2007-07-16 08:19
陳信 龍升照
人體科學是研究人體功能如何保護人體功能，進一步發(fā)展、人體潛在功能，發(fā)揮人的潛力的一門學問[2， 3]人體科學的蓬勃發(fā)展，不僅能使傳統(tǒng)的各類醫(yī)學研究大為改觀，且能極大提高有人參與的各種人-機-環(huán)境系統(tǒng)的工作效率[4]，因此，人體科學應是現(xiàn)代科學發(fā)展的一個極為關鍵和重要的領域。值得注意的是，迄今為止，人們利用自身的聰明才智，推動了科學和技術的突飛猛進，并創(chuàng)造了無數(shù)人間奇跡，然而，人們對自身的了解和研究卻十分膚淺。雖然目前對生命現(xiàn)象的探索和理解已逐步深入到分子水平，并取得了巨大進步，但與其它學科相比，僅處于初級階段。就此而論，人體科學是現(xiàn)代科學發(fā)展的落后領域但卻又是
最有生命力的一門學科。錢學森同志曾多次強調(diào)指出，我們一定要用現(xiàn)代科學技術的精華，推動人體科學的研究與發(fā)展。本文就此內(nèi)容，作些初步探討。
一、人體科學的研究對象
眾所局知，人體是一個高度復雜的有機體，無論是結構，還是功能，都非常復雜，非常精細、非常協(xié)調(diào)。它的狀態(tài)變量或了系統(tǒng)數(shù)目已不是幾十個、幾百個，而是成千上萬，甚至更多，形成一個十分龐大的巨系統(tǒng)。人體科學研究的對象就是人體巨系統(tǒng)。
以往，對人體結構和功能的研究，多半是從微觀角度，用還原觀的方法論來研究人體，并取得了許多重要成果，這當然是重要的，它對研究整體的人體科學十分有用，但用系統(tǒng)觀來研究人的整體性能卻做得很少?？刂普摮霈F(xiàn)后，人們主要是憑借如下觀點對人體進行宏觀研究，對一個特定系統(tǒng)而言，結構上還不十分
明確的部分，從機能上可探求與其功能無矛盾的結構或支持的原理。人們可根據(jù)系統(tǒng)的輸入、輸出功能反推其內(nèi)部結構，也即與功能沒有矛盾的結構。到目前為止，研究人體這個巨系統(tǒng)，研究生物系統(tǒng)，基與控制論的理論依據(jù)就是如此。人們常把這稱為黑籍理論或灰箱理論。有關這個方面的工作， 1981年筆者曾在《醫(yī)學大百科全書》 上寫過一個條目； 《控制論在生理學中的應用》。 該文把從50年代開始， 直至8o 年代初期的發(fā)展情況作了簡述。并探討了控制論在生理學研究中的應用問題， 當然還很初步。目前這方面又有很大進展，并受到人們的普遍注意。但在當時，就連這種初步應用也有人接受不了。今后在這方面還應進行深入研究。微觀的情況了解得愈多，系統(tǒng)的，宏觀的內(nèi)容就愈豐富。但是，對人體科學研究來說，只局限于從微觀的角度，還原觀的方法論來研究人體，遠遠滿足不了要求哦，對人體這個整體，它作為一個巨系統(tǒng)，必須宏觀、全面、完整地用系統(tǒng)觀的方法論加以研究。目前這方面還研究得非常不夠，也可以說是一個空白。因此，人體科學研究必須針對人體巨系統(tǒng)的特點，探索一條新的研究途徑。
人體巨系統(tǒng)購特點，大致可概括為四個方面；首先，人體的生理機能具有高度的相對恒定性，如血壓恒定、血糖恒定，這是通過一套復雜的生理機構實現(xiàn)的?；üこ躺?，這就是多層次、多子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，工程實現(xiàn)比較困難，有的甚至不可能。因此，這往往引起工程人員對人體生理機構的極大興趣，有不少工程技術工作者愿意和醫(yī)學工作者密切合作，這有利于探索新的控制理論。第二，人體的運動非常協(xié)調(diào)，具有非常精細的協(xié)調(diào)機構。