还原论、非线性与医学（6）
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1．生物以负熵为食——薛定谔
从上世纪五十年代开始，比利时化学家普利高津以“B-Z反应”为出发点，对“自组织”现象进行了深入分析，在此基础上构建了一套用于描述自组织一般规律的“耗散结构理论”，并因此获得了1977年诺贝尔化学奖。
要理解“耗散结构理论”就必须简单介绍一下物理学中“熵”的概念。
“热力学第二定律”是物理学一个极为重要的基本定律，这个定律告诉我们：任何一个与外界封闭隔绝的系统，它自身演化的结果必然是越来越无序，越来越混乱。
我们从生活中的一些小例子就可以形象的理解这个问题，例如将黑白两种颜色的沙子放在瓶子中轻轻摇晃，一开始沙子会黑白分明，但慢慢它们会逐渐变得混乱，最终难分黑白。再如你居住的卧室如果从不进行整理，袜子衣服换下后就随手乱扔，那么用不了一个月，你的房间就一定会变成混乱不堪的大垃圾堆。
“熵”就是物理学中专门用于描述事物“混乱”程度的物理量，一个物体的无序程度越高，它的“熵”值就越大。按照“热力学第二定律”的描述，任何一个封闭的系统必然越来越混乱，这就意味着它的“熵”总会自发的不断增大。因此“热力学第二定律”又被称为“熵增原理”。
“熵”一旦出现就将永恒存在，因此世界上的“熵”将越来越多，整个世界会变得越来越混乱。克劳修斯是“熵增原理”的发现者之一，他就据此提出了“宇宙热寂说”，认为整个宇宙的熵值将趋近于无穷大——也就是趋于无限的混乱无序，那时宇宙将变成一个没有任何有形物质，没有任何宏观运动的永恒寂灭的世界。尽管很多人不愿意接受热寂说，但它至今仍是一个无法被驳倒的理论。
虽说世界确实会变得越来越混乱，但世界上出现生命这样有序的结构，并且这种有序结构能够自发由低级走向高级，由简单走向复杂，并不与“熵增原理”矛盾。
因为“熵”具有可以转移的性质，它可以从一个物体转移到另外一个物体，如果一个系统能将自身产生的“熵”不断转移到外界，那么就能始终保持有序的状态——对于整个世界而言“熵”在增加，但局部区域却可能会出现“熵”减少的情况。
自组织现象可以使事物保持高度有序的结构，那么它就必须千方百计将自身的“熵”转移到周围环境中去，而这种转移过程只有在它与外界的物质、能量的交换中才能完成。所以普利高津“耗散结构理论”的核心观点就是：
自组织系统必须是开放系统，它必须不断从外界获取能量或物质，经过利用后又不断释放到外界环境中去（这也是“耗散结构”这一名称的由来），只有在与外界的交换过程中，系统才能维持有序结构。
以“贝纳德”花纹而言，液体需要不断从容器底部吸收热量，从液体上表面将热量散发出去，任何一个过程终止，有序结构都会随之消失。同样，对于B-Z反应而言，要想让化学振荡或者化学波维系下去，一方面要不断向容器中补充反应物质，另一方面要有反应产物不断从溶液中挥发出来。
这一结论对生物学与医学的启示无疑是多方面的，它为我们思考生命现象、理解疾病发生原因提供了一条 “自上而下”的思考方式。
2. 六府者，所以化水谷而行津液者也——《灵枢•本藏》
“耗散结构理论”告诉我们，与环境保持物质能量交换是自组织系统存在的必备条件，因此是生命存在的第一要义。
