耗散结构理论与医学

杨　辉
(右江民族医学院　右江533000)
本文试从耗散结构的形成和保持条件与人体健康的形成和保持条件的一致性,探索耗散结构理论对医学的启迪和借鉴作用。
1　人体能够形成和保持耗散结构
耗散结构,是普利高津在研究不违背热力学第二定律情况下,如何阐明生命系统自身的进化过程时提出的新概念。什么是耗散结构?用通俗的话来讲,就是一个远离平衡的包含有多组分多层次的开放系统,在外界条件变化达到一定阈值时,经“涨落”的触发,量变可能引起质变;系统通过不断与外界进行物质和能量交换,在耗散过程中产生负熵流,就可能从原来的无序状态转变为一种时间、空间或功能的有序状态。这种非平衡态下形成的新的有序结构,就是耗散结构。
普利高津本人曾对耗散结构形成的条件,作过简单通俗的说明。他写道:“生物和社会组织包含着一种新型的结构,……社会和生物的结构的一个共同特征是它们产生于开放系统,而且这种组织只有与周围环境的介质进行物质和能量的交换才能维持生命力。然而,只是一个开放系统并没有充分的条件保证实现这种结构。只有在系统保持“远离平衡”和在系统内的不同元素之间存在着“非线性”的机制的条件下,耗散结构才能实现”[1]。显然,人既有生物的属性,又有社会的属性,人的生命过程既参与生物运动,也参与社会运动,更具备形成耗散结构的条件。
首先,生命的本质在于运动。人体是一个远离平衡的系统,它需要保持动态平衡才能存在。平衡就意味着生命的终止。兴奋和抑制、收缩和舒张平衡了,心跳也就停止了。动脉、静脉各部分血压平衡了,毛细血管有效过滤压等于零,物质交换也就没有了。细胞内液与外液中的Na+、K+的浓度是非平衡的,神经细胞膜内K+浓度为膜外30倍,膜外Na+浓度为膜内12倍,这种离子浓度非平衡,对细胞的兴奋及机能是必要的。如果离子浓度平衡,生物电就消失,细胞功能也就丧失。其次,人体又是一个包含有多子系统多层次的复杂开放系统。从横向看,包括骨胳、肌肉、神经、消化、呼吸、泌尿生殖系统等子系统。从纵向看,包括群体、个体、器官、组织、细胞、亚细胞、分子、量子等层次。此外,还有与上述要求有关又自成一体的免疫系统,等等。而且各子系统之间、各层次之间存在着复杂的联系和相互作用。人既要吃、喝、吸气,又要拉、撤、呼气,因而是一个开放系统。机体走向封闭,就会生病甚至死亡。中医所说“不通则痛”就是这个道理。再次,人体内各元素之间存在非线性机制。所谓非线性,是指引起系统处于非平衡状态的复杂过程的,主要不是逐步演变的扩散型,而是产生突变(或质变)的化学反应型。人体生理病理转化过程中,存在大量通过爆发性涨落而摆脱连续性的情况。即使是最简单的细胞中,正常的新陈代谢也要引起无数个偶合的化学反应;新陈代谢还要有特定的酶。因此,正常人体是离不开非线性机制的。最后,人体生命现象中,还大量存在时间节律和周期行为。所以,人体能够形成和保持耗散结构。
生命不仅仅表现为终究要死亡,要从有序走向无序,而且在于它要努力避免很快地衰退为惰性的平衡。因此,从某种意义上说,人体时刻都处在有序无序有序的转化过程中。在正常生理过程,机体内部借助新陈代谢的作用,把细胞或机体中陈旧、多余的或有害的物质分解,把衰老、垂死的或受伤的组织成分拆除,释放其中的能量,使机体内部有序结构不断遭到破坏,这可以说是人体自身产生的正熵,由于正熵存在,机体由有序趋向无序。但与此同时,机体又通过合成代谢,从外界吸收物质和能量,引进负熵,建造自身结构所需要的组织成分,以替代被拆除的组织成分,产生新的更高层次的有序状态,使无序趋向有序,从而使机体保持正常的生命活动。机体这种相对稳定有序是通过自身调控机制实现的。一旦致病因素造成调控机制混乱,机体与外界进行物质、能量、信息交换发生障碍,系统内正熵增加,有序性遭到破坏,积累到一定的阈值,经涨落触发,就会从有序变为无序,这就是病态。疾病的医治实际上是通过强化输入负熵流防止输入正熵,并促进机体远离平衡以达到系统熵增为负或正熵不大的低熵有序状态,从而消除疾病,转为健康。