第三，人體具有高級的信息處理機構。入體各種機能都受中樞神經(jīng)控制，中樞部位具有許多處理信息的高級機能。以視覺系統(tǒng)為例，從眼睛看見一個圖形開始，直至完成識別功能，其中包括許多其他高級機能，如學習機能、聯(lián)想機能。只有具備這些高級信息處理機能，人才能認識一件東西。單就這種圖象識別，工程實現(xiàn)就非常困難。第四，人體的上述特點，又受外界眾多因素的影響。所以，人體巨系統(tǒng)涉及的內(nèi)外因素非常多，是一個典型的多變量、多輸入和多輸出系統(tǒng)。
面臨如此復雜的人體巨系統(tǒng)，人體科學研究需要解決的問題，無疑將是多方面的。
二、人體科學研究的基本任務
如上所述，人體科學的研究對象是人體巨系統(tǒng)。當一個系統(tǒng)達到巨系統(tǒng)時，系統(tǒng)性就能出現(xiàn)飛躍，并發(fā)生質(zhì)的變化，功能態(tài)就是該系統(tǒng)的最顯著特點。對人體這個巨系統(tǒng)，同樣也存在功能態(tài)問題。因此，人體科學的研究，主要是對人體巨系統(tǒng)的各種功能態(tài)進行研究，要闡明其機理。不僅要研究人體功能態(tài)本身，面
且要對不同功能態(tài)進行比較，并研究其相互轉(zhuǎn)換過程，以全面理解人體系統(tǒng)的生理、心理本質(zhì)，從而揭開人類生命現(xiàn)象的奧秘。
根據(jù)上述觀點，我們認為，可將人體科學研究的基本任務具體化為四個萬面：第一，確定人體可能出觀的各種功能態(tài)；第二，尋求描述人體功能態(tài)的特征參量；第三，探索改變?nèi)梭w功能態(tài)的控制變量，第四，確定各種人體功能態(tài)相應產(chǎn)生的物理及生物效應。唯有從這四個方面人手，才能全面面深刻地理解和揭示
人的生理、心理現(xiàn)象。
1，確定人體可能出現(xiàn)的各種功能態(tài)
前已指出，人體是一個高度復雜的巨系統(tǒng)。近些年來，巨系統(tǒng)理論(或稱系統(tǒng)學) 已經(jīng)證實，每個復雜的巨系統(tǒng)都有多個相對穩(wěn)定的功能態(tài)。巨系統(tǒng)的每個自由度在系統(tǒng)購相空間里都占有一個座標，在這成千上萬個自由度的多元相空間中，系統(tǒng)有相對穩(wěn)定的點或環(huán)，系統(tǒng)可以“停留”在點或環(huán)附近形成系統(tǒng)的功能態(tài)。任何一個復雜巨系統(tǒng)往往有多個相對穩(wěn)定的點或環(huán)并可通過一定外因的作用(或控制)，從一個點或環(huán) (即一種功能態(tài)）進入另一點或環(huán)(即另一種功能態(tài))。目前對人體功能態(tài)的研究還非常粗淺。錢學森教授曾對人體定義了六個功能態(tài)：醒覺功能態(tài)、睡眠功能態(tài)、警覺功能態(tài)、催眠功能態(tài)、危機功能態(tài)和氣功功能態(tài)等。只要緊緊抓住人體可能存在的幾種基本功能態(tài)，并研究這些功能態(tài)的轉(zhuǎn)化條件和特點，我們就能揭示人體巨系統(tǒng)的全面情況。
2，尋求描述人體功能態(tài)的特征參量
當然，由于人體巨系統(tǒng)的高度復雜性，用來描述人體功能態(tài)的特征參量也應是多方面的?？晒┻x擇的特征參量，既可以是人體的生理指標(如腦電圖、腦磁圖、肌電圖、心電圖等＞，也可以是生化指標(如人體內(nèi)各種化學物質(zhì)的含量＞，有時甚至也可采用一些心理指標。當然，隨著科學技術和生理測試方法的不斷進展，用來描述人體功能態(tài)的特征參量將會日益增多。所以，我們應該努力尋求各種能夠描述人體功能態(tài)的方法和指標。但是，在選取這些指標時，應該注意的是，并非指標愈多愈好、愈全愈好，而是要用數(shù)學方法加以提煉，使所遠指標能代表功能態(tài)的特點，并盡量使它們代表性強、數(shù)量少。因此如何選取合適的特征參量，將是人體科學研究的重要內(nèi)容。
