息学会北京分会后现代理论医学专业委员会主任委员杨鸿智
yanggates.51.net
2003年6月14日
《健康报》2003年5月15日报道：随着医学界对非典病毒认识的深入和临床治疗的研究，广州市疾病预防控制中心爱滋病防治科主任、主任医师、医学博士陈小平提出，非典的发病机理可能与爱滋病的发病机理相反，很可能是免疫反应过强所致。该病临床表现出的CD4细胞数的急性和可逆性降低，可能是免疫反应过强所造成的免疫消耗，而不是非典病毒感染CD4细胞的结果。陈小平博士告诉记者说，近日，世界卫生组织非典疫情首席科学家Laus Stohrzai发表的报告首次确认，非典病毒会利用病人免疫系统的过度反应，借刀杀人。根据香港的医疗资料，过度的免疫反应看来是导致非典患者死亡的重要因素。
《健康报》2003年6月11日报道：在近日举行的香山会议上，有专家指出，SARS病毒侵入人体后可内侵犯单核巨噬系统产生超抗原，其后免疫系统过度激活临床症状多表现为多脏器损害。
《健康报》2003年6月11日报道：广州市儿童医院曾其毅教授等研究提出，SARS的病理生理过程是全身免疫反应综合症，其发展可导致“细胞因子风暴”和“炎症介质瀑布”。
以上这些报道生命，关于非典的临床表现是免疫反应过度的看法已经为越来越多的人所接受。但是，对于这个反应过度的细节和本质，大多数人还很模糊。为此，本文将说明在非典患者体内是什么东西出现了反应过度，以及这反应过度的混沌学原理。病毒侵入组织细胞后，组织细胞启动凋亡机制使自己和病毒共同死亡。这本来是一个正常的防御机制，但是，当凋亡的细胞越来越多的时候，就危及生命的存在，这是第一个反应过度。当免疫细胞过度死亡，肠道免疫屏障遭到破坏，肠道内毒素经门脉和胸导管进入体内，形成肠源性内毒素血症，机体组织细胞在内毒素作用下在坏死过程中释放大量炎症介质，这就形成第二个反应过度。在以往的基础研究中已经描述过这些过程，除了称为“细胞因子风暴”和“炎症介质瀑布”之外，还称为“几何级数增长”和“级联反应”。这些表明我们医学研究者已经接触到这个现象，但是不知道同样的事情在最新科学中是怎么称呼。正像本文题目所指出的，在系统论中这个事情称为“混沌”，研究这个事情的理论叫“混沌论”。下面我们就将混沌论进行简单介绍，在介绍中联系非典以加强理解。
（一）系统理论的产生过程和基本内容
1．近代自然科学的方法特点
从某种意义上讲，近代自然科学可以说是从伽利略开始，到牛顿完成的，牛顿的万有引力定律成为近代自然科学的统一的基础。因此常用牛顿力学，或经典力学作为近代自然科学的代表。近代自然科学的特点是机械唯物论的思维方法。即：世界是物质的，每种物质都有一种属于自己的特殊的规律，这些规律都是可以认识的。人类认识物质的方法是分析的方法，即任何一个复杂的大的物体都可以分解成简单的小的物体。认识了简单的小的物体的运动规律，再将这些规律综合起来就可以解释复杂的大物体的运动。这样就得出了近代自然科学的两条基本的原理，或称为思想方法，第一个称为“决定论”，即任何事物肯定有一个确定的答案。如果你还没有得到，你只要再继续寻找。第二个是“还原论”。即大的事物可以分解成小的事物，并可以用小的事物来说明大的事物。
2．非机械论物理学的开端
20世纪刚开始，爱因斯坦就以其相对论打破了牛顿机械论的一统天下。开创了非机械论自然科学的新时代。牛顿力学有一个不变的参照物，就是地球，或地球上观察物体运动的人。而任何没有地球或人直接参与的其他物质之间的运动，必须转换成标准参照物的运动，这样才能被我们人类理解。爱因斯坦的相对论取消了牛顿力学中这个永恒不变的参照物。不论任何物质之间的相对运动，都可彼此之间互为参照，直接进行计算。同时爱因斯坦还提出了光速不变和光的波粒两重性原理。粒子运动是间断的，波，物质运动是连续的，在牛顿经典力学中这两种运动属于完全对立的两种形式，是不可能有同一个物质中存在的。而爱因斯坦发现了光的波粒两重性，即光子运动既有粒子性，又有波动性，不能确定光子只有哪一种运动特性。在这之后，是量子力学的发展。量子力学是研究微观粒子的高速运动的。他们在研究中发现牛顿经典力学完全不适用于微观粒子的高速运动。他们发明了统计理论和概率论。因为在微观领域中的高速运动，无法确定物质粒子的确定位置。只能有一个统计的概率。并将这个发现总结成一个叫做“测不准原理”的理论。即对于微观高速运动的基本粒子，当你准确测量其速度时，空间位置即不能确定。而当你准确测量其空间位置时，其速度又不能确定。（电子云）以上两项发现的重大意义在于彻底否定了近代自然科学的决定论。动摇了人们对经典力学的迷信和崇拜，为自然科学在20世纪的发展和现代化开辟了广阔的前景。
