[转帖]运用现代科学成就推动人体科学研究

东方医学

运用现代科学成就推动人体科学研究

                                           陈信 龙升照
    人体科学是研究人体功能如何保护人体功能，进一步发展、人体潜在功能，发挥人的潜力的一门学问[2， 3]人体科学的蓬勃发展，不仅能使传统的各类医学研究大为改观，且能极大提高有人参与的各种人-机-环境系统的工作效率[4]，因此，人体科学应是现代科学发展的一个极为关键和重要的领域。值得注意的是，迄今为止，人们利用自身的聪明才智，推动了科学和技术的突飞猛进，并创造了无数人间奇迹， 然而， 人们对自身的了解和研究却十分肤浅。虽然目前对生命现象的探索和理解已逐步深入到分子水平，并取得了巨大进步，但与其它学科相比，仅处于初级阶段。就此而论，人体科学是现代科学发展的落后领域但却又是
最有生命力的一门学科。钱学森同志曾多次强调指出，我们一定要用现代科学技术的精华，推动人体科学的研究与发展。本文就此内容，作些初步探讨。
                         一、人体科学的研究对象
    众所局知，人体是一个高度复杂的有机体，无论是结构，还是功能，都非常复杂，非常精细、非常协调。它的状态变量或了系统数目已不是几十个、几百个，而是成千上万，甚至更多，形成一个十分庞大的巨系统。人体科学研究的对象就是人体巨系统。
    以往，对人体结构和功能的研究，多半是从微观角度，用还原观的方法论来研究人体，并取得了许多重要成果，这当然是重要的，它对研究整体的人体科学十分有用，但用系统观来研究人的整体性能却做得很少。控制论出现后，人们主要是凭借如下观点对人体进行宏观研究，对一个特定系统而言，结构上还不十分
明确的部分，从机能上可探求与其功能无矛盾的结构或支持的原理。人们可根据系统的输入、输出功能反推其内部结构，也即与功能没有矛盾的结构。到目前为止，研究人体这个巨系统，研究生物系统，基与控制论的理论依据就是如此。人们常把这称为黑籍理论或灰箱理论。有关这个方面的工作， 1981年笔者曾在《医
学大百科全书》 上写过一个条目； 《控制论在生理学中的应用》。 该文把从50年代开始， 直至8o 年代初期的发展情况作了简述。 并探讨了控制论在生理学研究中的应用问题， 当然还很初步。目前这方面又有很大进展，并受到人们的普遍注意。但在当时， 就连这种初步应用也有人接受不了。 今后在这方面还应进行深入研究。微观的情况了解得愈多，系统的，宏观的内容就愈丰富。但是，对人体科学研究来说，只局限于从微观的角度，还原观的方法论来研究人体，远远满足不了要求哦，对人体这个整体，它作为一个巨系统，必须宏观、全面 、完整地用系统观的方法论加以研究。目前这方面还研究得非常不够，也可以说是一个空白。因此，人体科学研究必须针对人体巨系统的特点，探索一条新的研究途径。
    人体巨系统购特点，大致可概括为四个方面； 首先，人体的生理机能具有高度的相对恒定性，如血压恒定、血糖恒定，这是通过一套复杂的生理机构实现的。花工程上，这就是多层次、多子系统的协调控制，工程实现比较困难，有的甚至不可能。因此，这往往引起工程人员对人体生理机构的极大兴趣，有不少工程技术工作者愿意和医学工作者密切合作，这有利于探索新的控制理论。第二，人体的运动非常协调，具有非常精细的协调机构。第三，人体具有高级的信息处理机构。入体各种机能都受中枢神经控制，中枢部位具有许多处理信息的高级机能。以视觉系统为例，从眼睛看见一个图形开始，直至完成识别功能，其中包括许多其他高级机能，如学习机能、联想机能。只有具备这些高级信息处理机能，人才能认识一件东西。单就这种图象识别，工程实现就非常困难。第四，人体的上述特点，又受外界众多因素的影响。所以，人体巨系统涉及的内外因素非常多，是一个典型的多变量、多输入和多输出系统。
    面临如此复杂的人体巨系统，人体科学研究需要解决的问题，无疑将是多方面的。
                         二、人体科学研究的基本任务
    如上所述，人体科学的研究对象是人体巨系统。当一个系统达到巨系统时，系统性就能出现飞跃，并发生质的变化，功能态就是该系统的最显著特点。对人体这个巨系统，同样也存在功能态问题。因此，人体科学的研究，主要是对人体巨系统的各种功能态进行研究，要阐明其机理。不仅要研究人体功能态本身，面
且要对不同功能态进行比较，并研究其相互转换过程，以全面理解人体系统的生理、心理本质，从而揭开人类生命现象的奥秘。