2　耗散结构理论对医学的启示
耗散结构理论试图认识自组织的机制和规律,即有序和无序相互转化的机制和条件问题。“医学是认识、保持和增强人类健康,预防和治疗疾病,促使机体康复的科学知识体系和实践活动”[2]。其首要任务是认识健康和疾病转化的机制和条件问题。因而,二者是一致的。前者对后者必定具有启迪和借鉴作用。
2.1　耗散结构理论可以深刻揭示人体的统一性及其与外界因素的统一性,为医学模式转变提供理论依据。因为,这一理论用整体观研究生命现象,并且认为只有开放的、能与外界进行物质、能量、信息交换的系统,才能形成稳定的有序结构。人体正是这样的系统。但是,传统生物医学模式忽视了人的社会性和心理因素的影响,对生理病理过程的考察往往带有封闭或半封闭性质,而且使用的是脱离整体联系发展的孤立、静止研究方法。这就使得它不可能正确反映和解决作为开放系统的人体稳定、有序、健康问题,因而不可避免地要被新的医学模式所代替。所以,医务工作者掌握耗散结构观点,首先有助于实现从生物医学向生物、心理、社会医学模式转变。其次,有助于临床工作中,系统整体思维和全方位立体思维的形成和运用。此外,人体有序、健康的形成和保持,实际上是多组分多层次的人体系统为主体和物质基础,以与外界交换所得能量为动力,以来自内部信息为指令,以神经体液为调控手段,以时空或功能有序为目标的自组织过程。因此,耗散结构理论的提出,使系统科学方法变得更加完善,其应用于人体生理病理过程的解释,必将进一步推动现代医学的发展。
2.2　耗散结构理论提出“非平衡是有序之源”的观点,对纠正“平衡有序”观念和贯彻积极治疗,推动有关非平衡区生命稳定有序的研究,对搞好防病治病有着重要意义。
非平衡,不是不平衡,也不是平衡,而是巨涨落前的远离平衡态,是处于失稳临界点附近没有超过临界点的稳态。与此相对应,失稳包括两方面,一是因平衡变为不平衡而失稳,如细胞外液pH值过高过低将导致硷中毒或酸中毒。二是不平衡趋向平衡而失稳,如细胞外液钾浓度增高,而致高血症;各种组织中较特异酶谱由区别而趋向一致性,意味着癌症出现。所以,现代医学强调的是动态平衡。然面,我们许多医务工作者在实践中,努力纠正不平衡的同时,往往不自觉地走向另一极端追求平衡。而且忽视了心理,社会动态平衡对健康的意义,这对实践是有害的。实践告诉我们,难治性心力衰竭一类顽症之所以难治,就在于只引入负熵流(即各种改善心衰的措施,包括药物等)并不一定能刺激机体达到临界点,要使机体完成“无序→有序”的跃进,必须使机体远离平衡即机体要有相当的自身活力和抵抗力,通过涨落达到临界点才能使新的跃进完成,使机体从无序状态恢复到有序状态。所以,我们必须注意,治疗中不能单纯依靠药物等一系列外来因素的作用,还必须大力提高患者的整体机能,包括非药物的心理治疗,排除影响机体机能恢复的各种干扰[3]。
同时,耗散结构理论的提出,推动医学工作者进一步从各方面探索处于非平衡区生命系统稳定、有序、健康的维持问题。诸如什么是稳态?有什么抗干扰的特性?失稳的临界点在哪里?在什么条件下,通过什么方式,人体有序变无序,稳态变失稳?在失稳、生病后在什么条件下,通过什么方式恢复稳态、健康?等等。这对提高医疗卫生工作质量无疑是有益的。例如,布鲁塞尔学派对肿瘤免疫的研究,就属于抗干扰特性研究的一部分。该派倾向于细胞免疫起主要作用。体外实验表明,效应细胞每次可以与一个或几个肿瘤细胞结合然后分解为原来形式的效应细胞和失去复制能力的死亡肿瘤细胞。