3  系统理论发展的第一个阶段：老三论
20世纪自然科学的第一件大事是相对论和量子论的诞生。20世纪第二件大事是老三论的诞生。这老三论是指系统论、控制论、信息论。这些理论告诉我们，物质世界有简单物质和复杂物质的区别。复杂物质是由许多简单物质组成的。这些简单物质之间，即组成部分之间存在着相互作用，相互作用的产物称为信息。因此信息具有能量，可以与物质相互转化。这些相互作用的综合功能，大于各组成部分的功能的简单相加。这样的复杂物体被称为系统。系统的特点就是总体大部分之和。系统的存在必须保持子系统相互作用的平衡。平衡的调节称为控制。控制以反馈的方式进行。这就是老三论的基本内容。老三论的意义就在于发现了复杂系统的存在这个事实，并发现系统的功能与子系统的功能不同，系统功能大于子系统功能之和，不能简单地用子系统的规律来说明大系统。这就彻底否定了近代自然科学的还原论原理。因为近代自然科学的两个基本原理不能存在，现代自然科学存在的历史也就到此结束，并开始向后现代自然科学转化。
4  系统理论发展的第二个阶段：
经典系统理论是对系统论的静态描述，主要在于起到“发现系统存在”的作用。因此实用意义不大。第二个阶段即进入对系统的运动进行认识。这个阶段主要是对一个系统处在相对稳定时期，量变运动的认识。主要介绍两个理论，一个是“耗散结构理论”，另一个是“混沌论”。
①耗散结构理论
在经典力学中有一个热力学第一定律，即能量守恒定律。指出在一个封闭系统内热与功的转换守恒。按照这个思路，研究人员研究了在孤立系统中热力学的规律。这时发现系统的熵趋于无穷大。这就叫做热力学第二定律，熵是指热的散失。最大熵，就是最大热量散失。也就是说，对于一个孤立系统，一杯热水落石出最终会变成冷水，不能再作功。腐烂的尸体，最终化成腐土。在发现了热力学第二定律后，人们又发现了一个现象，有一些系统，这些系统的熵并不趋向无穷大。系统能保持处在远离平衡点的位置上长时期不改变。比如生命系统。研究发现，这些系统在向环境散发热量的同时，能够从环境中吸收自己需要的物质和能量，补充自己热量的散失，因而可以在开放散热的同时保持熵不增加，研究人员给这样的开放系统称作：“耗散结构”。根据这个道理，物理学家给生命下了这样的定义：生命是一个开放的巨系统，生命是一个以负熵为生的耗散结构。正因为如此，生命才可以保持自己远离热平衡点——死亡。耗散结构揭示出一个开放系统得以存在的条件。
②混沌论
系统论是对系统存在的静态描述，混沌论则是对系统的动态描述。研究发现系统永远处于一种运动状态，这个运动有一个确定的宏观边界，这个边界不是一条线，不是一个数值，而是有一个上限，有一个下限。而且上下限之间范围相当宽广。这样一来就造成一种现象，系统运动，从宏观上总体上来看，运动是稳定的，不会超出上下限的范围。然而在局部，微观处具体研究运动的状态时，系统状态可在上下限范围内任一时空范围内变化，形成一种无法预测、无法计算的“混乱”局面。这种混乱是在全局稳定前提下的局部的混乱。不是真正的完全无条件的混乱。因此科学家选择了“混沌”来命名它。以便与真正的混乱相区别。研究认识到系统这种大范围内摆动，是因系统内部多种子系统之间不断的复杂的多变的相互作用造成的。这种摆动，科学家称为涨落，它使系统具有可变的功能状态，以适应系统所在环境的改变，没有这种适应能力，系统即不能在变化的环境中存在。
5  系统理论发展的第三个阶段：复杂系统理论
混沌论研究的是系统在相对稳定时自身内部的运动状态。然而经典系统论就已经指出，系统是由多个层次的子系统组成。那么低层次的子系统是如何逐渐上升到高层次呢？或一个系统如何转化成本质不同的另一个系统呢？这种层次之间的转化，系统之间的转化问题，就是系统论第三个阶段研究的对象。
研究的结果：只要给系统中某个子系统不断供给充中的物质和能量，这些能量积累力量足够大，超过了系统平衡控制的能力时，那么这个系统的量变会超出原系统的组织框架，在一个新的水平上建立一个新的结构。与此同时，引发量变增长的能量被消耗，新结构在这个新的水平上建立起自己的稳定平衡。这就是我们常说的量变引起质变。
研究的第二个结果是，发现了在质变过程中，当一个子系统作为量变的主体，发生正反馈时，其他周围相关子系统不是静止不变的。而是相应发生各自的正反馈，以协同或制约那个首先发生正反馈量变的子系统。并最终使系统在新的基础上达到一个新的平衡。这就表明，量变由一个子系统正反馈开始，但并不是这一个子系统自己在变化，而是很快系统中所有子系统都以自己特殊的方式参加到变化中来。使系统形成一片“混乱”的局面。但是，正是这一片混乱，正是多个子系统也发生了变化，才使系统得以在新的水平上达成新的平衡而使系统继续存在。否则，如果系统中只有一个系统在变化，其他子系统无变化，那么这个系统将失去平衡而趋于死亡。
