1、隨著人們對客觀事物認識的不斷加深，已經不再滿足于停留在易解問題的領地，這其中在生命科學領域的復雜性研究又受到了許多跨學科學者的關注。

(資料圖片僅供參考)

2、筆者綜述了復雜性的概念、生命科學中的復雜性極其復雜性研究。

3、 關鍵詞 生命科學；復雜性科學；生物復雜性 復雜性科學的概念誕生至今已經20多年，這期間有大批學者從不同的領域入手展開了卓有成效的探索。

4、人們希望更全面深入地從客觀世界事物的整體與部分以及層次關聯在時空演化的全程描述角度來研究支配客觀事物運行的基本規律，建立起新世紀科學技術發展的理論基礎，以指導新的發展實踐。

5、 這其中在生命科學領域的復雜性研究又受到了許多跨學科學者的關注，也有人將其稱之為生物復雜性（biocomplexicity）研究，生物復雜性科學主要探索在一些傳統學科間交叉的問題。

6、準確地說，是尋求以定量和整合的途徑來深入了解各種生命系統之間復雜的相互作用，其中既包括生物的、行為的、化學的和物理的相互作用，也包括生態的、環境的和社會的綜合作用等［1］。

7、 1 復雜性科學研究的概念和范疇 復雜性的定義是相對于簡單性而言的，簡單性一向是現代自然科學、特別是物理學的一條指導原則。

8、許多科學家相信自然界的基本規律是簡單的。

9、還原論的基本思想也就是找出復雜現象或事物背后的簡單機制。

10、事實上一些復雜的事物或現象，其背后確實存在簡單的規律或過程。

11、 關于復雜性的概念并沒有一個統一的說法，而是根據研究的對象有不同提法，比如，從熵的角度：復雜性等于熱力學測定的一個系熵和無序；信息的角度：復雜性等于一個系統使一個觀測者“驚奇的能力”；分形尺寸：一個系統的“模糊狀況”，即在越來越小的尺寸上顯示的詳細程度；有效的復雜性：一個系統顯示“規律性”而不是隨機性的程度；體系復雜性：由一個體系結構系統的不同層次所顯示的多樣性；語法的復雜性：描述一個系統所需要的語言的普遍性程度；熱力學深度：將一個系統從頭組織在一起所要的熱力學資源的數量；時間計算上的復雜性：一部計算機描述一個系統或解決一個問題所需要的時間；空間計算上的復雜性：一部計算機描述一個系統或解決一個問題所需要的存儲量［2］；等等。

12、 從20世紀30年代系統科學開始興起，人們逐漸認識到系統大于其組成部分之和，系統具有層次結構和功能結構，系統處于不斷地發展變化之中，系統經常與其環境（外界）有物質、能量和信息的交換，系統在遠離平衡的狀態下也可以穩定（自組織），確定性的系統有其內在的隨機性（混沌），而隨機性的系統卻又有其內在的確定性（突現）。

13、 復雜性科學往往研究的是復雜性系統，復雜系統主要有以下表現：（1）系統各單元之間的聯系廣泛而緊密，構成一個網絡。

14、因此每一單元的變化都會受到其他單元變化的影響，并會引起其他單元的變化。

15、（2）系統具有多層次、多功能的結構，每一層次均成為構筑其上一層次的單元，同時也有助于系統的某一功能的實現。

16、（3）系統在發展過程中能夠不斷地學習并對其層次結構與功能結構進行重組及完善。

17、（4）系統是開放的，它與環境有密切的聯系，能與環境相互作用，并能不斷向更好地適應環境的方向發展變化。

18、（5）系統是動態的，它不斷處于發展變化之中，而且系統本多對未來的發展變化有一定的預測能力。

19、 一般來說，復雜性研究的基本方法是：（1）定性判斷與定量計算相結合。

20、（2）微觀分析與宏觀綜合相結合。

21、（3）還原論與整體論相結合。

22、（4）科學推理與哲學思辨相結合。

23、 復雜科學研究中所用的理論工具：（1）非線性科學——非線性動力系統理論（穩定性和分叉理論、混沌、孤子）和統計力學（分形、標度），及非平衡系統中的復雜和隨機現象的研究；（2）計算機模擬——它是十分重要的手段，目前已廣泛用于復雜科學的研究中；（3）計算智能；（4）數理邏輯；（5）在不確定條件下的決策技術；（6）綜合集成技術；（7）整體優化技術等。

24、 2 生命科學與復雜性研究 生命科學的研究對象都是復雜系統，（具有關聯性、多樣性、自學習、自組織、開放、動態的特點），生命科學研究的系統正因為其復雜性，對其構成的原因和演化的歷程，此前均缺乏了解，也因此吸引了復雜性科學研究者的高度重視。

