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【摘要】 复杂性理论作为一门跨学科的理论，已引起各领域研究学者的关注。很多研究学者开始致力于探索这个新兴理论，力求来解决本学科的一些课题。著名的物理学家霍金曾预言，21世纪将是复杂性的世纪。当医学界的研究学者发现越来越多的医学研究过程中的问题无法用简单的还原论方法解释的时候，便把目光投向了复杂性理论，目前大量的研究成果证明，复杂性理论应用于现代医学的研究的确是可行有效的。本文简要介绍了复杂系统的一些基本概念，应用于医学研究的背景及理论思想，着重讨论了复杂性系统理论应用于医学领域的现状，并对其研究的前景和趋势作了预测。
【关键词】 复杂性系统 还原论 不确定性 混沌状态 计算机模拟
Complexity system of medicine - a new domain in future medical research
DING Xu-feng,MA Liang,DING Xue-song.Shanghai University for Science and Technology, Shanghai 200093, China
【Abstract】 Complexity theory,as an interdisciplinary theory, has been attracted by scholars in different areas. Many scholars have began to explore this new theory,with the intention of applying it to their own research area,and helping to solve some problems. As American famous physicist Hawking predicted:the 21st century will be the century of complexity. When medical researchers discovered that more and more problems are hard to interpreted only by the simple return to original state method, then went to the vision the complex theory, a lot of research results prove that the complexity of the theory applied to the study of modern medicine is indeed feasible and effective. This paper introduces some of the basic concepts of the complex system,the background and theoretical thinking used in medical research, focused on discussing the recent research achivements of complexity of the system theory used in the field of medicine, at the end of paper,make some prospects and forecasting for its future research and trend.
【Key words】 complex system; return to original state theory;undeterminism;chaotic state;computer simulation
近年来，复杂性系统问题的研究已越来越成为国内外学者研究的热点。自复杂性系统的概念诞生以来，已有大批学者从不同的领域入手，并取得了大量成果。对于“复杂性”的精确概念定义尚无统一的定论，但基本已达成一个共识，即把那些数据大，呈现非线性关系，具有自组织、自适应和涌现特征的问题归类为复杂性问题或者称为“复杂性系统”。复杂性系统的这些特性也引起了许多跨学科学者的关注。人体作为一个整体的系统，其复杂的功能和行为大于单个细胞的集合，人体的疾病和健康也复杂于单纯的生物学因素之和，特别是人类的疾病和健康过程，完全符合复杂系统的基本特性。生命体的复杂多样性决定了疾病是复杂的，不仅生命体本身病理过程复杂，心理、社会、环境等因素都会影响病理过程，许多复杂性疾病，如心血管疾病、癌症等都是生命体多层次、多层面因素作用的结果医学本身的复杂性。因此，已有许多医学界的学者开始致力于复杂性理论应用于医学的研究。人们希望寻求以定量和整合的途径来深入了解各种医学系统之间复杂的相互作用，通过对系统的建模与系统运作机理的研究，用控制科学的理论方法对系统的演化加以干预并使得系统朝着预定目标演化。运用系统科学理论和方法综合研究和认识复杂的人体及其疾病，并把传统和现代医学大量的基础与临床研究成果集成整合起来，建立起全新的现代医学体系被称为复杂性系统医学［1，2］。而对于医学科学领域的复杂性研究被称为复杂性系统医学研究。
