推選答案隨著人們對客觀事物認(rèn)識的不斷加深，已經(jīng)不再滿足于停留在易解問題的領(lǐng)地，這其中在生命科學(xué)領(lǐng)域的復(fù)雜性研究又受到了許多跨學(xué)科學(xué)者的關(guān)注。筆者綜述了復(fù)雜性的概念、生命科學(xué)中的復(fù)雜性極其復(fù)雜性研究。
關(guān)鍵詞 生命科學(xué)；復(fù)雜性科學(xué)；生物復(fù)雜性
復(fù)雜性科學(xué)的概念誕生至今已經(jīng)20多年，這期間有大批學(xué)者從不同的領(lǐng)域入手展開了卓有成效的探索。人們希望更全面深入地從客觀世界事物的整體與部分以及層次關(guān)聯(lián)在時空演化的全程描述角度來研究支配客觀事物運行的基本規(guī)律，建立起新世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的理論基礎(chǔ)，以指導(dǎo)新的發(fā)展實踐。
這其中在生命科學(xué)領(lǐng)域的復(fù)雜性研究又受到了許多跨學(xué)科學(xué)者的關(guān)注，也有人將其稱之為生物復(fù)雜性（biocomplexicity）研究，生物復(fù)雜性科學(xué)主要探索在一些傳統(tǒng)學(xué)科間交叉的問題。準(zhǔn)確地說，是尋求以定量和整合的途徑來深入了解各種生命系統(tǒng)之間復(fù)雜的相互作用，其中既包括生物的、行為的、化學(xué)的和物理的相互作用，也包括生態(tài)的、環(huán)境的和社會的綜合作用等［1］。
1 復(fù)雜性科學(xué)研究的概念和范疇
復(fù)雜性的定義是相對于簡單性而言的，簡單性一向是現(xiàn)代自然科學(xué)、特別是物理學(xué)的一條指導(dǎo)原則。許多科學(xué)家相信自然界的基本規(guī)律是簡單的。還原論的基本思想也就是找出復(fù)雜現(xiàn)象或事物背后的簡單機(jī)制。事實上一些復(fù)雜的事物或現(xiàn)象，其背后確實存在簡單的規(guī)律或過程。
關(guān)于復(fù)雜性的概念并沒有一個統(tǒng)一的說法，而是根據(jù)研究的對象有不同提法，比如，從熵的角度：復(fù)雜性等于熱力學(xué)測定的一個系熵和無序；信息的角度：復(fù)雜性等于一個系統(tǒng)使一個觀測者“驚奇的能力”；分形尺寸：一個系統(tǒng)的“模糊狀況”，即在越來越小的尺寸上顯示的詳細(xì)程度；有效的復(fù)雜性：一個系統(tǒng)顯示“規(guī)律性”而不是隨機(jī)性的程度；體系復(fù)雜性：由一個體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的不同層次所顯示的多樣性；語法的復(fù)雜性：描述一個系統(tǒng)所需要的語言的普遍性程度；熱力學(xué)深度：將一個系統(tǒng)從頭組織在一起所要的熱力學(xué)資源的數(shù)量；時間計算上的復(fù)雜性：一部計算機(jī)描述一個系統(tǒng)或解決一個問題所需要的時間；空間計算上的復(fù)雜性：一部計算機(jī)描述一個系統(tǒng)或解決一個問題所需要的存儲量［2］；等等。
從20世紀(jì)30年代系統(tǒng)科學(xué)開始興起，人們逐漸認(rèn)識到系統(tǒng)大于其組成部分之和，系統(tǒng)具有層次結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)處于不斷地發(fā)展變化之中，系統(tǒng)經(jīng)常與其環(huán)境（外界）有物質(zhì)、能量和信息的交換，系統(tǒng)在遠(yuǎn)離平衡的狀態(tài)下也可以穩(wěn)定（自組織），確定性的系統(tǒng)有其內(nèi)在的隨機(jī)性（混沌），而隨機(jī)性的系統(tǒng)卻又有其內(nèi)在的確定性（突現(xiàn)）。
復(fù)雜性科學(xué)往往研究的是復(fù)雜性系統(tǒng)，復(fù)雜系統(tǒng)主要有以下表現(xiàn)：（1）系統(tǒng)各單元之間的聯(lián)系廣泛而緊密，構(gòu)成一個網(wǎng)絡(luò)。因此每一單元的變化都會受到其他單元變化的影響，并會引起其他單元的變化。（2）系統(tǒng)具有多層次、多功能的結(jié)構(gòu)，每一層次均成為構(gòu)筑其上一層次的單元，同時也有助于系統(tǒng)的某一功能的實現(xiàn)。（3）系統(tǒng)在發(fā)展過程中能夠不斷地學(xué)習(xí)并對其層次結(jié)構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行重組及完善。（4）系統(tǒng)是開放的，它與環(huán)境有密切的聯(lián)系，能與環(huán)境相互作用，并能不斷向更好地適應(yīng)環(huán)境的方向發(fā)展變化。（5）系統(tǒng)是動態(tài)的，它不斷處于發(fā)展變化之中，而且系統(tǒng)本多對未來的發(fā)展變化有一定的預(yù)測能力。