布鲁塞尔学派为此建立起肿瘤生长的数学模型。在对这一模式的求解中,它给出何种条件肿瘤会长大或抑制,即在某些条件下,小于临界大小的肿瘤将消失,大于临界大小的肿瘤则长大。在另一些条件下,埋没肿瘤中的正常组织若大于一定临界大小时会不断长大,从而摆脱癌状态,反之若该正常组织过小则会为肿瘤组织所吞没。该模型给出的肿瘤细胞数的时间振荡行为与临床观察一致”[4]。这样的探讨,对临床上因势利导防治肿瘤就很有价值。又如,临界点问题,不但研究稳态的生物(或理化)临界点,而且研究心理、社会临界点,以及对临界值随年龄、性别,特别是作用因素的量与时间两者关系所决定的个体适应与不适应之间的差异,这些对医学理论和实践都有着十分重要的意义。此外,掌握“非平衡是有序之源”的观点,还有助于动态思维的形成。
2.3　“非线性”理论对医学实践有着重要的启迪和借鉴作用。系统的不同元素之间存在着非线性机制,是耗散结构形成的重要条件之一。多组分多层次的开放系统只有处于远离平衡的非线性区,才有可能经涨落的触发,从无序突变为稳定的有序的时空结构。非线性区有两个特征:一是突变、飞跃的临界点所在,二是存在可逆和不要逆的两种不同趋势。因此,掌握非线性区对医疗实践的意义是不容忽视的。例如,在每一个正常子宫颈粘膜上皮细胞中46个染色体,当细胞中染色体数量略有增加或减少,并出现畸形时,正常细胞就变成了间变细胞。间变阶段是正常细胞向癌变细胞转变的中间阶段,亦即非线性区,它存在着可逆和不可逆两种趋势。如经过积极治疗,染色体数量恢复正常,“间变”就消失,变成正常细胞;如遇到延缓治疗或治疗不当等种种不利条件,染色体数量就会剧增,若每个细胞中的染色体增至六十到九十个时,间变就发生癌变。所以认识到这一点,定期检查,早期发现间变细胞,就可以采取措施,阻止间变向癌变发展,预防宫预癌发生。医务工作者必须树立防重于治的思想,努力掌握各种疾病的非线性区,把好病理性质变这道最后防线。
耗散结构理论关于生命系统进化过程中的非线性涨落的作用,与医学实践中生理和病理相互转化中涨落的作用有所不同(前者是单向的、积极的;后者是双向的,利弊兼有的)。但可以启发医务工作者在实践中,因势利导,尽可能防止和减少涨落的破坏作用,充分利用其积极作用,更好地防病治病。耗散结构理论指出:“生命的保持和发育是跟大量的化学反应和运转现象分不开的。是由许多高度非线性的复杂因素,如激活、抑制、直接的自身催化等连锁制约的”[5]。这就告诉我们,尽管研究病因要从生物、理化、心理、社会等多方面着手;认识疾病的本质要从各个层次上进行探索,但作为生命有机体的线性机制,首先存在于微观层次中,并主要通过微观层次表现出来。因此,我们无论考察生理向病理转化,还是病理向生理复归的量变质变过程,都应把重点放在微观层次上,坚持微观深层导向性。这不是回到片面强调理化指标为依据,着重分析的还原论老路上去,而是要走向综合兼容辩证还原的新思维方式。
综上所述,耗散结构理论可以为医学提供启迪和借鉴作用。诚然,不应夸大它的作用。只有把它与系统科学方法的其他理论(系统论、信息论、控制论、协同论、超循环论、突变论等)结合起来,才能充分发挥其应有的作用。
参　考　文　献
1　普利高津复杂性的进化和自然界的定律.自然科学哲学问题.1980,3.
2    艾钢阳等著.医学论.科学出版社,1986,2.
3　周恩茂.生命活力的本质特征是有序.医学与哲学,1988,(4):7.
4　漆安慎.关于耗散结构与理论生理学.医学与哲学,1986,(10):9.
5　王雨田主编.控制论.信息论.系统科学与哲学.中国人民大学出版社,1986:465.
6　许立人等编.自然辩证法概论.黑龙江人民出版社,1991.