3．探索改變?nèi)梭w功能態(tài)的控制變量
為了改變?nèi)梭w巨系統(tǒng)的功能態(tài)，應該對人體輸入一定的信息。這種信息我們稱為控制變量?，F(xiàn)代醫(yī)學認為，人體功能態(tài)的調(diào)節(jié)和控制是通過神經(jīng)和體液兩種渠道進行的。我們認為，其他途徑是否存在，也應進行深入研究。例如，氣功功能態(tài)、特異功能態(tài)的調(diào)節(jié)控制渠道是否存在新的機構，很值得探索。當然，隨著
科學技術的進步，改變?nèi)梭w功能態(tài)的手段也將日益增多，但是，如何針對某種特定功能態(tài)來選擇合適控制變量，也即選準輸人“窗口”，以改變?nèi)梭w功能態(tài)，這是人體科學研究的精髓。
4，確定各種人體功能態(tài)相應產(chǎn)生的物理及生物效應
當人體處于某個特定功能態(tài)時，一定會產(chǎn)生相應的物理效應
和生物效應，并伴隨一定的物質(zhì)屬性。因此，人體科學研究，就必須解決物一、生物效應及其物質(zhì)屬性的測試問題，并努力探索其用途。這是一個困難的課題。例如，氣功師在氣功功能態(tài)發(fā)放的外氣，究竟是什么東西7是電，是滋，是光，是微波，是紅外，還是一種混合體：這些信息又是怎么載送的?這些問題的解決，確實很有意義。它對揭示人體功能態(tài)的機制，能提供極為寶貴的信息。
為了完成人體科學研究提出的上述四個任務，我們應該努力探索最先進的研究方法
三、人體科學研究的主要方法
通常，對任何一個巨系統(tǒng)(參見圖1）在不考慮噪聲的情況下，可用狀態(tài)方程描述如下：
圖l一般巨系統(tǒng)與人體巨系統(tǒng)示意圖
式中x(t）u（t）)分別為系統(tǒng)狀態(tài)變量，控制變量和輸出變量，A B和C分別為系統(tǒng)的參數(shù)矩陣、輸入矩陣和輸出矩陣。
對人體巨系統(tǒng)而言，其作用原理與一般巨系統(tǒng)并無多大差異(比較圖la和b）。但是，錢學森同志曾強調(diào)指出，從控制理論角度研究巨系統(tǒng)，與從人體科學角度研究巨系統(tǒng)，存在較大差異，達主要有兩點：
第一，研究目的不同。從控制理論角度研究巨系統(tǒng)，它所關心的是該系統(tǒng)用輸入變量能否有效地控制或獲取輸出變量，這就是控制理論意義下的巨系統(tǒng)的可控性和可觀性。為了實現(xiàn)巨系統(tǒng)的可控性和可觀性，首先必須研究巨系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所謂穩(wěn)定性，不僅指系統(tǒng)在輸入變量作用下的可達性，而且還指系統(tǒng)具有抗干擾能力。因此，從控制理論角度研究巨系統(tǒng)，實質(zhì)上是解決如何實現(xiàn)和保持某個穩(wěn)定狀態(tài)問題。但是，從人體科學角度研究巨系統(tǒng)，其視野更為廣闊。它所關心的不僅是某個穩(wěn)定狀態(tài)，更關心的是如何從現(xiàn)有穩(wěn)定狀態(tài)經(jīng)過不穩(wěn)定狀態(tài)，再進入一個新的穩(wěn)定狀態(tài)，也即實現(xiàn)人體功能態(tài)的轉(zhuǎn)換。因此，它的研究興趣是，穩(wěn)態(tài)一非穩(wěn)態(tài)一 新的穩(wěn)態(tài)。