研究的第三个成果是发现，在质变发生前地出现一个短的时间，在这段时间里系统的平衡控制明显减弱，子系统获得了充分的自由建立自己的新结构。因此，人们认为，中枢的减弱是有利于质变，有利于新结构的产生，因而也成为人们控制系统，促使系统向新结构改变的重要手段。研究者们认为，在冲破了原系统的控制，又没有建立新的控制之间的这个中间阶段，正是新结构诞生的地方。新结构的诞生过程，往往表现出自缔合、自组织、自适应的复杂性质。这些特性正是我们熟悉的生命系统的特性，因此，研究者认为 ，这个阶段也正是生命诞生的地方。因为这个阶段正处在原结构（原来的混沌状态）已经失控，新结构（新的混沌状态）尚未产生，所以研究者们将这具阶段称为“混沌的边缘”。他们认为一切复杂系统结构，都是诞生于秩序（新混沌）与混沌（旧结构、旧混沌态）的边缘。目前，关于这方面的理论仍处于研究阶段，由于它是这样新，内容又很多，以至于研究者自己还不能找到一个合适的概念来表明这门学科的名称，现在大家约定，暂时用“复杂”来命名。我国学者以钱学森为首，将这门科学称之为开放的复杂巨系统，或复杂的适应性系统。并最终简称为“复杂系统”。

杨鸿智

（二）复杂物质的运动方式——混沌
下面就混沌运动的具体机制作相应介绍：
①多级体制：
我们常说，世界是复杂的，事物是多面的。看来复杂和多数是结缘的。一个和尚挑水喝，两个和尚抬水喝，三个和尚没水喝。三个就复杂了。三个臭皮匠，赛过诸葛亮，这里也是三，不过跟前面那个总体劣化的三不同，这个三是总体优化的三。智慧和力量倍增，放大了。但不管哪一个三，都具有复杂性了。为什么一个是总体劣化，一个是总体优化？这两种体制有什么内在差别和共同规律？这就不是三言两语说得清的，更是一言难尽了！常言道：天时、地利、人和。这又是一个三。缺一个也不行。有无这三个条件，大不一样。有则兴邦，无则灭亡。识时务者为俊杰，不识时务定吃亏，这里道理很深奥，也不是几句话几篇文章都能涵盖的。总之，不论是正是负、是对是错、是好是歹，超过三就复杂化。所以李一约定理“周期3意味着混沌”。混沌都是多极相互作用的体制。无论时间序列或空间排列，两人是“从”，三人是“众”就复杂了。（余长根《浊沌大世界》P322-328）
混沌的定义是“周期3是混沌”，也就是说，在复杂系统中子系统相互作用3个周期后就进入混沌状态。比如，非典病毒进入细胞复制后冲破这个细胞再进入第二个细胞，这叫做一个周期，如此三次，就是周期3，就进入混沌状态了。这时疾病就进入失控状态了。研究病毒学的人可以知道一般病毒一个周期复制是多少时间，这样也就能算出从感染到发病的时间。这就是非典的潜伏期。疾病发生就是进入混沌，潜伏期就是三个周期的时间。
②对初始条件的敏感依赖性
系统的长期行为对初始条件的敏感依赖性是混沌运动的本质特征。这也就是人们当今常说的所谓“蝴蝶效应”。我们中国人常说，“差之毫厘，失之千里”，讲的也是这个道理。在西方，控制论的创立者维纳引用过一首民谣对这种情况作了特别生动的描述：“钉子缺，蹄铁卸；蹄铁卸，战马蹶；战马蹶，骑士绝；骑士绝，战事折；战事折，国家灭。”马蹄铁上缺了根钉子是一件微不足道路的事，但经过逐级放大后，竟然导致了整个国家的灭亡这种灾难性的后果。蝴蝶效应这个形象的比喻把对初始条件的敏感依赖性这一概念讲得活龙活现，惟妙惟肖，入木三分。在牛顿的旗帜下前进的科学家们，事实上还挥动着另外一面旗帜，上面写道：只要近似地知道了一个系统的初始条件和理解了自然定律，就可以计算系统的近似行为。这一假定其实存在于科学的哲学核心里。就像一位理论家喜欢对学生们讲的，“西方科学的基本思想是，当你试图解释地球表面一张台球桌上的运动时，完全不必考虑另一个星系里某个行星上一片树叶的飘落。极小的影响是可以忽略的。事物的行为方式有一种收敛性，任意小的影响是不会放大成为任意大的效果的。”从经典科学的角度讲，近似和收敛的信念是很有根据的，它确曾起过作用。1910年，确定哈雷彗星位置的小误差，只会对预言它1986年的回归产生小小的误差。对于今后几百万年，这一误差也永远是小的。计算机为宇宙导航也遵守同一假定，近似准确的输入导致近似准确的输出。全球天气预报的先驱者们也是这样做的。