    根据上述观点，我们认为，可将人体科学研究的基本任务具体化为四个万面：第一，确定人体可能出观的各种功能态；第二，寻求描述人体功能态的特征参量；第三，探索改变人体功能态的控制变量，第四，确定各种人体功能态相应产生的物理及生物效应。唯有从这四个方面人手，才能全面面深刻地理解和揭示
人的生理、心理现象。
    1，确定人体可能出现的各种功能态
    前已指出，人体是一个高度复杂的巨系统。近些年来，巨系统理论(或称系统学) 已经证实，每个复杂的巨系统都有多个相对稳定的功能态。巨系统的每个自由度在系统购相空间里都占有一个座标，在这成千上万个自由度的多元相空间中，系统有相对稳定的点或环，系统可以“停留”在点或环附近形成系统的功能态。任何一个复杂巨系统往往有多个相对稳定的点或环并可通过一定外因的作用(或控制)， 从一个点或环 (即一种功能态） 进入另一点或环(即另一种功能态)。目前对人体功能态的研究还非常粗浅。钱学森教授曾对人体定义了六个功能态：醒觉功能态、睡眠功能态、警觉功能态、催眠功能态、危机功能态和气功功能态等。只要紧紧抓住人体可能存在的几种基本功能态，并研究这些功能态的转化条件和特点，我们就能揭示人体巨系统的全面情况。
    2，寻求描述人体功能态的特征参量
    当然，由于人体巨系统的高度复杂性，用来描述人体功能态的特征参量也应是多方面的。可供选择的特征参量，既可以是人体的生理指标(如脑电图、脑磁图、肌电图、心电图等＞，也可以是生化指标(如人体内各种化学物质的含量＞，有时甚至也可采用一些心理指标。当然，随着科学技术和生理测试方法的不断进展，用来描述人体功能态的特征参量将会日益增多。所以，我们应该努力寻求各种能够描述人体功能态的方法和指标。但是，在选取这些指标时，应该注意的是，并非指标愈多愈好、愈全愈好，而是要用数学方法加以提炼，使所远指标能代表功能态的特点，并尽量使它们代表性强、数量少。因此如何选取合适的特征参量，将是人体科学研究的重要内容。
    3．探索改变人体功能态的控制变量
    为了改变人体巨系统的功能态，应该对人体输入一定的信息。这种信息我们称为控制变量。现代医学认为，人体功能态的调节和控制是通过神经和体液两种渠道进行的。我们认为，其他途径是否存在，也应进行深入研究。例如，气功功能态、特异功能态的调节控制渠道是否存在新的机构，很值得探索。当然，随着
科学技术的进步，改变人体功能态的手段也将日益增多，但是，如何针对某种特定功能态来选择合适控制变量，也即选准输人“窗口”，以改变人体功能态，这是人体科学研究的精髓。
    4；确定各种人体功能态相应产生的物理及生物效应
    当人体处于某个特定功能态时，一定会产生相应的物理效应
和生物效应，并伴随一定的物质属性。因此，人体科学研究，就必须解决物一 、生物效应及其物质属性的测试问题，并努力探索其用途。这是一个困难的课题。例如，气功师在气功功能态发放的外气，究竟是什么东西7是电，是滋，是光，是微波，是红外，还是一种混合体：这些信息又是怎么载送的?这些问题的解决，确实很有意义。它对揭示人体功能态的机制，能提供极为宝贵的信息。
    为了完成人体科学研究提出的上述四个任务，我们应该努力探索最先进的研究方法
                       三、人体科学研究的主要方法
通常，对任何一个巨系统(参见图1）在不考虑噪声的情况下，可用状态方程描述如下：
图l一般巨系统与人体巨系统示意图
式中x(t）u（t）)分别为系统状态变量，控制变量和输出变量，A B和C分别为系统的参数矩阵、输入矩阵和输出矩阵。
    对人体巨系统而言，其作用原理与一般巨系统并无多大差异(比较图la和b）。但是，钱学森同志曾强调指出，从控制理论角度研究巨系统，与从人体科学角度研究巨系统，存在较大差异，达主要有两点：
    第一，研究目的不同。从控制理论角度研究巨系统，它所关心的是该系统用输入变量能否有效地控制或获取输出变量，这就是控制理论意义下的巨系统的可控性和可观性。为了实现巨系统的可控性和可观性，首先必须研究巨系统的稳定性。所谓稳定性，不仅指系统在输入变量作用下的可达性，而且还指系统具有抗干扰能力。因此，从控制理论角度研究巨系统，实质上是解决如何实现和保持某个稳定状态问题。但是，从人体科学角度研究巨系统，其视野更为广阔。它所关心的不仅是某个稳定状态，更关心的是如何从现有稳定状态经过不稳定状态，再进入一个新的稳定状态，也即实现人体功能态的转换。因此，它的研究兴趣是，稳态一 非稳态一 新的稳态。
