基于復(fù)雜性研究視野下的生物學(xué)

邢學(xué)軍

（山西財(cái)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030001）

一、復(fù)雜性研究概況

復(fù)雜性是相對(duì)于簡(jiǎn)單性而定義的。所謂的復(fù)雜性指的就是一種復(fù)雜的屬性或狀態(tài)。許多科學(xué)家相信自然界的基本規(guī)律是簡(jiǎn)單的。還原論的基本思想也就是找出復(fù)雜現(xiàn)象或事物背后的簡(jiǎn)單機(jī)制。自牛頓時(shí)代以來(lái)，經(jīng)典力學(xué)和還原論就一直是科學(xué)研究的基石。然而，還原論和決定論無(wú)法分析和恰當(dāng)?shù)亟忉審?fù)雜系統(tǒng)特征性的突現(xiàn)性質(zhì)。

上世紀(jì)三四十年代隨著系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展的不斷深化，逐漸出現(xiàn)了新的發(fā)展階段——復(fù)雜性研究。到了上世紀(jì)六七十年代自組織理論、非線性科學(xué)的興起掀起了復(fù)雜性研究的第一個(gè)高潮。[1]從上世紀(jì)八十年代至今，伴隨著協(xié)同學(xué)、軟系統(tǒng)理論、耗散結(jié)構(gòu)論、混沌理論等理論的出現(xiàn)和持續(xù)活躍，又掀起了復(fù)雜性研究的又一輪高潮，之后便產(chǎn)生了SFI和OCGS理論。

當(dāng)下，有的學(xué)者把復(fù)雜性研究主要分為三大學(xué)派：歐洲學(xué)派復(fù)雜性研究，以普里高津?qū)W派為主要代表；美國(guó)學(xué)派復(fù)雜性研究，以圣塔菲學(xué)派為主要代表；中國(guó)學(xué)派復(fù)雜性研究，主要是錢學(xué)森學(xué)派。

（一）普里高津?qū)W派

普里高津?qū)W派復(fù)雜性研究的主要特點(diǎn)是：在基礎(chǔ)科學(xué)層次上——耗散結(jié)構(gòu)論，探索復(fù)雜性，理論視角比較高；以自組織理論為其學(xué)術(shù)旗幟，他們認(rèn)為復(fù)雜性是由于自組織而產(chǎn)生；同時(shí)他們對(duì)復(fù)雜性進(jìn)行了深刻的哲學(xué)審視，提出了許多有代表性的思想。他們把自己的研究明確劃歸復(fù)雜性科學(xué)。

普里高津?qū)W派被普遍認(rèn)為是最早把復(fù)雜性研究稱為復(fù)雜性科學(xué)，并對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的論述；其次，他們還拓寬了復(fù)雜性的意義。對(duì)于復(fù)雜性傳統(tǒng)的認(rèn)識(shí)是，只有在生命水平以上的層次才會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜性，在物理和化學(xué)等領(lǐng)域出現(xiàn)的問(wèn)題根本談不上是復(fù)雜性問(wèn)題。但是，普利高津從理論層面對(duì)其進(jìn)行了反駁，并證明了，復(fù)雜性是客觀世界普遍存在的，同樣包括物理層面，而不同領(lǐng)域的復(fù)雜性之間具有顯著的差別；除此之外，“他還首次系統(tǒng)的梳理了復(fù)雜性科學(xué)的概念體系，也稱為‘復(fù)雜性詞匯’，具體包括：非線性、非平衡、近平衡、遠(yuǎn)平衡、穩(wěn)定性、自發(fā)性、不可逆性、有序、無(wú)序、反饋、突變、漲落、自組織、耗散結(jié)構(gòu)、信息等。”[2]

（二）圣塔菲學(xué)派

圣塔菲學(xué)派對(duì)世界復(fù)雜性研究產(chǎn)生了非常廣泛的影響，獲有“世界復(fù)雜性研究中樞”的稱號(hào)。該學(xué)派以圣塔菲研究所為中心，形成了一個(gè)流動(dòng)的研究群體，世界各地的復(fù)雜性研究學(xué)者都可以被吸引參與。在這里他們擁有了交流、融合、升華的機(jī)會(huì)。因此，大量的復(fù)雜性研究成果在這里涌現(xiàn)。而圣塔菲自身就是科學(xué)前沿涌現(xiàn)出來(lái)的一個(gè)復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)。它的主要貢獻(xiàn)有：發(fā)展了復(fù)雜性研究的自組織論進(jìn)路；擴(kuò)展了復(fù)雜性研究的信息論進(jìn)路；豐富了復(fù)雜性研究的生成論進(jìn)路；拓展了復(fù)雜性研究的計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)路；開(kāi)辟了復(fù)雜性研究的涌現(xiàn)論道路。[3]