1 复杂性理论应用于医学研究的背景
200多年以来，还原论思想和方法学在研究现代科学上一直占据统治地位。该思想认为“一切系统都是可逆的。分割的各个问题的解答之和就会成为整体的最后答案，即系统之解”。还原论思想对于推动医学领域及其分支领域的研究进程和发展有着重要的指导作用。但是生命体并不是组成成分的简单堆积，生命系统具有不可逆性，被分解之后生命本身就不可再挽回，整体并不等于局部之和，而是彼此间有着广泛的相互作用；各个组成成分之间的相互作用也不是简单的线性关系，而是交错编织的复杂网络。突出问题表现在忽视了对于生命系统的层面上的整体认识以及处理人体健康和疾病的复杂问题。医学科学研究在经历了漫长的发展过程后，随着人们对复杂性疾病的认识逐步加深，还原论方法的局限性日益显露，现代医学面临着复杂疾病模式的严峻挑战，整体观的重要性被科学界日益重视。在20世纪后期，人们开始重视生命科学的复杂性和整体性研究，向系统论的研究方向进军，继承还原论的精华的同时，强调系统的内部和系统之间的联系，系统的复杂性动力学特性，以及整体功能和行为的突现。系统论与医学在全新的技术背景下的结合，在系统理论指导下，把人体作为一个完整的系统加以研究。通过大规模提取各类生物信息，深入研究基因组、蛋白组和代谢组等生物信息与环境信息的相互作用，阐明发病机理，研究新的诊断和治疗技术，从而引领现代医学进入预测性、预防性和个性化的时代。
2 复杂性系统理论应用于医学领域研究的理论思想
人类的生命过程处于秩序与混沌的边缘，人体作为一个具有自组织和自适应的复杂系统，具有不确定性和混沌状态的特性，这些特性正符合复杂系统自适应性的重要机制。近些年，医学研究人员在研究高血压病基因、精神分裂症基因等复杂性疾病时，在对海量数据的处理时引入了数学模型、算法和计算机学习技术；对于基因组学、蛋白质组学的研究采用大通量信息处理技术，由此引发了对于非线性动力学和混沌机制为人体复杂系统的自适应能力提供研究。生命信息的载体都具有一个共同的特征：简单符号的有限排列，一种不连续非周期性的序列。这个特征符合信息具有差异性和差异无限趋向性的基本特性。而所有的生命物质所具有的字符序列特征又使基于计算机等现代电子设备介质，建立二进制和概率计算的数学模型，进行运算、分析和模拟成为可能［3］。生命信息的表达系统中起主导作用的是熵的逆向趋动性，即熵减，它使生命信息系统呈现不可还原的离散状态和非线性的不连续过程，在复杂中简化是我们的基本原则，通过建模和反馈机制将会成为研究处理复杂系统较好的解决策略［4］。
3 复杂性系统理论应用于医学领域研究的状况探究
尽管中西方的医学研究对象与内容基本一致，但由于文化背景等原因，却有不同的探索自然界的思维方式，其中对人体和病理思维的不同正是中西医理论构建不同的根本原因。西方医学系统受还原论思想的影响，认为整体由部分构成，可以把整体分解为部分来认识，生命的整体性能，可以从它的组成部分的性能完全解释清楚；生命运动由较低级的物理、化学等运动组成，可以把生命的高级运动还原为低级运动来认识，生命和疾病的现象完全可以用物理、化学的规律来解释。 重局部，轻整体，重还原，轻整合，医学分科越来越细，偏向于针对局部的治疗，而忽视了对整体的重视。西方医学研究学家发现已有越来越多的整合病例无法用简单的线性还原思想解决。传统的中医学理论虽然强调整体性、非线性、动态性，但这种整体观具有知觉性、猜测性和不确定性，宏观认识与微观结构脱节，并不是严格意义上的科学整体观，由于尚未找到较为合适的方法论解释研究中医科学的内涵，医学科学家利用西方还原论的思想研究中医科学，并没有取得任何突破性进展。中西方医学研究都在试图寻找新的研究思想方法来解决还原论无法解释的问题。
近20年来随着复杂性系统理论的科学蓬勃发展，为中西方医学研究学者带来了新的启示。20世纪80年代末，美国的一些科学家建立了美国圣菲研究所（SFI），重点研究简单性、复杂性、复杂系统。他们热衷于不同学科之间的探讨与相互影响，试图从各种不同的系统中找到共性。通过计算机仿真与模拟，形成了各种各样的关于复杂系统的新概念和理论模型，并建立了公用的，为复杂系统研究而设计的软件平台SWAEM。SFI的科学家通过科学的方法对系统整体论作出了科学的解答和模拟，并提供了从理论到模拟、从特性到机制的具体方法，基本思路是：首先应用还原分析方法选择适当的主体作为构件，利用计算机程序刻画少数支配主体相互作用的规则，建立各类计算机实验模型，并在计算机实验平台上模拟，通过计算机仿真考察和研究模型系统的行为和演化规律，这种演化通常可以使宏观整体行为与性质由下而上、由简到繁的自然涌现出来，研究者可以直接观察系统的生成、演化过程，从观察现象中发现规律，提炼概念，形成洞见，建立理论，从而对宏观现象作出恰当的诠释，发现复杂的宏观现象的内部机制。由此，很多中西方的医学研究者得到了启示，并且开始尝试运用复杂性系统理论应用于医学研究。人体中存在大量的智能主体，医学研究中存在大量的数据信息，都具有非线性的特点，利用现代信息手段获得医学研究所需要的各种数据资料，包括文本、影像等，借助计算机平台建模，同时引入数理和信息科学领域的理论和方法等对模型进行先进高效的信息分析和数据挖掘，对数据资料进行处理，从繁杂的实验数据中找出各种数据之间的内在联系，以获得有力的信息或结论［5］。2003年9月维也纳国际应用系统分析研究所的复杂系统建模研讨会上，美国学者们研发出的以综合集成为基础的数字空间体系CWME智能系统软件引起了各国专家的关注。该系统强调多维的自下而上的综合集成过程，从定性到定量的综合集成法：将专家群体(各种有关的专家)、数据和各种信息与计算机技术有机结合起来，把各种学科的科学理论和人的经验知识结合起来，在解决复杂性问题时发挥这三者构成的系统的整体优势和综合优势。专家们认为，对于许多复杂现象，利用专家群体、海量数据和计算机分析技术相结合的研讨厅体系的方法，可能是比较有效的。