    第二，研究途径不同。从控制理论角度研究巨系统，通常是对特定的系统参数(也即式(l)的矩阵A为常数）研究巨系统的信息输入和信息输出之间的关系，故只涉及两维信息问题。但是，从人体科学角度研究巨系统，在某种因素作用下，不仍研究通过控制变量改变系统输出，而且还研究通过人体内部的参数变化(也即矩阵A的蛮化＞来改变系统输出。因此，它是一种三维信息关系的研究。
    由上不难看出，控制理论进行的巨系统研究，实质上是一种“广义的静态研究”而人体科学进行的巨系统研究，却是“广义的动态研究”。一般认为，巨系统理论是继第一代“经典控制理论”，第二代“现代控制理论”之后发展起来的第三代控制理论，它的许多理论成果(如系统购可控性、可观性和稳定性等)对人体科学的巨系统研究有重大推动作用。但是，人体科学的巨系统研究，又应形成自己独特的研究风格，并建立相应的理论体系。为此，我们必须从两个方面进行不懈努力：第一，以现代科学理论为指导，建立人体科学的基础理论，第二，以当代先进技术为手段，建立人体科学研究的实验技术。
    1。以现代科学理论为指导建立人体科学的基础理论
    迄今为止，众多的现代科学理论，为人体科学研究提供了广阔思路，其中最有代表性的有以下几个：
    ①协合学。它对人体科学研究的最大贡献在于从研究战略上提供了总体观点。前已指出，人体是一个特别复杂的巨系统，其状态变量数目有成千上万。若用常规方法，想从每个子系统的状态直接导出巨系统状态是十分困难的，这好似想用每个分子的状态来描述某一容积内气体运动的状态一样，既繁琐又不现实。那
么，又能否象气体力学那样，只从宏观角度描述气体运动，而不管其内部分子运动的具体细节呢7这也不完全合适，因为人体各个子系统(无论是细胞水平或分子水平)具有高度的组织性，必须掌握每个子系统的运动规律，才能把握人体巨系统的宏观特征，矛盾如何解决?协合学提供了一个崭新思路。协合学认为[5，6]，自然界中的任何巨系统都由许多子系统构成，且这些子系统以很有规律的方式进行合作。正是这种合作，导致了宏观空间或时间上非常确定的过程或状态。而且，当某些外部参量改变时，其宏观结构或功能可发生引人注目的改变。同时认为，全系统的性能可用一个或几个序参量描述，也即可用少数九个自由度代替巨系统的众多自由度。这“少数几个自由度”，正是人体科学所关心的描述功能态的特征参量。因此，协合学在人体科学研究中的价值是可想而知的。
    [2]突变理论。它在人体科学研究中的作用主要是提供建立模型的数学手段。突变理论的实质在于[7 ，8， 9].它试图用形象而准确的数学模型描述客观事物的发展规律，并从广义上回答了为什么有的事物不变、 有的渐变、 有的突变这样一些带普通性的问题，体现了数学方法从描述连续运动到描述突变运动的发展。这
种发展， 正好符合人体科学研究要解决的各种功能态的转换问题。因此，突变理论在人体科学研究中的应用，将为揭开人体现象的奥秘做出贡献。
    ③稳定性理论。它能为人体科学研究中功能态的划分提供客观依据。这是因为，人体巨系统研究的接心，是要着重解决如何从某一稳定状态出发，经过不稳定状态再进入一个新的稳定状态的问题。该问题的解决，必须借助于稳定性理论来研究某个状态的稳定与否，并为判别人体功能态是否发生了变化提供一条原则
在外因作用下，如果人体功能态在变化中经历的中间过渡状态是不稳定的则目前确定的功能态就是一种新的功能态；如果中间过渡状态是稳定的，则目前确立的功能态就不是新的功能态。因此，利用稳定性理论的稳定性判据，就可避免人们在定义功能态时的混乱和任意性。
    （4）近期发展起来的几个理论，如微分动力学、奇异吸引学、重整化群等，也都可以作为人体科学研究的借鉴。“微分动力学”的研究对象也是巨系统它的研究体系基本上与系统理论的研究体系相吻合。“奇异吸引子”的研究对象是非线性系统它指出，当某种参数发生变化时.可以出现一种所谓混浊现象(也即变得杂乱和无规则)f数学家们为此取丁一个怪名，叫“奇异吸引子”，空是研究复杂系统中可能出现的奇异现象。重整化群”理论起源于量子场论。通常对一个复杂系统，要研究它的统计性质，从数学上是不容易的，如何处理T这就可以借鉴“重整化群”理论。
    （5）充分理解和利用现代医学和生物学的新成就，开展新的整中性人体科学研究。
    （6）中医、气功和人体特异功能的理论与实践，是开展人体科学研究的钥匙[3]，中医理论的最精华之处在于，它用整体现、系统观来观察和阐述人体现象；不足之处是尚未客观化规范化和定量化，经验的东西比较多。但是如果把医学理论与现代的西方医学结合起来，就能极大推动人体科学研究的发展当然，这种中西