（三）錢學(xué)森學(xué)派

我國(guó)開(kāi)展對(duì)復(fù)雜性研究主要是從二十世紀(jì)八十年代開(kāi)始的，研究隊(duì)伍比較龐雜，凡是國(guó)外一些大的學(xué)派，基本上都有跟蹤。但是都不成學(xué)派。所謂的中國(guó)學(xué)派，主要是指錢學(xué)森學(xué)派。錢學(xué)森對(duì)中國(guó)的復(fù)雜性研究最突出的貢獻(xiàn)有兩點(diǎn)：一是倡議和指導(dǎo)了“系統(tǒng)學(xué)討論版”的學(xué)術(shù)活動(dòng)，推進(jìn)了國(guó)內(nèi)對(duì)系統(tǒng)科學(xué)及其相關(guān)理論的深入探討；另一個(gè)是在上世紀(jì)八十年代總結(jié)并提煉了 “開(kāi)放的復(fù)雜巨系統(tǒng)”理論以及“從定性到定量綜合集成方法”的方法論。正是這一成就使得我國(guó)的復(fù)雜性研究能夠在世界上獨(dú)樹(shù)一幟，同時(shí)這也是錢學(xué)森學(xué)派在復(fù)雜性科學(xué)研究中能夠“獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，屹立群倫”的根本原因。[4]

二、從三種生物組織水平看生物系統(tǒng)的復(fù)雜性

復(fù)雜性是生物學(xué)具有的固有屬性。生物學(xué)系統(tǒng)，不論是從細(xì)胞還是到生態(tài)系統(tǒng)，都是由許多相互影響的復(fù)雜方式所構(gòu)成的。雖然我們可以獲得許多關(guān)于系統(tǒng)的各個(gè)構(gòu)成部分的知識(shí)，但是，我們卻很難獲得一個(gè)復(fù)雜的生物學(xué)系統(tǒng)的真正定量的以及整體的知識(shí)。尤其是，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)中的某一個(gè)組成部分發(fā)生改變或者是其所處的環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，我們更難以獲得這個(gè)系統(tǒng)是怎樣調(diào)整其功能的。現(xiàn)代系統(tǒng)論之父馮·諾依曼早就說(shuō)過(guò)，“闡明復(fù)雜性和復(fù)雜性概念應(yīng)當(dāng)是二十世紀(jì)科學(xué)的任務(wù)，就像十九世紀(jì)的熵和能量一樣?！盵5]

對(duì)于生物學(xué)而言，目前為止最成功的、最有效的研究方法依舊是還原論思想指導(dǎo)下的描述性的研究方法。然而，當(dāng)面對(duì)大量的有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息時(shí)，這種方法就有可能會(huì)面臨計(jì)算機(jī)科學(xué)中所講的NP——complete問(wèn)題，同時(shí)也不會(huì)對(duì)整體視野下復(fù)雜現(xiàn)象的定量解釋有所幫助。但是，復(fù)雜性理論的出現(xiàn)對(duì)還原論的假定提出了質(zhì)疑。它提出了新的概念框架，并且希望能夠引導(dǎo)科學(xué)范式的遷移。

生物的復(fù)雜性體現(xiàn)在各個(gè)方面，而我們主要從以下三種生物組織水平上——細(xì)胞、中樞神經(jīng)系統(tǒng)以及自然生態(tài)系統(tǒng)，去體驗(yàn)生物系統(tǒng)中的復(fù)雜性問(wèn)題研究。

（一）細(xì)胞系統(tǒng)