中国的许多医学研究者也开始把目光投向了系统复杂性理论应用于医学科学的研究，并结合我国的实际情况产生了一系列医学复杂性问题的新思路。如在基础医学方面，提出复杂性疾病的治疗过程中不能过分关注身体局部状态的调整，而忽视了整个身体状况的改善，对这些疾病的认识和治疗急需引入系统化思维，建立医学科学中的系统复杂性研究提纲，探讨生命过程中信息作用的机制和原理，生命信息的存在形式和动力学规律，探讨生命信息和环境的关系等。对于传统的中医学研究提出要研究复杂系统的重要思路是“有限地还原，有效地综合”，结合多学科如血管、流体力学、神经科学等领域学者共同合作研究传统脉学，对系统进行有效控制，应该有针对性地建模，针对复杂系统的不同侧面，或者针对不同的目标，建立不同的模型。这个过程在医学中应用广泛，因此医学与控制科学的协作很有意义。同时还有著名学者建议中医的发展需要吸收其他学科的先进知识和方法，应用波动光学方法实时获取人脸几何数据，利用微分几何方法对人脸表情的特征参数进行提取和分析，来实现中医的“计算机模拟望诊”。
另外，复杂性系统科学理论对于中医药的研究发展也起到了推动作用，当前中医药现代化研究受到了方法学的制约。系统生物学的思路与中医整体观相一致，为中医药研究提供了一个可借鉴的方法。研究人员利用复杂系统问题的有效模式和手段研究中应重视病、证、效结合模式，定性分析与定量分析相结合，规范研究与实证研究相结合的方法，把人体视为一个系统，通过测定和改变系统的输入和输出来调节系统的状态，结合在临床诊疗中总结出的规律，把摸索出来的规律表述出来。从而推动医药学的发展。
4 复杂性系统医学研究发展趋势和前景
现代医学作为自然科学的应用学科，其理论和方法的形成与发展，必然与其同时代科学同步。近代400多年以来，西方科学的理论和方法贯穿着以分析的思维方法的传统，由此而形成的最典型的还原研究方法成了医学最得力的指导思想和方法论武器，在这条思路的指导下，医学向人体结构的微观方向深入，从人体的解剖、器官病理学、组织病理学到微尔肖的细胞病理学，达到了西方近代医学发展的一个高峰。20世纪，随着系统科学与医学技术的进步，无数的事实说明，现代医学的诊治方法是先进的，但其基本医学分析-还原论理论却是落后、片面的。要深入彻底认识人体这个宇宙中最复杂的系统，复杂性系统科学理论的指导和相应的系统工程方法的应用是必不可少的。只有实现两者的真正结合，才能解决人类健康与疾病的无数复杂难题。21世纪医学发展的生命体的复杂性决定了医学的复杂性，心理、社会、环境等因素都会影响生命体本身。未来医学研究的发展，必定会更多的应用复杂科学和系统科学的理论和方法，突破线性思维和还原分析，建立非线性复杂思维模式，更加注重宏观和系统综合。从整体论出发，以复杂系统等研究方法为手段，结合医药学研究的实践以及疾病的复杂现象和复杂性特点，探讨复杂系统研究的创新思维和研究方法，为研究现代医学模式和医药学提供了可能的新思路和新的方法论。目前提出建立的系统医学，是从传统医学、现代医学的基础上发展起来，以系统哲学和系统科学理论和方法学指导下的新医学体系［6］。就是用系统科学的理论和方法重新认识、集成整合现有的生物医学理论和技术指导临床。可以预见，复杂性系统医学的创立是历史发展的必然，也是未来的发展方向，它必将在医学研究上占据主导地位。
【参考文献】
1 Barabasi AL， Albert R.1999，“Emergence of scaling in random networks”， Science, 2000,286：2-10.
2 Green D,Newth D.Towards a theory of everything?-Grand challenge in complesity and information.Complexity International,2001,8:1-12.
3 Weng G, Bhalla U,Iyengr R. Complexity in biological signaling systems Science,1999,284:92-96.
4 方锦清、汪小帆、刘曾荣. 略论复杂性问题和非线性复杂网络系统的研究.科技导报,2004,22(2):9-11.
5 杜文斌,张杰,石岩.复杂性适应系统理论对中医学方法论的启示.中医药学刊,2004,1062(6):25-30.
6 苏镇培.从生物医学的进展，看创立“系统医学”的必要性和迫切性.2005，12-20.
作者单位：200093 上海，上海理工大学管理学院