医结合并不是做简单的加法，而是要对中医理论和西方医学进行去粗取精，去伪存真的“扬弃”，在更高的一个层次上结合，匣人体科学研究既见树木，又见森林，从而揭示人体现象的各种奥秘 。
    总之，只要把人体科学研究与当代科学的最前沿联系起来，就有可能尽早建立人体科学的基础理论，指导和推动人体科学研究的蓬勃发展。
    2，以当代先进技术为手段建立人体科学研究的实验技术
    当代科学技术的蓬勃发展，为人体科学研究提供了各种技术手段，其中最主要的是信息技术和系统辨识技术。钱学森同志曾把这两种技术称为人体科学研究的两个法宝。
    ①信息技术。要了解人体的实际状态，就必须采用信息技术。一般认为，材料、能量和信息是当代科学技术赖以生存的三大支柱。对人体科学研究来说，一点也不例外。前已指出，人体科学涉及控制信息、参数          信息和输出信息等三维信息问题，故信息技术的应用就特别重要。
    通常，信息技术包括信息测量、信息贮存、信息提取、信息传输和信息显示等内容，其中最重要的是信息测量相信息提取两个环节，这在人体科学研究中显得更为突出。
    为了解决人体各种信息的测量问题，首先应研制必要的测量仪器，而且还必须以无损伤测量为主。这是因为；人体科学的实验对象是人。用人做实验与用动物大不一样，要尽量避免或减轻被试者的损伤和痛苦。一切生理参数的测量都应力求做到这一点。当然．曰前的生化测量(如血液化验)还存在一定困难，今后应努力解决。
    信息提取问题，是人体科学研究面临的另一太难题。人体巨系统不但结构复杂，且参数众多。如果测量了很多数据，不能用正确的方法从中提取有用信息， 有时会误入歧途。我们要研究和提取有关人体状态的各种精确信息。例如，式(l）中的矩陈A是关予人体巨系统的参数信息，矩阵五是关于输入“窗口”的信息，矩阵C是关于输出“窗口”的信息，只有精确掌握这三种信息，才能揭示人体现象的活动规律。
    ②系统辨识技术。它为人体科学研究的综合数据分析提供手段。所谓系统辨识，是以输入、输出为基础，从一类可能的系统中确定某一系统，它与披测系统是等价的。按照这种定义，可以规定一类系统，它的元素称为模型，被测系统称为被测过程，模型和过程的等价是按给定判据来评定。显然，系统辨识技术非常
符合人体科学关于功能态变化研究的需要，只要在选定控制变量条件下通过人体实验获得相匝数据，就能对功能态模型(包括人体巨系统的结构和参数)加以确定，并使模型输出与人的实际行为等价，从而展现人体各种功能态的概貌。
    可以深信，在科学技术迅猛发展的今天，只要用辩证唯物主义的、系统观与还原观相结合的哲学思想为指导，并以系统科学思想为依据，我们就一定能在人体科学研究领域内有所发现，有所发明，有所创造，有所前进。我们现在所处的时机非常好。人们也许不会忘记，一般系统论是出自一位从事理论生物学研究的
科学家冯·贝塔朗费之手，时至今日，当系统科学已比当年的一般系统论大大发展并日趋完善之际，它对人体科学研究的推动，必将带来新的认识上的飞跃。所以，充分运用现代科学技术的辉煌成就，定能揭示人体巨系统的发展变化规律，从而促进人体科学研究的蓬勃发展。
〔1] 钱学森．《哲学研究》l，(1979） 1。
〔2] 钱学森，《自然杂志》． 4， 1〔l981) 1。
[3] 钱学森．《自然杂志》 4.7(1981）483。
〔4) 陈信、龙升照《论文汇编(三)》航天医学工程研究所〔1981l)1。
[5) H 哈肯． 《自然杂志》1 4(1978)323。
[6) H．哈肯；《协同学导论》西北工业大学科研处(1981)
〔7) Postom T， CofoefrW 7rA— od rfo JMroffon( 19r的。
[8〕 Sanders P T． Jn JnfroducfioK fo CotacfropAe TAeory〔1980)．
[9〕 金观涛等．《自然辩证接通迅》， 4(l98O) l8。
[10] 钱学森、宋健 〈〈工程控制论〔新版)〉〉．科学出版社。
[ll] 涂序彦 〈〈自动化〉〉． 1( 1977)。
[12)  Von Bertalanffy L.,General System Theory,〔1968)
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