第二，研究途徑不同。從控制理論角度研究巨系統(tǒng)，通常是對特定的系統(tǒng)參數(shù)(也即式(l)的矩陣A為常數(shù)）研究巨系統(tǒng)的信息輸入和信息輸出之間的關系，故只涉及兩維信息問題。但是，從人體科學角度研究巨系統(tǒng)，在某種因素作用下，不仍研究通過控制變量改變系統(tǒng)輸出，而且還研究通過人體內(nèi)部的參數(shù)變化(也即矩陣A的蠻化＞來改變系統(tǒng)輸出。因此，它是一種三維信息關系的研究。
由上不難看出，控制理論進行的巨系統(tǒng)研究，實質(zhì)上是一種“廣義的靜態(tài)研究”而人體科學進行的巨系統(tǒng)研究，卻是“廣義的動態(tài)研究”。一般認為，巨系統(tǒng)理論是繼第一代“經(jīng)典控制理論”，第二代“現(xiàn)代控制理論”之后發(fā)展起來的第三代控制理論，它的許多理論成果(如系統(tǒng)購可控性、可觀性和穩(wěn)定性等)對人體科學的巨系統(tǒng)研究有重大推動作用。但是，人體科學的巨系統(tǒng)研究，又應形成自己獨特的研究風格，并建立相應的理論體系。為此，我們必須從兩個方面進行不懈努力：第一，以現(xiàn)代科學理論為指導，建立人體科學的基礎理論，第二，以當代先進技術為手段，建立人體科學研究的實驗技術。
1。以現(xiàn)代科學理論為指導建立人體科學的基礎理論
迄今為止，眾多的現(xiàn)代科學理論，為人體科學研究提供了廣闊思路，其中最有代表性的有以下幾個：
① 協(xié)合學。它對人體科學研究的最大貢獻在于從研究戰(zhàn)略上提供了總體觀點。前已指出，人體是一個特別復雜的巨系統(tǒng)，其狀態(tài)變量數(shù)目有成千上萬。若用常規(guī)方法，想從每個子系統(tǒng)的狀態(tài)直接導出巨系統(tǒng)狀態(tài)是十分困難的，這好似想用每個分子的狀態(tài)來描述某一容積內(nèi)氣體運動的狀態(tài)一樣，既繁瑣又不現(xiàn)實。那么，又能否象氣體力學那樣，只從宏觀角度描述氣體運動，而不管其內(nèi)部分子運動的具體細節(jié)呢7這也不完全合適，因為人體各個子系統(tǒng)(無論是細胞水平或分子水平)具有高度的組織性，必須掌握每個子系統(tǒng)的運動規(guī)律，才能把握人體巨系統(tǒng)的宏觀特征，矛盾如何解決?協(xié)合學提供了一個嶄新思路。協(xié)合學認為[5，6]，自然界中的任何巨系統(tǒng)都由許多子系統(tǒng)構成，且這些子系統(tǒng)以很有規(guī)律的方式進行合作。正是這種合作，導致了宏觀空間或時間上非常確定的過程或狀態(tài)。而且，當某些外部參量改變時，其宏觀結構或功能可發(fā)生引人注目的改變。同時認為，全系統(tǒng)的性能可用一個或幾個序參量描述，也即可用少數(shù)九個自由度代替巨系統(tǒng)的眾多自由度。這“少數(shù)幾個自由度”，正是人體科學所關心的描述功能態(tài)的特征參量。因此，協(xié)合學在人體科學研究中的價值是可想而知的。
② 突變理論。它在人體科學研究中的作用主要是提供建立模型的數(shù)學手段。突變理論的實質(zhì)在于[7 ，8， 9].它試圖用形象而準確的數(shù)學模型描述客觀事物的發(fā)展規(guī)律，并從廣義上回答了為什么有的事物不變、 有的漸變、有的突變這樣一些帶普通性的問題，體現(xiàn)了數(shù)學方法從描述連續(xù)運動到描述突變運動的發(fā)展。這
種發(fā)展，正好符合人體科學研究要解決的各種功能態(tài)的轉(zhuǎn)換問題。因此，突變理論在人體科學研究中的應用，將為揭開人體現(xiàn)象的奧秘做出貢獻。
