混沌理论与中西方医学

周家蓬 田书彦 温绍君 陈润生 陈禹保

20世纪发生了三场伟大的科学革命：1905和1915年爱因斯坦前后发表了狭义和广义相对论,奠定了宇观世界的确定性因果框架；1925~1948年,玻尔、海森堡、薛定谔、狄拉克、诺依曼和费曼等人建立了量子力学,奠定了微观世界的非确定性概率框架；1963~1981年,洛仑兹、费根鲍姆、斯梅尔等人创建混沌理论,奠定了宏观世界的确定性系统随机性过程框架,架起了确定论和概率论两大理论体系之间的桥梁。

相对论和量子力学理论的应用,诞生出核能、航天、激光、计算机等高新技术成果,将人类社会带入电气化时代,也将人类对宇宙奥秘的探索推向更广袤和更精细的尺度。混沌理论是一种兼具质性思考与量化分析的方法,适用于宏观的动态系统研究,其当前应用主要是过程控制,如物理通讯、化工制造、疾病诊断、股市预测等。本文主要分析和讨论混沌理论在生物、医药领域的潜在应用。

1 混沌普遍存在于人体

人体是一个典型的非线性动力系统已是公认,人体每时每刻都在与外界交互作用。非线性系统不一定产生混沌现象,但是常态下的心脏［1,2］、大脑［3,4］、肺［5］,甚至 DNA［6,7］等都已被证实为混沌系统。以心脏为例,健康状态的心脏在两次心跳之间的间隔存在微小的变异,这种“心率变异性”符合混沌的自相似的特点。 “心率变异性”过低或完全随机化表明心脏功能弱化或恶化,而等时节率的出现则意味着心跳不久将会终止。郝柏林认为,混沌不是简单的无序或混乱,而是没有明显的周期和对称,但又具备丰富的内部层次的有序状态。混沌系统具有极高复杂性,应变能力强,存活时间长,因此“混沌是健康”［8］。

混沌现象在时间上呈现为以某种规则不断复制前一阶段的运动状态,对初始条件依赖敏感；在空间上呈现出自相似的形态,对边界条件依赖敏感。由于其本质上属于确定性系统,因而其内随机性是一种伪随机,各态遍历性也是一种伪遍历,最终往往收敛于吸引子。混沌现象的这些特点,往往可以作为我们判断某事物是否处于混沌的指标,常用的定量化参数有Lyapunov指数、测度熵、分数维和关联维等。

2 混沌控制和混沌同步

由于混沌现象的复杂性,人们一度认为其是不可预测和不可控制的。1990年,美国马里兰大学的Ott等［9,10］提出一种参数微扰控制混沌的方法,开创了混沌控制的先河。同年,美国海军实验室的Pecora等［11］提出混沌同步方法,利用驱动-响应技术实现了两个混沌系统的同步。控制和同步是混沌系统研究中的两个主要方面。混沌系统的控制包括两种思路：一种是控制,目的是稳定吸引子内部的不稳定周期轨道或者是消除系统的混沌行为；另外一种是反控制,目的是加强已有的混沌行为或者使不是混沌的系统产生混沌。混沌系统的同步就是使两个或多个混沌系统按照某种相同的方式演化。

3 在中西方医学中的运用

西方现代医学的手术技术是混沌控制的典型应用。通过去除造成人体功能紊乱(周期变混沌或混沌变超混沌)的病灶(例如癌变组织),使得系统重新恢复稳定状态。西方现代医学上的心脏起搏器是混沌反控制的典型案例。起搏器是治疗心律失常的主要手段之一,它利用混沌系统对初始条件的依赖敏感性,对衰变为周期态的心脏系统施加干扰,从而逐渐使其回归混沌态。

中国传统医学上的针灸本质上等同于混沌同步的方法,即通过刺激多个特定经络穴位(体表),引发目标系统(内脏)的协同变化。中药的疗效也是类似的道理：多种中药成分对人体多个混沌系统(例如泌尿、免疫、神经)同时施加干扰,人体多个混沌系统与病态系统(例如心脑血管)相互协同,最终使其回归正常混沌态。

中西方医学走向融合的两个例子：一是癫痫的混沌控制疗法：该疗法近期采用了类似于中医“望闻问切”的技术,通过对脑电图混沌态进行特征分析,进而根据当前状态预测下一状态并进行干预,可较有效地预防癫痫的发生［12］。二是白血病的砒霜疗法(“上海方案”)：白血病的西医疗法效果不佳(“五年无病生存率”约25%),而结合中医理论采用砒霜疗法“五年无病生存率”可达95%。

4 展望

西方医学将疾病分为孟德尔疾病和复杂疾病两大类。孟德尔疾病也叫单基因遗传病,往往致病基因上的一个关键的碱基变异就可引起疾病发生,而人类的整个基因组多达30亿个碱基。因此,这个关键的变异碱基相当于吸引子的角色。目前已经确定的孟德尔疾病有3000多个［13］,绝大多数无法治疗(因其致病变异位于吸引子)。对于复杂疾病,往往需要许多基因同时发生变异才可能最终引发病症。复杂疾病的风险位点相当于吸引子近旁的某些空间相位点。目前至少发现一万多个风险位点影响800多种复杂疾病［14］,对这些风险位点的干预有望预防和治疗复杂疾病(用药物将风险位点阻隔在吸引子以外)。由于中医采用的是混沌同步的方法,即利用多个混沌系统去引导病变系统回归正常态,因而对于复杂疾病往往会有更好的疗效。

随着中国人口老龄化、环境恶化和社会压力陡增,作者认为打破成规、开展相关的交叉学科的研究是非常必要和迫切的,对高血压、慢性心脏病等复杂疾病展开基因检测、早期预警和中药治疗的方案是可行的。

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