25、近幾十年來，對生物系統所具有的整體性、關聯性、網絡層次性、統計漲落性、內在和外在的隨機性、模糊性、開放性和歷史性等這一類復雜系統的典型特征進行了探討。

26、生物體本身的特點以及生物的進化使得人們的思維方式從單純的物理學簡單系統的研究轉變為對生物學的復雜系統的研究［3］。

27、 基因是生命遺傳的基本密碼，生物體的復雜結構和功能不僅僅是由基因決定的，也是由基因組中大量的非編碼信息和非編碼基因決定的。

28、因此生物體的復雜結構和功能不僅僅是由基因決定的，也不僅僅是由基因組中大量的非編碼信息決定的，而是由這些元素在生物體各個層次上復雜、動態的相互作用決定的。

29、 作為生命系統的指揮和協調中心—神經系統，其中樞功能結構為大腦，近十年來腦功能的科學研究是復雜科學領域中的一個熱點。

30、大腦有復雜的結構，它的組織層次按空間尺度有：分子、膜、突觸、神經元、核團、回路、網絡、層、投射、系統。

31、大腦表現出的某些高級功能是不能在較低的層次上觀察到的，其中有些是由各個單元之間的相互作用而涌現出的集體行為。

32、人們的思維規律是不斷變化的，但是最低層次的規律是不變的。

33、腦功能的復雜性首先體現在各神經子系統自身的高度非線性、不穩定性和適應性；其次體現在它們之間相互連接的非均勻性及大規模并行等特點。

34、不僅如此，即使在非常簡單的神經系統中也存在著令人驚異的復雜性，這反映在它們的功能、演化歷史、結構和編碼方式。

35、比如，單個神經元放電的時間序列包含復雜多樣的時間模式，反映了神經細胞內的復雜的動力學過程［4］。

36、腦電信號是中樞神經系統自發產生的生物電活動，它包含了豐富的神經系統狀態和變化的信息，因而在臨床和神經電生理研究中得到了廣泛的應用。

37、現在人們對EEG建立動力學模型，并研究其中的混沌現象，顯示動力學模型方法對于研究大腦正常生理和病理狀態具有的意義［5］。

38、 近年來控制領域實現和發展了腦控系統，即基于腦電信號的人機融合控制系統，直接以腦電信號為基礎，通過腦機接口來實現控制。

39、“腦控”研究涉及神經科學、計算機科學、控制科學和心理學等多學科交叉。

40、相關研究已經開發出了利用大腦的思維、通過電子接口來控制各種設施的運動狀態，并取得預期效果的“腦控技術”，這項技術在醫療等多個方面具有重要的應用價值。

41、 人工生命（Artificial Life）是近10年發展起來的一個新方向，是以進化為主要特征的復雜性研究。

42、人工生命致力于研究生命形式（并不局限于某種特定的載體）的普遍特征。

43、地球上的生命被看成是一種具有特定載體—蛋白質—的特定生命形式，地球上的生命進化也僅僅代表一種特定的進化途徑，因此可以用別的物質來構造另類載體的生命形式，賦予它們生命的特征，使其具有進化、遺傳、變異等等生命現象，得到生命的普遍行為［2］。

44、 其他如心血管系統中的心率變異性和管腔應變問題；動態病（以異常時間組織結構為特征的疾病，如周期性發熱、周期性關節腫脹等）的預防、治療和數學建模問題；生態系統的種群繁殖問題；流行病中的疾病傳染規律；生化反應的動力學過程；免疫系統中信號產生、傳遞和轉導的動力學過程等都體現了生物系統的復雜性，屬于復雜性科學研究的范疇。

45、 因為生命體的多樣性和復雜性決定了臨床醫學本身的復雜性；疾病是復雜的，不僅生命體本身病理過程復雜，而且心理、社會、環境等因素都會影響病理過程；許多復雜性疾病，如心血管疾病、癌癥、艾滋病等皆是生命體多層次、多層面因素作用的結果。

46、現代醫學是在還原論指導下對生命和疾病局部的、分離的認識，仍停留在分析和描述的水平上；所以需要借助復雜性研究方法。

47、在研究方法和觀念上有所突破。

48、 祖國傳統中醫學獨特的思維方法和對復雜系統整體狀態的把握與復雜性研究有類似的思路。

49、中醫學對人體內部的相互作用以及人體與環境的相互作用提出了眾多的命題，為現代醫學研究準備了豐富的素材，對中醫的理論體系的認識還必須運用物理學、生物學、數學、控制論、系統論等學科的最新知識。

50、 復雜性科學對我們來說是一個充滿未知的領域，研究方法上既有還原論，也有綜合論和系統論，這兩種思想正在經歷碰撞并開始出現融合的趨勢。

51、但是在研究對象上，它研究的問題并不是剛剛出現，而是因為人們認識的深度和它本身的難度，使這一類問題被擱置了起來。

52、目前，對復雜性的研究已經分別在一些學科取得了初步的進展，隨著科技的進步、人類對自然和自身認識的深化，生命科學中的復雜性問題必然會被逐步地認識和解決。

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