細(xì)胞是整個(gè)生物體系中復(fù)雜的一個(gè)系統(tǒng)。若干年來(lái)，科學(xué)家們?cè)谶€原論方法論思想的指導(dǎo)下，利用不斷革新的生物技術(shù)通過(guò)對(duì)某個(gè)基因、某個(gè)蛋白質(zhì)或者是某個(gè)生物化學(xué)過(guò)程進(jìn)行細(xì)致的分析和研究，使得生物學(xué)的分子領(lǐng)域取得了劃時(shí)代的成就。我們也了解了許多關(guān)于基因及其產(chǎn)物如何運(yùn)作的知識(shí)。但是，細(xì)胞是一個(gè)小而全的功能單位。我們只有綜合細(xì)胞中所有基因及其產(chǎn)物的知識(shí)，才能知道細(xì)胞作為一個(gè)整體是如何工作的。這種“綜合”也已經(jīng)開(kāi)始研究。例如，當(dāng)不同的基因決定產(chǎn)物的序列時(shí)，一些信號(hào)通道的反應(yīng)就可以被人們所預(yù)測(cè)。然而，這其中許多通道都是相互聯(lián)系的，并且還會(huì)有多種調(diào)控步驟的層疊，同時(shí)又會(huì)有許多反饋步驟包含于這些多種調(diào)控步驟的層疊之中，這就使得人們對(duì)一些反應(yīng)的預(yù)測(cè)變得尤為困難。細(xì)胞內(nèi)絕大多數(shù)的情況都是相互聯(lián)系的。為了從整體上把握這種相互聯(lián)系，我們必須找到一個(gè)方法去對(duì)細(xì)胞內(nèi)的許多組分和產(chǎn)物的等級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分門別類，判定這些組分和產(chǎn)品如何相互影響和被控制，認(rèn)識(shí)多數(shù)細(xì)胞過(guò)程如何適應(yīng)環(huán)境條件的變化以及對(duì)變化的條件作出反應(yīng)。[6]

（二）中樞神經(jīng)系統(tǒng)

作為生命系統(tǒng)的指揮和協(xié)調(diào)中心——神經(jīng)系統(tǒng)，其中樞功能結(jié)構(gòu)為大腦，近十年來(lái)腦功能的科學(xué)研究是復(fù)雜科學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)。大腦的結(jié)構(gòu)十分的復(fù)雜。按照空間尺度，它的組織層次可分為：分子、膜、突觸、神經(jīng)元、核團(tuán)、回路、網(wǎng)絡(luò)、層、投射、系統(tǒng)。在較低的層次上是無(wú)法觀察到大腦所表現(xiàn)出來(lái)的某些高級(jí)功能的。因?yàn)椋@些高級(jí)功能之中有些是由各個(gè)單元之間的相互作用而涌現(xiàn)出的集體行為。人的思維規(guī)律雖然是不斷變化的，但是在最低層次的客觀規(guī)律是不會(huì)變化的。腦功能的復(fù)雜性首先體現(xiàn)在各神經(jīng)子系統(tǒng)自身的高度非線性、不穩(wěn)定性和適應(yīng)性；其次體現(xiàn)在它們之間相互連接的非均勻性及大規(guī)模并行等特點(diǎn)。不僅如此，即使在非常簡(jiǎn)單的神經(jīng)系統(tǒng)中也存在著令人驚異的復(fù)雜性，這反映在它們的功能、演化歷史、結(jié)構(gòu)和編碼方式。比如，單個(gè)神經(jīng)元放電的時(shí)間序列包含復(fù)雜多樣的時(shí)間模式，反映了神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)的復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。[7]

（三）生態(tài)系統(tǒng)

地球生態(tài)系統(tǒng)被定義為生物和其非生物環(huán)境的整合，包含著一種人類和自然界之間存在一個(gè)強(qiáng)烈的反饋?zhàn)饔茫且环N典型的復(fù)雜系統(tǒng)。人們一直試圖了解群落和生態(tài)系統(tǒng)水平上的復(fù)雜性與穩(wěn)定性之間的關(guān)系。在這里，人們把生態(tài)系統(tǒng)看做是一種處于混沌的邊緣或臨界態(tài)的適應(yīng)性復(fù)雜系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用構(gòu)成了其有序化、自組織及復(fù)雜化的主要?jiǎng)恿?。這里生態(tài)系統(tǒng)被看作一種適應(yīng)性復(fù)雜系統(tǒng)，處于混沌的邊緣或臨界態(tài)。其內(nèi)部作用是生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜化、有序化及自組織的主要?jiǎng)恿?。例如，史密斯森熱帶研究所（STRI）的Klaus Ruetzler領(lǐng)導(dǎo)的研究組對(duì)紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)中微生物與營(yíng)養(yǎng)成分之間的相互關(guān)系的研究。他們利用Carrie Bow珊瑚礁島上海洋定位站的大量資料，對(duì)伯里茲、佛羅里達(dá)和巴章馬的長(zhǎng)期定位觀察所取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了非線性分析。他們的結(jié)果說(shuō)明了紅樹(shù)林群落內(nèi)部和群落之間的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分布并非是均勻的；土壤的肥力從氨到磷沿狹窄的空間梯度變化；人為的營(yíng)養(yǎng)富集是主要因子。最后，這項(xiàng)研究說(shuō)明了自然、農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖和城市污染源的變化對(duì)紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)中各成分之間脆弱平衡的影響程度，也說(shuō)明了網(wǎng)絡(luò)分析方法有助于綜合相關(guān)學(xué)科的發(fā)現(xiàn)以及模擬生物的復(fù)雜性。[8]