众所周知，动力学系统的行为或运动轨道决定于两个因素：一个是系统的运行演化规律，在数学上就是动力学方程；另一个就是系统现在的状态，数学上称为初始条件。一个确定性系统在给定了运动方程之后根据“存在唯一性”定理，轨道唯一地取决于初始条件，通过一个初值，并且只有一条轨道。 这就是系统行为或轨道对初值的依赖性。按照经典力学观点，轨道对初值的依赖性是不敏感的。就是说，从两个相邻近的初值引出的两条轨道始终相互接近，彼此在空间偕游并行。这叫做初值的小改变引起轨道的小偏离。这也是微分学思想的核心，它主导了科学思维达300年之久。可以严格证明，一切线性系统对初值的依赖都是不敏感的。长期以来，人们实际上默认一切确定性系统都是不敏感地依赖于初值的。但是，混沌研究改变了这一观点。处在混沌状态的系统，运动轨道将敏感地依赖于初始条件。从两个邻近的初值出发的两条轨道，在短时间内似乎差距不大，但在足够长的时间以后，必然呈现出显著的差别来。当然这里所说的时间足够长在不同的系统有所不同，彼此的差别可能很大。从长期行为看，初值的小改变在运动过程中不断被放大，导致轨道发生巨大的偏差，以至在相空间中的距离要多远就有多远。这就是系统长期行为对初值的敏感依赖性。
我们还是来看看人们誉为混沌之父的洛伦兹1961年冬天一个具有历史意义的计算机实验吧。那个时代的计算机，用现代的眼光来看，自然是简陋而笨重的。在他计算机的存储器中，每个数保持6位10进制，例如0.506127。输出时为了节约空间，只打印三位：0.506。洛伦兹输入的是这些较短的经过四舍五入的数字，他假定这1/1000的误差不会有什么影响。这是个合理的假定。如果气象卫星能以1/1000的精确度测定洋面的温度，操作人员就会认为运气不错了。洛伦兹把天气简化为一组决定性方程，用计算机进行数值求解。给出一个特定的起点，天气每一次都应当准确地按同一种方式发展。给出一个稍有不同的起点，天气的发展也应稍有不同。比如说，小小的数值不过相当于一阵小风，自然会自行消失或互相抵消，而不致改变任何重要的大范围的天气特点。然而，在洛伦兹的这一特定的方程组中，小误差却引起了灾难性的后果。为了更仔细地观察几乎相同的天气模拟是怎样分道扬镳的，他把一条输出曲线摹绘到透明纸上，然后再覆盖到另一条曲线上，看看它们是怎样分开的。他发现天气变化同上一次的模式迅速偏离，不到几个“月”时间，所有相似之处都已消失无遗。其原因就在于蝴蝶效应，或者说对初始条件的敏感依赖性。（张建树《混沌生物学》P5-9）
在此实验的基础上，洛伦兹用具有三个变量的三个非线性方程，完全确定地描述系统的运动，在计算机上经过一个假定的时间间隔，5步一变，100步一变，1000步一变，时而上升，时而下降。为了从这些数据中得到一个图像，他用三个数字一组作为三维空间中一个确定点的坐标，这样，一连串数字画下了一条连续的运动轨迹。结果呈现出一种无限复杂的图形。它在确定的边界内，但从来不重复自身，像一只蝴蝶展开两只翅膀，成双得螺旋线。它描绘出一种奇怪的特殊的形状，标志着纯粹的无序，但也预示着一种新的科学的有序。这个双重螺旋线图被称为洛伦兹吸引子，并被人们当作混沌学理论的形象标志，甚至为后来许多混沌学著作的封面图画。特别是当1972年洛伦兹理论的第一节的名称永载混沌史册。关于蝴蝶效应一事的由来，洛伦兹在其《混沌的本质》一书中自己写道：这个表述有一段模糊的历史。似乎是继我在1972年华盛顿一个会议上宣读一篇论文之后，它才受到重视的。这篇论文标题是“在巴西的蝴蝶拍打翅膀会引发得克萨斯州的一场龙卷风吗？”……在我的研究中，被称为“奇怪吸引子”的那组特殊状态的简化图形，后来被发现很象蝴蝶，而且很快就被称为蝴蝶。与我交谈过的许多人都认为，是继这种吸引子之后才命名了蝴蝶效应。洛伦兹还指出，其实，象蝴蝶效应这样的提法，在气象学国界一直就有，他说“在我姐姐得知我即将成为一名气象学学生的那个圣诞节，她说送我一本斯图尔特的小说《风暴》。书中一位气象学家回忆起他的老师曾说过，中国人咳嗽一下，或许会让纽约的人去铲雪。其实在气象界多年来一直有类似的谈论。有时是开玩笑，有时则是认真的。”
对于非典来讲，初次感染的病毒的量的多少和毒性的大小就决定了疾病最后病情的严重程度。因为初次感染的病毒的量在经过几次复制后会有极大的差距，这就使病情的严重程度也有了极大的差距。同时，这个原理也告诉我们早期诊断和早期治疗的重要性。特别可贵的是，整个原理可以指导我们在严重症状没有出现之前就能采取必要的治疗措施，只要知道病毒感染已经开始。这就显示了理论对实践的指导意义。我们现在之所以必须到严重症状出现以后才能采取治疗，就是因为不知道疾病最初的小症状和最后的大症状之间的内在联系。
③内随机性