一般來說，復(fù)雜性研究的基本方法是：（1）定性判斷與定量計算相結(jié)合。（2）微觀分析與宏觀綜合相結(jié)合。（3）還原論與整體論相結(jié)合。（4）科學(xué)推理與哲學(xué)思辨相結(jié)合。
復(fù)雜科學(xué)研究中所用的理論工具：（1）非線性科學(xué)——非線性動力系統(tǒng)理論（穩(wěn)定性和分叉理論、混沌、孤子）和統(tǒng)計力學(xué)（分形、標(biāo)度），及非平衡系統(tǒng)中的復(fù)雜和隨機(jī)現(xiàn)象的研究；（2）計算機(jī)模擬——它是十分重要的手段，目前已廣泛用于復(fù)雜科學(xué)的研究中；（3）計算智能；（4）數(shù)理邏輯；（5）在不確定條件下的決策技術(shù)；（6）綜合集成技術(shù)；（7）整體優(yōu)化技術(shù)等。
2 生命科學(xué)與復(fù)雜性研究
生命科學(xué)的研究對象都是復(fù)雜系統(tǒng)，（具有關(guān)聯(lián)性、多樣性、自學(xué)習(xí)、自組織、開放、動態(tài)的特點），生命科學(xué)研究的系統(tǒng)正因為其復(fù)雜性，對其構(gòu)成的原因和演化的歷程，此前均缺乏了解，也因此吸引了復(fù)雜性科學(xué)研究者的高度重視。近幾十年來，對生物系統(tǒng)所具有的整體性、關(guān)聯(lián)性、網(wǎng)絡(luò)層次性、統(tǒng)計漲落性、內(nèi)在和外在的隨機(jī)性、模糊性、開放性和歷史性等這一類復(fù)雜系統(tǒng)的典型特征進(jìn)行了探討。生物體本身的特點以及生物的進(jìn)化使得人們的思維方式從單純的物理學(xué)簡單系統(tǒng)的研究轉(zhuǎn)變?yōu)閷ι飳W(xué)的復(fù)雜系統(tǒng)的研究［3］。
基因是生命遺傳的基本密碼，生物體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能不僅僅是由基因決定的，也是由基因組中大量的非編碼信息和非編碼基因決定的。因此生物體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能不僅僅是由基因決定的，也不僅僅是由基因組中大量的非編碼信息決定的，而是由這些元素在生物體各個層次上復(fù)雜、動態(tài)的相互作用決定的。
作為生命系統(tǒng)的指揮和協(xié)調(diào)中心—神經(jīng)系統(tǒng)，其中樞功能結(jié)構(gòu)為大腦，近十年來腦功能的科學(xué)研究是復(fù)雜科學(xué)領(lǐng)域中的一個熱點。大腦有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，它的組織層次按空間尺度有：分子、膜、突觸、神經(jīng)元、核團(tuán)、回路、網(wǎng)絡(luò)、層、投射、系統(tǒng)。大腦表現(xiàn)出的某些高級功能是不能在較低的層次上觀察到的，其中有些是由各個單元之間的相互作用而涌現(xiàn)出的集體行為。人們的思維規(guī)律是不斷變化的，但是最低層次的規(guī)律是不變的。腦功能的復(fù)雜性首先體現(xiàn)在各神經(jīng)子系統(tǒng)自身的高度非線性、不穩(wěn)定性和適應(yīng)性；其次體現(xiàn)在它們之間相互連接的非均勻性及大規(guī)模并行等特點。不僅如此，即使在非常簡單的神經(jīng)系統(tǒng)中也存在著令人驚異的復(fù)雜性，這反映在它們的功能、演化歷史、結(jié)構(gòu)和編碼方式。比如，單個神經(jīng)元放電的時間序列包含復(fù)雜多樣的時間模式，反映了神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)的復(fù)雜的動力學(xué)過程［4］。腦電信號是中樞神經(jīng)系統(tǒng)自發(fā)產(chǎn)生的生物電活動，它包含了豐富的神經(jīng)系統(tǒng)狀態(tài)和變化的信息，因而在臨床和神經(jīng)電生理研究中得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在人們對EEG建立動力學(xué)模型，并研究其中的混沌現(xiàn)象，顯示動力學(xué)模型方法對于研究大腦正常生理和病理狀態(tài)具有的意義［5］。