③ 穩(wěn)定性理論。它能為人體科學研究中功能態(tài)的劃分提供客觀依據(jù)。這是因為，人體巨系統(tǒng)研究的接心，是要著重解決如何從某一穩(wěn)定狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過不穩(wěn)定狀態(tài)再進入一個新的穩(wěn)定狀態(tài)的問題。該問題的解決，必須借助于穩(wěn)定性理論來研究某個狀態(tài)的穩(wěn)定與否，并為判別人體功能態(tài)是否發(fā)生了變化提供一條原則
在外因作用下，如果人體功能態(tài)在變化中經(jīng)歷的中間過渡狀態(tài)是不穩(wěn)定的則目前確定的功能態(tài)就是一種新的功能態(tài)；如果中間過渡狀態(tài)是穩(wěn)定的，則目前確立的功能態(tài)就不是新的功能態(tài)。因此，利用穩(wěn)定性理論的穩(wěn)定性判據(jù)，就可避免人們在定義功能態(tài)時的混亂和任意性。
④ 近期發(fā)展起來的幾個理論，如微分動力學、奇異吸引學、重整化群等，也都可以作為人體科學研究的借鑒?！拔⒎謩恿W”的研究對象也是巨系統(tǒng)它的研究體系基本上與系統(tǒng)理論的研究體系相吻合?！捌娈愇印钡难芯繉ο笫欠蔷€性系統(tǒng)它指出，當某種參數(shù)發(fā)生變化時.可以出現(xiàn)一種所謂混濁現(xiàn)象(也即變得雜亂和無規(guī)則)f數(shù)學家們?yōu)榇巳《∫粋€怪名，叫“奇異吸引子”，空是研究復雜系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的奇異現(xiàn)象。重整化群”理論起源于量子場論。通常對一個復雜系統(tǒng)，要研究它的統(tǒng)計性質(zhì)，從數(shù)學上是不容易的，如何處理T這就可以借鑒“重整化群”理論。
⑤ 充分理解和利用現(xiàn)代醫(yī)學和生物學的新成就，開展新的整中性人體科學研究。
⑥ 中醫(yī)、氣功和人體特異功能的理論與實踐，是開展人體科學研究的鑰匙[3]，中醫(yī)理論的最精華之處在于，它用整體現(xiàn)、系統(tǒng)觀來觀察和闡述人體現(xiàn)象；不足之處是尚未客觀化規(guī)范化和定量化，經(jīng)驗的東西比較多。但是如果把醫(yī)學理論與現(xiàn)代的西方醫(yī)學結合起來，就能極大推動人體科學研究的發(fā)展當然，這種中西
醫(yī)結合并不是做簡單的加法，而是要對中醫(yī)理論和西方醫(yī)學進行去粗取精，去偽存真的“揚棄”，在更高的一個層次上結合，匣人體科學研究既見樹木，又見森林，從而揭示人體現(xiàn)象的各種奧秘。
總之，只要把人體科學研究與當代科學的最前沿聯(lián)系起來，就有可能盡早建立人體科學的基礎理論，指導和推動人體科學研究的蓬勃發(fā)展。
2，以當代先進技術為手段建立人體科學研究的實驗技術
當代科學技術的蓬勃發(fā)展，為人體科學研究提供了各種技術手段，其中最主要的是信息技術和系統(tǒng)辨識技術。錢學森同志曾把這兩種技術稱為人體科學研究的兩個法寶。
① 信息技術。要了解人體的實際狀態(tài)，就必須采用信息技術。一般認為，材料、能量和信息是當代科學技術賴以生存的三大支柱。對人體科學研究來說，一點也不例外。前已指出，人體科學涉及控制信息、參數(shù) 信息和輸出信息等三維信息問題，故信息技術的應用就特別重要。
通常，信息技術包括信息測量、信息貯存、信息提取、信息傳輸和信息顯示等內(nèi)容，其中最重要的是信息測量相信息提取兩個環(huán)節(jié)，這在人體科學研究中顯得更為突出。