在一定的条件下，如果系统的某个状态既可能出现，也可能不出现，该系统就被认为具有随机性。通常人们习惯把随机性的根源归结为来自系统外部的或某些尚不清楚的原因的干扰作用，认为如果一个确定性系统不受外来干扰，它自身是不会出现随机性的。这称为外随机性。但是，外随机性的观点是经不起分析和实践验证的。对某些看来完全确定的系统进行数学模拟时发现，它们能自发地产生出随机性来。这些“实验”结果是令人惊奇的。在原来完全确定的系统内部竟产生了随机性，我们称它为内随机性。混沌常被称为自发混沌、确定性的随机性等。它所强调的就是混沌现象产生的根源在系统自身，而不在外部的影响。内随机性的另一方面是局部不稳定性。一般来说，产生混沌的系统具有整体稳定性。混沌态与有序态的不同之处在于，它不仅具有整体稳定性，还有局部不稳定性。稳定性是现代科学中一个极重要的概念。耗散结构理论、协同学、突变论等都曾以稳定性分析为基础来讨论旧结构失稳和新结构产生的过程。所谓稳定性就是指系统受到微小扰动后保持原状态的属性或能力。显然，一个系统的存在是以结构与性能相对稳定为前提的。但是，一个系统要进化，要达到一个新的演化状态，又不能将稳定性绝对化。而应在整体稳定的前提下允许局部的不稳定。这些部分不稳或失稳正是进化的基础。在混沌运动中这一点表现得十分明显。（《混沌学导论》吴祥兴，陈忠，P57-58）
混沌系统的动力学方程是确定的，既没有随机外力，也没有随机系数或随机初值，随机性完全是在系统自身演化的动力学过程中由于内在非线性机制作用而自发产生出来的。混沌是确定性系统的内在随机性，一种自发随机性，或动力学随机性。这样就得出以下的非形式化定义：混沌是一种确定性随机性，即确定性系统内在产生的随机性。发现确定性随机性不仅具有重大科学意义，而且具有重大哲学意义。确定性与随机性历来被科学和形而上学哲学视为完全对立的东西，混沌却证明两者是相通的，或者说是矛盾的统一。确定性内在地包含随机性。自称是混沌福音传教士的物理学家福特写道：“因此，虽然与通常的意见相反，但在‘确定性地随机的’这一说法中绝对没有矛盾。确实，可以非常合理地建议，混沌的最一般定义应该写作：混沌意味着确定论的随机。”不论福特是否自觉，他在这里是为了辩证法作辩护，提倡用辩证逻辑定义混沌这个现代科学概念，使两个对立的义项不可分割地包含在同一定义中。在科学上，发现确定性系统能内在地产生出随机不确定性，须用统计方法描述，预示着有可能把确定论和概率论两种对立的描述体系沟通起来。如果能做到这一点，必将带来科学的极大进步。  （苗东升《系统科学精要》P200）

杨鸿智

从以上的摘录中可以知道，混沌的一个重要特点是“确定性随机性”。可以说，这是一个非常专业的名词，一般非数学专业的人很难理解，就象现在，作为一名医学工作人员，读了上面的讲解后，可能还是有许多不理解。我想这里面除了混沌运动本身的复杂性不好理解外，研究混沌运动的这些专业人员所做的表述方法本身也有一定的问题。这就是指，他们所用来说明混沌运动的基本概念与混沌运动本身不匹配。混沌运动，是复杂物质的复杂运动，而我们现在的研究者却用简单物质的简单运动的概念来说明混沌。因此，总是说不清，说不到位。其实，关于混沌运动的这一内在随机性，用简单的哲学语言描述一下，就很容易理解。首先，应该使读者明确，混沌运动是发生在复杂物质身上的一种特殊运动状态，这是简单物质所不具备的，那么，为什么复杂物质会有这种混动运动呢？这是由复杂物质的构造决定的。复杂物质是由多层次，多子系统有机组合而成的立体网络结构，其中每一层次的每一个子系统，都会在任意时间受到其他层次，其他子系统的任意的作用。由于这些子系统的数量的无限性，由于系统存在的时间和空间的无限性形成了系统内部网络结构相互作用产生的。故被称为内随机性，而之所以叫内随机性，是因为与简单物质运动的外随机性相区别而命名的。简单的物质运动也有随机性。比如一个足球，它之所以会飞出，是由于足球运动员踢了它，而足球员何时踢它不由球自身决定，这样，从足球的角度，它的飞出就带有随机性。而当初人们研究这种随机性时，并没有“外”的概念，只是在发现了复杂物质的内在随机性之后，才有“内”“外”的区别。
内在随机性可以解释非典病情严重程度的差别。有些病人病情缓和，传染性也差；有些病人病情重，传染性也强。这是由病毒或炎症介质相互作用的内在随机性决定的，是必然会出现的。
④逐步放大，长程关联——长期行为的不可预见性