近年來控制領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)和發(fā)展了腦控系統(tǒng)，即基于腦電信號的人機(jī)融合控制系統(tǒng)，直接以腦電信號為基礎(chǔ)，通過腦機(jī)接口來實現(xiàn)控制?！澳X控”研究涉及神經(jīng)科學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、控制科學(xué)和心理學(xué)等多學(xué)科交叉。相關(guān)研究已經(jīng)開發(fā)出了利用大腦的思維、通過電子接口來控制各種設(shè)施的運動狀態(tài)，并取得預(yù)期效果的“腦控技術(shù)”，這項技術(shù)在醫(yī)療等多個方面具有重要的應(yīng)用價值。
人工生命（Artificial Life）是近10年發(fā)展起來的一個新方向，是以進(jìn)化為主要特征的復(fù)雜性研究。人工生命致力于研究生命形式（并不局限于某種特定的載體）的普遍特征。地球上的生命被看成是一種具有特定載體—蛋白質(zhì)—的特定生命形式，地球上的生命進(jìn)化也僅僅代表一種特定的進(jìn)化途徑，因此可以用別的物質(zhì)來構(gòu)造另類載體的生命形式，賦予它們生命的特征，使其具有進(jìn)化、遺傳、變異等等生命現(xiàn)象，得到生命的普遍行為［2］。
其他如心血管系統(tǒng)中的心率變異性和管腔應(yīng)變問題；動態(tài)病（以異常時間組織結(jié)構(gòu)為特征的疾病，如周期性發(fā)熱、周期性關(guān)節(jié)腫脹等）的預(yù)防、治療和數(shù)學(xué)建模問題；生態(tài)系統(tǒng)的種群繁殖問題；流行病中的疾病傳染規(guī)律；生化反應(yīng)的動力學(xué)過程；免疫系統(tǒng)中信號產(chǎn)生、傳遞和轉(zhuǎn)導(dǎo)的動力學(xué)過程等都體現(xiàn)了生物系統(tǒng)的復(fù)雜性，屬于復(fù)雜性科學(xué)研究的范疇。
因為生命體的多樣性和復(fù)雜性決定了臨床醫(yī)學(xué)本身的復(fù)雜性；疾病是復(fù)雜的，不僅生命體本身病理過程復(fù)雜，而且心理、社會、環(huán)境等因素都會影響病理過程；許多復(fù)雜性疾病，如心血管疾病、癌癥、艾滋病等皆是生命體多層次、多層面因素作用的結(jié)果?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)是在還原論指導(dǎo)下對生命和疾病局部的、分離的認(rèn)識，仍停留在分析和描述的水平上；所以需要借助復(fù)雜性研究方法。在研究方法和觀念上有所突破。
祖國傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)獨特的思維方法和對復(fù)雜系統(tǒng)整體狀態(tài)的把握與復(fù)雜性研究有類似的思路。中醫(yī)學(xué)對人體內(nèi)部的相互作用以及人體與環(huán)境的相互作用提出了眾多的命題，為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究準(zhǔn)備了豐富的素材，對中醫(yī)的理論體系的認(rèn)識還必須運用物理學(xué)、生物學(xué)、數(shù)學(xué)、控制論、系統(tǒng)論等學(xué)科的最新知識。
復(fù)雜性科學(xué)對我們來說是一個充滿未知的領(lǐng)域，研究方法上既有還原論，也有綜合論和系統(tǒng)論，這兩種思想正在經(jīng)歷碰撞并開始出現(xiàn)融合的趨勢。但是在研究對象上，它研究的問題并不是剛剛出現(xiàn)，而是因為人們認(rèn)識的深度和它本身的難度，使這一類問題被擱置了起來。目前，對復(fù)雜性的研究已經(jīng)分別在一些學(xué)科取得了初步的進(jìn)展，隨著科技的進(jìn)步、人類對自然和自身認(rèn)識的深化，生命科學(xué)中的復(fù)雜性問題必然會被逐步地認(rèn)識和解決。
文秘雜燴網(wǎng)