生理混沌的探索

70年代以来，在生物个体的生理现象中，也广泛地发现了混沌。生物体全身的每个器官，都有自己的节律。生命的存在，就是一个耦合振子，即各种内在节律振动的巧妙组合。一旦某种节律失调，就会使生命体患上某种疾病。心脏的搏动，是推动一切生命节律的中心环节。正常的心律是周期性的。人的心搏大约是每分钟50到100次，日复一日、年复一年地进行着；但是它有许多非周期的病，例如对生命危险极大的心室纤维性颤动。不同的心肌彼此不合节律地收缩，不协调地乱动一起，起不到正常泵血的作用，终致使病人死亡。病者心脏的各个部分似乎都是正常的，节律依然是规则的；但心脏的整体运动，却致命地扭曲了，陷入了稳态混沌。这是一种复杂系统疾病。心脏自己不会停止这种纤颤，只有用电击除颤器来消除。这种电震击是一个巨大的扰动，可以使心脏返回到定态。
     为什么心脏的节律在人的一生中经历几百亿次的搏动，其中经过多少次的紧张与松弛，加速与减速，从未失误，然而却会突然进入一种无法控制的、致命的疯狂节律——纤颤呢？研究表明，有一类重要的心律失常可能是所谓“模式锁定”引起的，即两种并行收缩心律的相互作用产生的。从物理学上讲，就是外来的迫动频率与物体振荡的固有频率以某种简单的数字比率达到同步，这称为“锁相”。加拿大数学生物学家列昂·格拉斯(Glass，Leon 1943～)和他的同事在1981年进行了一个有趣的实验。他们从鸡胚心脏中取出一团细胞，这团细胞能够自发跳动，相当于固有振荡器，每分钟跳动 60 次到120 次。然后用一根极细的玻璃微电极插入细胞团，打入一个相当于迫振的周期性小电震。改变电脉冲的频率和振幅，结果不仅产生了各种“锁相”，而且产生了混沌。他们观察到了搏动方式一次又一次地出现了分叉，即“倍周期”现象。这个结果表明，模式锁定可以导致混沌，即使鸡胚心脏的细胞团混沌地搏动。科学家们的研究表明，一个参数的微小变化，可以把一个健康的心脏推进到一个双分枝点而进入混沌态。
     科学家们希望通过混沌动力学的研究，能够找到一种方法，在危急的纤颤发生之前，辨认出它的来临；并设计出最有效的除颤装置和治疗药物，使这些猜想盲试的方法变得比较科学。类似的动力系统疾病现在也越来越多地被认识。这类疾病是由于系统的原有振荡停止或振荡方式改变引起的。例如喘息、婴儿窒息、精神分裂症、某种类型的抑郁症，还有由于白细胞、红细胞、血小板、淋巴细胞失衡而导致的某种白血病等。但是，生理学家已开始认识到，生理混沌可以导致疾病，它也可能是健康的保证。一个生命系统固然需要有抗干扰性，如心肌细胞和神经细胞能够很好地抵抗外界的干扰；但生物系统还需要有灵活性，即能够在一个很大的频率范围内适应外界的各种变化而正常工作。环境的变化常常是难以预料的，生物机体必须能够迅速地对各种变化做出反应。如果机体的某种功能锁定在一个严格固定的模式里不可改变，那就会丧失掉对外界变化的适应能力。例如把心脏搏动与呼吸节律都锁入一个严格的周期中，在机体松弛与紧张的不同状态，在空气稀稠不同的各种海拔高度上，都只有同一种节律，这个生物体就不可能存活下去。人体的其他许多节律也都如此，都必须有多种变化的可能。
     哈佛医学院的戈尔德伯格(Goldberger，Ary L.)断言，健康的动力学标志就是分形物理结构；治疗疾病时应着眼于拓宽一个系统的谱储备，即增加产生不同频率的能力。“广谱的分形过程是‘信息上极为丰富的’。与此相反，周期态只能反映狭窄谱带，它必然是单调的、重复的系列，信息内容贫乏。”①圣迭戈的精神病学家阿诺德·曼德尔(Mandell，Arnold)甚至说：“可能是这样，数学上的生理卫生健康其实就是疾病，而数学上的病理才是健康，即混沌态才是健康。”②他认为，人体中最混沌的器官就是脑，说人达到了平衡，那就是死亡，生物学平衡即死亡。“如果你被我询问你的头脑是否在平衡态，你的脑是否一个平衡系统，那就是说，要求你在几分钟的时间里不要去胡思乱想，而你这时自己就会知道你的大脑并非平衡系统。”③科学家们也已开始用混沌来研究人工智能。例如利用系统动力学在多个吸引流域之间的来回变迁与沟通来模拟符号与记忆。
     人的精神思想包含着丰富的概念、决策、情绪和七情六欲，不能把精神和思想描绘成静态的数学模型，它具有一系列尺度的层次，神经元实现着各种微观尺度与宏观尺度的交融联系，这与流体力学中的湍流或其它复杂的动力系统十分相似。量子物理学家薛定谔(1887～1961)在《生命是什么？》这部名著中提出：生命以负熵为食；一个活的生物体有惊人的本领去浓缩“有序性之流”于自身之中，从而使生命避免融入原子混沌的崩溃之路。这正是生命活动的最基本的奥秘，它吮吸有序性于无序的海洋之中！他指出，生命的基本物质是“非周期晶体”，它组成了生物体这个十分动人的、复杂的物质结构。所以，非周期性正是生命奇特性质近于神妙境地的根源！无论人们如何看待混沌，但无论如何也不能把混沌和非周期性从人体、生命、精神思想中排除出去了。通过混沌探索的历史回顾，我们可以断言，混沌学正在改变着整个科学建筑的结构，改变着整个科学世界图景。混沌学的发展，或者更广义地说，非线性科学的发展，拨正了科学探索的方向盘。未来科学的任务，不是使用经典确定论的手术刀剖析明白宇宙的钟表结构，而是按照确定性与随机性统一的观点，阐明客观世界这个超巨系统的复杂结构和运行方式，揭示它演化发展的机理与途径。
     J.格莱克(Gleick，James)在《混沌》一书中写道：“这门新科学的最热情的鼓吹者们竟然宣称：20世纪的科学只有三件事将被永志不忘，那就是相对论、量子力学和混沌。他们认为混沌是20世纪物理学的第三场大革命。与前两场革命相似，混沌与相对论及量子力学一样冲跨了牛顿物理学的基本原则。正如一位物理学家所说：‘相对论消除了绝对空间和时间的牛顿幻觉；量子力学消除了关于可控测量过程的牛顿迷梦；混沌则消除了拉普拉斯决定论关于可预见性的狂想’。而这第三场革命又有一些不同，它直接适用于我们看得见摸得着的世界，是在和人类自身尺度大小差不多的对象中发生的过程。”