科学理论的功能是给对象系统的内在机理作出解释，预测它未来的演化过程。经典科学发现两大类系统，发现了两套描述体系。一类是确定性系统，典型代表是机械运动，发展了确定论的描述体系，即牛顿力学的描述体系。另一类是随机性系统，典型代表是热力学过程，发展了须借助统计概念进行论证的概率论描述体系，即统计力学的描述体系。不论是把统计规律看作一大类客观系统固有的属性，还是看作来自人类知识的不完备，概率方法都是与确定论描述性质完全不同的另一种描述体系。按照确定论描述体系，一个确定性系统的动力学规律是完全确定的，表现为它的数学模型是完全确定论的，系统的每个具体行为轨迹完全由初始条件决定，给定初始条件后，可以精确地预见它的未来。如人造卫星何时进入设计轨道，何时到达近地点，可以相当精确地预测。随机系统则相反，它的未来行为每一步都无法预测，或者说只能作统计意义上的预测。如投掷硬币，只能预测正面朝下的概率为0.5。
混沌是确定性系统的运动体制，但与上述经典科学的基本信念不同，由于内在非线性机制造成对初值的敏感依赖性，混沌系统的长期行为是不可预测的。任何实际系统的初始条件都不可能绝对精确地确定，误差是不可避免的。只要初始条件稍有误差，通过在混沌运动中逐步非线性地放大，积累，当过程进行到足够长以后，系统将走向何方不得而知。在这一点上，它与随机运动是一样的。确定性与可预见性并非一回事。确定性系统的长期行为不可以预见，这是混沌研究带来的重要新认识。但随机系统的短期行为也是不可预测的。投掷硬币的结果每一次都不可预测。混沌是由确定性系统产生的，它的短期行为是可以预测的。这是由随机性与外随机性的又一区别。短期行为可以预测而长期行为不可预测，是混沌运动的另一主要特征。
非线性系统普通存在混沌运动，混沌的长期行为不可预测，这个发现揭露出科学认识中长期存在的一种盲目性，使我们意识到人类的预见能力极其有限。现实世界的系统都是非线性的，控制空间存在混沌区是非线性系统相当普遍的现象。只要系统处于混沌区，我们就无法对它的长期行为作出预测。但混沌运动并非绝对不可预测。确定性非线性系统的混沌区在控制空间的位置是确定的，奇怪吸引子在相同空间的位置也是确定的，从初值开始的运动必定走向吸引子，系统在其上的运动遵循统计规律。这些都是确定性因素。因而使混沌运动又有可预见的一面。从实用角度看，人类对于未来的长期行为并不需要把握它的细节，只要对整体趋势有个大概估计就行了。（苗东升《系统科学精要》P201——202）
所谓混沌运动的长期行为的不可预测性，其中最主要的一个内容就是混沌运动的“逐步放大”的效应。也即“蝴蝶效应”。前面讲了许多不可预测与可预测的辩证关系，说混沌运动宏观是可预测的，微观是不可预测的，这在许多人仍是不好理解的。关键还是一个老问题，即用同一个概念，描述两类不同性质的运动。其实，说简单一点，用经典科学的简单概念，所作的预测，在复杂运动中没有得到实现，原因是在复杂运动中，初始条件被放大了。最后结果大到用经典的简单线性因果关系无法理解。因此，混沌运动的特点除第一个是“初始条件的敏感性”外，第二个就是“逐步放大效应”。而这个放大效应也是初始条件敏感的直接原因。当然，除了“原因”外，我们还应具体研究复杂系统为什么会将最初的原因放大呢？这是因为，复杂物质都有复杂的结构，每一个组成部分，子系统都与其他多个系统有关系，相互作用，并组成无限相互作用的网络。这样，作用于复杂物质中某一个子系统的信息，会在一段时间后，沿着复杂物质内部相互作用的网扩大 、散布。这样，就形成了初始条件扩大的途径、模式。再有，每一个接受作用的子系统它的接受和再发送，也不是简单的镜面式的反射，它都有一个自己的加工过程，这样，随着逐级传播，不但有一个空间的扩大过程，还伴随着质量、内容的充实，扩大过程。举一个简单例子，我们经常会在电视上看到这样一种文艺节目，令一组演员排成一排，由第一个人说一句话传给后面的人，并依次传到最后一个人，然后往往出现很大差距，并由此引发观众大笑不止。或者，由第一人作一个动作，后面的人依次学习，下传，到最后一个人时那动作已经完全不同了。这个表演就充分显示了信息在复杂系统中传播时的放大效应。这个放大效应得以出现，有两个条件：（1）要有许多人传播，人越多，放大越明显；（2）参与传播的每个人都有自己的再加工能力，如果没有这个能力，信息就不会改变、放大。
混沌运动有了初始条件的敏感性和放大效应之后，在此基础上就出现了“长程”关联的特点。这就是指：初始条件，经过一个相当长的传播过程后，得到了一个放大的结果，那么，我们反过来仍就会宏观地认定，这个表面上，用形而上学的经典力学无法理解的后果仍旧是与初始条件有关的。即如果我们现在是站在经典牛顿力学的水平上，我们就会说，这个结果是不可预测的，可是，如果我们站在系统理论，站在混沌论的水平上，我们就会清楚的知道，这个初始条件一定会在一个长程传播之后，得到一个放大的结果。这就象我们在看电视的那个表演之前，我们一定会知道最后一个人听到的那句话一定与第一个人说得那句话不一样。