為了解決人體各種信息的測量問題，首先應研制必要的測量儀器，而且還必須以無損傷測量為主。這是因為；人體科學的實驗對象是人。用人做實驗與用動物大不一樣，要盡量避免或減輕被試者的損傷和痛苦。一切生理參數(shù)的測量都應力求做到這一點。當然．曰前的生化測量(如血液化驗)還存在一定困難，今后應努力解決。
信息提取問題，是人體科學研究面臨的另一太難題。人體巨系統(tǒng)不但結構復雜，且參數(shù)眾多。如果測量了很多數(shù)據(jù)，不能用正確的方法從中提取有用信息，有時會誤入歧途。我們要研究和提取有關人體狀態(tài)的各種精確信息。例如，式(l）中的矩陳A是關予人體巨系統(tǒng)的參數(shù)信息，矩陣五是關于輸入“窗口”的信息，矩陣C是關于輸出“窗口”的信息，只有精確掌握這三種信息，才能揭示人體現(xiàn)象的活動規(guī)律。
② 系統(tǒng)辨識技術。它為人體科學研究的綜合數(shù)據(jù)分析提供手段。所謂系統(tǒng)辨識，是以輸入、輸出為基礎，從一類可能的系統(tǒng)中確定某一系統(tǒng)，它與披測系統(tǒng)是等價的。按照這種定義，可以規(guī)定一類系統(tǒng)，它的元素稱為模型，被測系統(tǒng)稱為被測過程，模型和過程的等價是按給定判據(jù)來評定。顯然，系統(tǒng)辨識技術非常
符合人體科學關于功能態(tài)變化研究的需要，只要在選定控制變量條件下通過人體實驗獲得相匝數(shù)據(jù)，就能對功能態(tài)模型(包括人體巨系統(tǒng)的結構和參數(shù))加以確定，并使模型輸出與人的實際行為等價，從而展現(xiàn)人體各種功能態(tài)的概貌。
可以深信，在科學技術迅猛發(fā)展的今天，只要用辯證唯物主義的、系統(tǒng)觀與還原觀相結合的哲學思想為指導，并以系統(tǒng)科學思想為依據(jù)，我們就一定能在人體科學研究領域內(nèi)有所發(fā)現(xiàn)，有所發(fā)明，有所創(chuàng)造，有所前進。我們現(xiàn)在所處的時機非常好。人們也許不會忘記，一般系統(tǒng)論是出自一位從事理論生物學研究的
科學家馮·貝塔朗費之手，時至今日，當系統(tǒng)科學已比當年的一般系統(tǒng)論大大發(fā)展并日趨完善之際，它對人體科學研究的推動，必將帶來新的認識上的飛躍。所以，充分運用現(xiàn)代科學技術的輝煌成就，定能揭示人體巨系統(tǒng)的發(fā)展變化規(guī)律，從而促進人體科學研究的蓬勃發(fā)展。
〔1] 錢學森．《哲學研究》l，(1979） 1。
〔2] 錢學森，《自然雜志》． 4， 1〔l981) 1。
[3] 錢學森．《自然雜志》 4.7(1981）483。
〔4) 陳信、龍升照《論文匯編(三)》航天醫(yī)學工程研究所〔1981l)1。
[5) H 哈肯． 《自然雜志》1 4(1978)323。
[6) H．哈肯；《協(xié)同學導論》西北工業(yè)大學科研處(1981)
〔7) Postom T， CofoefrW 7rA— od rfo JMroffon( 19r的。
[8〕 Sanders P T． Jn JnfroducfioK fo CotacfropAe TAeory〔1980)．
[9〕 金觀濤等．《自然辯證接通迅》， 4(l98O) l8。
[10] 錢學森、宋健 〈〈工程控制論〔新版)〉〉．科學出版社。
[11] 涂序彥 〈〈自動化〉〉． 1( 1977)。
[12) Von Bertalanffy L.,General System Theory,〔1968)