三、結(jié)語(yǔ)

科學(xué)研究的最終目的是為了理解自然世界。自牛頓時(shí)代以來(lái)，科學(xué)研究的基礎(chǔ)一直被還原論和經(jīng)典力學(xué)所占據(jù)?？茖W(xué)家們無(wú)論是在認(rèn)識(shí)論的層面還是在本體論的層面都選取了還原論的方式，試圖將世界的復(fù)雜性通過(guò)還原，并對(duì)其還原的最簡(jiǎn)單的組分的分析來(lái)得以解決。上個(gè)實(shí)際五十年代，分子生物學(xué)的研究逐漸增多。生物學(xué)家們也都是利用還原論的方法，通過(guò)對(duì)生物系統(tǒng)的還原并對(duì)其還原組分的物理和化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析來(lái)解釋生物系統(tǒng)。在分子生物學(xué)研究范式的指引下，生命科學(xué)取得了巨大的進(jìn)展。正如DNA雙螺旋模型的創(chuàng)立人之一克里克（1916—2004）所說(shuō)，“現(xiàn)代生物學(xué)研究的終極目標(biāo)是用物理和化學(xué)原理解釋所有生物現(xiàn)象”[9]。在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，生物學(xué)的發(fā)展籠罩在一種還原論的思想下。然而，自上世紀(jì)末以來(lái)，基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)以及生物信息學(xué)等生物學(xué)學(xué)科逐漸興起并興盛。這使得一場(chǎng)深刻的革命在生物學(xué)領(lǐng)域開(kāi)始發(fā)生。很多生物學(xué)家開(kāi)始逐漸認(rèn)識(shí)到還原論的局限性，都認(rèn)為復(fù)雜的生物系統(tǒng)需求一種新的研究范式的誕生。而復(fù)雜性理論恰好就可以提供這一新的概念理論。

對(duì)生物學(xué)的復(fù)雜性研究，從方法論上彌補(bǔ)了以前的單一的還原論模式，從方法論上為生物學(xué)的研究指出了新的道路，使生物學(xué)的發(fā)展由以前的還原論與決定論，走向了新的整體論。盡管，復(fù)雜性研究為生物學(xué)的研究指出了一個(gè)新的方向，但是到目前為止，生物復(fù)雜性研究還僅僅是一個(gè)開(kāi)端。生物復(fù)雜性研究所面臨的基礎(chǔ)理論框架的建立、跨越多個(gè)生物系統(tǒng)的普遍量度、生物復(fù)雜性研究數(shù)據(jù)的、不確定性、彈性和脆弱性、系統(tǒng)分析與分子技術(shù)融合的信息處理問(wèn)題等等將會(huì)是21世紀(jì)生物復(fù)雜性研究的新的挑戰(zhàn)。

[1]郝伯林.復(fù)雜性的刻畫與“復(fù)雜性科學(xué)”[J].科學(xué)，1999（3）：3-8.

[2]尼科里斯·普利高津：探索復(fù)雜[M].羅久里等，譯.成都：四川教育出版社，1986：45，147.

[3]苗東升·復(fù)雜性研究的成就與困惑 [J].系統(tǒng)科學(xué)學(xué)報(bào)，2009 年（1）：26-32.

[4]馮國(guó)瑞.獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，屹立群倫——評(píng)錢學(xué)森著《創(chuàng)建系統(tǒng)學(xué)》[J].中國(guó)工程科學(xué)，2002（8）：8.

[5]李海濤.新世紀(jì)的挑戰(zhàn)——生物復(fù)雜性研究[J].世界科技研究與發(fā)展，2000（6）：64-65.

[6]李海濤.新世紀(jì)的挑戰(zhàn)——生物復(fù)雜性研究[J].世界科技研究與發(fā)展，2000（6）：66-67.

[7]郝伯林.復(fù)雜性的刻畫與“復(fù)雜性科學(xué)”[J].科學(xué)，1999（3）：3-8.

[8]王莉.生物復(fù)雜性研究動(dòng)態(tài) [J].生物多樣性，2002（2）:238.

[9]Crick F H C.Of molecules and men[M].Washington：University of Washington Press，l966.