这样，我们这一节的内容，就是讲混沌运动有如下三个特点：第一，初始条件敏感。第二，信息传播逐渐放大。第三，这两个过程合在一起就表现为长程关联。而所有这些特点，都是实在的，可预测，可操作的，而这些对于经典牛顿力学来讲，却成为“长期行为的不可预测性”。所以，我们要理解，同一个事实，站在不同的理论立场上有两种不同的说法，对于复杂物质的混沌运动，站在后现代系统理论的立场上，正面表述就叫做：初始条件敏感，逐步放大，长程关联，而现代机械论科学的水平就叫做“长期行为的不可预测性”。另外，还有一种人，还有一种立场，即用机械论的语言说明系统论的概念，这种表述方法就是说混沌运动是整体运动可预测，局部运动不可预测。凡是听到这种说法的人都有点“说不清”的体会，而对于某些人来讲“说不清”似乎就是辩证法，其实不是辩证法说不清，而是他们自己没有真正弄清系统理论与机械论的区别，没有弄清复杂物质与简单物质的区别。
现在出现的问题是，我们对于非典病毒的感染和所出现的症状之间找不到直接的联系。病毒和肺部损害之间有什么联系呢？病毒感染免疫细胞怎么会造成肺部损害呢？原来是由于免疫细胞的损害破坏了肠道免疫屏障，使内毒素入血形成肠源性内毒素血症，由此造成肺部损害和后来的多脏器功能衰竭。这就是长程关联的问题。
⑤混沌运动的稳定性
混沌运动的稳定性是指某个混沌运动一旦形成，一般外力作用很难改变这个混沌运动，如无特殊情况，该混动运动将在时间和空间上保留相当长的时间。
混沌运动得以出现的第一个基础条件是要有一个复杂的网络结构，而这个复杂的网络结构中各子系统之间的负反馈作用，使这个网络具有了“自组织”特性。也正是这个自组织特性，使复杂系统具有了与简单系统根本不同的运动方式，这个运动方式就是混沌的运动方式，而在机械论时代，人们尚无混沌运动概念时，就称之为“生命力”来说明无生命的复杂物质。这就是说，混沌运动是有自组织能力的，有生命力的运动，它能通过无限网络的负反馈相互作用动态的维持自己的运动状态。这就表示了混沌运动的稳定性。这种稳定性表现在，任何单一的外力作用不容易终止和改变复杂系统的目前运行的混沌运动。这个道理很简单：（1）一个单一的外力，只能具体作用于复杂系统中的一个子系统，不可能同时作用于其他子系统，因此，未被作用的子系统仍会按原来的运转形式继续运转下去，这是从空间范围说的。（2）从时间角度 ，混沌运动的一个特点是“长程关联”，你作用于空间的一点，即使这一点能发挥作用，那也要在相当长一段时间之后才能显现，那么，在这未显现的作用的长时间中，就表现了混沌运动的稳定性。用简单机械的观点，作用与反作用，应该是即时表现出来的，而在复杂系统，作用与反作用，要有一个时间差，而且不单是一个时间差，其实最后结果往往是与作用力差别很大的放大的作用），这些都是在处理混沌运动果要注意的。
混沌运动的稳定性是一般临床治疗效果不好的原因。正因为这样。所以必须要使用系统调节的方法，如中枢抑制疗法，才能起到治疗效果。

杨鸿智

（三）应激研究的新视点——混沌理论在应激研究中的应用
1．站在混沌理论的新视角对现代医学应激研究的反思。
通过混沌理论的学习，我们总的收获是知道世界上的物质有简单与复杂二类，对于简单的物质来讲，对它的作用来自于物质的外部，这个作用会立即在简单物的相应变化中得到一个结果，这个因果关系是快速而直接的同时，这个关系也是用一些简单的物理、化学、数学规律就可理解的、可预测的。用专业术语讲是“线性”的。而对于复杂物质来讲，一个外力作用一个复杂物质，其实，从空间角度讲，它不是作用于复杂物质的整体，而只是作用于复杂物质的一个组成部分，一个子系统，这个作用，在复杂物质中通过子系统相互作用的网络，经过一段时间后，才会在整体上作出反应。这个反应，与简单物在受到外力时的反应不同，首先，反应的时间、速度不同。简单物质是立即作出反应，而复杂物质是“长程关联”，是经过一段时间以后才反应。第二，反应的内容不同，这个反应中包含的内容有两部分，一部分能看出来与外力的作用有关，而另一部分则是复杂物质内部子系统相互作用的产物，而这一部分，在简单物质与外力的相互作用关系中是没有的。所以，处理复杂物质与外力相互作用的关系时，要注意两点：（1）作用与反应之间有时间差。（2）作用与反应之间，实质内容上不协调、不匹配、不相关。
有了这些认识，我们就会明白，现代医学对应激的研究，是如何陷入了“简单物质”的机械论模式之中，现代医学的应激研究，首先是将生命体看作简单物质，其实这样说也不确切，因为当时现代医学还不知道简单物质与复杂物质的区别，他们只有一种关于简单物质的科学知识，所以，可以说成，现代医学是用简单科学来研究复杂的生命体。
    2．混沌理论在应激研究中的应用
这里所讲的，也就是说怎样用混沌理论来理解应激反应。
是应认识到，应激原作用于机体，必定要作用于机体的某一具体系统、具体器官，这个系统和器官只是复杂有机体整体的一部分，这个具体受到作用的系统和器官一定会立即有一个反应，而我们应该知道这个反应，表现只是这个系统和器官的反应，还不是机体整体的反应，更不是机体整体的最后的反应。
②在应激原与受作用系统器官相互作用之后，也即在受损系统器官作出最初的反应之后，机体内会发生一系列各系统、器官的相互作用，这些相互作用的具体内容，应该是应激研究的重点对象。
③应激的后果，不是哪一个系统器官的具体病变，应该是机体整体的病变。而这个整体病变必将在多个系统器官的功能改变中有所表现。因此，在评价应激反应的最终后果时，绝不能忽视某一具体器官的病变，也不能忽视机体的整体病变。
④关于应激疾病的治疗，现代医学根据机械论的线性逻辑，采取的治疗方针是直接针对受损器官的对症治疗。因为这些治疗没有考虑到机体内复杂网络的相互作用因素，没有考虑到混沌运动的长期相关机制，所以这些治疗往往效果不佳，而采用混沌理论指导后，治疗的重点不应放在最后受损器官的对症治疗方面，而是应放在机体内相互作用网络的调整方面。
⑤小结，由上可知，对于混沌的研究和治疗，都应放在机体内部各系统、器官、组织相互作用的网络上。疾病发生在这个网络上，治疗也必须调整或重建这个网络。
目前，因为临床医生的指导思想还是机械论的线性因果关系，大家只能理解与非典病毒直接有关的治疗措施，如抗非典的疫苗、抗非典病毒的药品，以及与临床症状直接有关的治疗措施，如给氧、抗菌等。现在我们向大家提供一个新的理论，说生命是一个复杂系统，她所出现的问题都是系统问题，必须用系统调节的方法解决。这对许多医生是一个新生事物，但是只有学习了这个新生事物医学技术才可能有本质的进步。
（四）重建机体系统平衡的方法：延迟反馈控制法（混沌边缘疗法、中枢抑制疗法）
生命是一个混沌状态。混沌控制的目的不是消除混沌，而是消除绝对的无序随机振荡和完全规律的振荡，恢复系统原来的混沌状态。目前，数学和物理学中研究试用着许多方法，我们这里只介绍一种在生命系统中可以应用的方法：延迟反馈控制法。首先是有人提出了一种“外力——反馈控制法”，这是一种混沌的连续控制方法，其基本思想是，考虑混沌系统的输出信号之间的反馈耦合，实现对混沌系统的周期信号的连续控制。这个方法的关键技术是必须设计一个特殊的外部周期信号发生器，以产生所需要的各种正比信号。原则上要能产生无穷多的周期信号，因为混沌中包含着无穷多的周期轨道。从中提取所有的周期信号不是那么容易的事。这种方法技术要求很高，首先就在于很难搞清系统原来的混沌信号的全部内容。因此，有人提出一种折中的方法，既把系统中本身输出的信号取出一部分，经过延迟再反馈到系统中去，以代替外部信号的输入。这就叫做“迟反馈控制法”。在人体正常情况下，各子系统是按各级中枢给予的信号做相应的混沌振荡的。疾病中这一振荡失效。现在的事情是首先停止对子系统的信号输出，让子系统处于无信号失控状态。这时子系统在外来物质和能量支持下（负熵疗法），迅速达到混沌边缘，并经过子系统之间的相互作用，建立了一个新的 平衡结构。从中枢抑制到新结构的建立，这需要一段时间，这段时间就是属于“延迟”的那段时间。待新结构建立之后，再让中枢的正常信号与子系统接通，这时子系统有可能在机体原中枢控制信号的诱导下，接受原控制信号。如果一次接不通，就再来一次，直到接通为止。这样，机体就最后恢复了正常的平衡控制，疾病治疗即告结束。这种方法实际上在现实生活中是经常使用的，比如汽车发动时踩油门，一次踩不着，停一下再踩；开电灯，一次不着，再开一次。在混沌边缘疗法中，延迟反馈控制法的实施是自然进行的。中枢抑制药物使中枢信号停止发送，经过几个小时的睡眠（延迟）后，机体开始清醒过来。机体清醒的时候，也就是大脑中枢向全身发出控制信号的时候。这些信号还是原来正常的信号，如果各系统器官能接受这些信号，机体就恢复到原来正常时的平衡控制了。这个治疗过程的巧妙就在于延迟反馈是在机体由睡眠转向清醒时自然进行的。
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南京陈斌

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