沿着这个思路可以推论，当生命体与外界的物质交换发生了障碍必然导致机体内部功能的紊乱。虽说对于不同个体、不同发病机理，功能紊乱的表现会完全不同，但我们可以根据“耗散结构理论”的思想预言，如果机体与外界的交换障碍不消除，那么单纯针调节内部功能的治疗措施无法使人体机能恢复正常。
例如，尿液是人体排出代谢废物的重要途径，肾功能衰竭的病人无法形成尿液，就会发生电解质平衡紊乱、酸碱平衡失调，由此会引发心律紊乱、高血压、肌肉痉挛、昏迷、出血、感染等一系列并发症，无论引发肾衰竭的原因是什么，也无论肾衰竭产生了什么样的并发症，如果无法正常形成尿液，都难以彻底纠正人体机能的紊乱状态。
再如，排出粪便是人体排泄的重要途径，由于肠道具有很强的容纳粪便的能力，所以短期的便秘、排便障碍并不会引发太大问题。但长期便秘会促使肠道中的内毒素等有毒物质向体内移动，由此会引发一系列问题，如人体更容易发生炎症反应、神经系统的兴奋性会提高，由此会导致记忆力下降、失眠、内分泌紊乱等一系列问题。尤其在急性疾病中，肠道梗阻会使器官功能衰竭的过程大大加速（这在《螣蛇白虎》一章中已经进行了详细介绍）。
从农村一种消灭老鼠的方法，就可以看到排便障碍对健康的巨大损害作用。有的地区流传一种很残忍的灭鼠方法，抓到一只老鼠之后用黄豆塞到它的肛门中，然后将它放走。老鼠回到窝里不久会因无法排便而狂躁不已，疯狂攻击同类，将其它老鼠咬死。
站在“耗散结构理论”的高度，就很容易理解各种途径的排泄障碍都必然带来机体功能的严重紊乱。虽然无法具体预言排泄障碍会使人体产生哪些具体生理改变，但“耗散结构理论”从宏观、整体的角度提示我们：在疾病的诊治过程中，应该高度关注人体与外界的物质能量交换的通道是否通畅。
然而在还原论背景下成长起来的西方医学，早期并未意识到排泄障碍在疾病发展过程中的重要意义。直到二战以后，西方急救医学才从临床中摸索到，如果外伤、感染引起肾功能衰竭时，必须采取促进尿液生成的措施。而现代医学认识到维护肠道功能在危重症救治中的核心意义，也不过才三十多年的时间。
而且这些观点都是零零星星从临床实践中摸索出来的，至今西方医学也未能从人体与环境物质交流关系的高度，形成一套指导临床治疗的理论。
然而在中医当中，我们可以发现从《黄帝内经》开始，人体与外界的物质交换关系就倍受关注，始终贯彻在临床诊治过程中，并且《黄帝内经》对这一关系的论述，与“耗散结构理论”的认识有着异曲同工之妙。
为了说明这个问题，就要让我们先了解一下中医理论中“六腑”的概念。
“六腑”是《黄帝内经》体系的核心概念之一，它包括了胃、大肠、小肠、膀胱、胆五个具体的器官，还包括一个难与现代医学概念直接对接的“三焦”。按照《黄帝内经》的描述，“三焦”的功能主要是负责水液的代谢：“上焦”与汗液的形成有密切关系，“中焦”负责水液和营养物质的吸收，“下焦”则与尿液的形成紧密相关。
人体与外界发生物质交换的途径，除了呼吸以外，不外乎从消化道中获取水分和营养物质，再从尿液、粪便、汗液中将代谢废物排出。有趣的是，“六腑”这个概念正好的概括了呼吸以外的所有这些途径：
胃、小肠、大肠负责消化与吸收（中焦的功能也涵盖在肠胃的吸收功能之中）；下焦与膀胱涵盖了尿液形成与排出；上焦的功能是负责汗液的形成；大小肠则与粪便的形成排出直接相关，而胆囊排出的胆汁可以将肝脏产生的代谢废物带走，并在肠道中将粪便染黄。
可见，“六腑”准确概括了除呼吸以外，人体与外界物质交换的所有通道，不多不少。
以“六腑”这个概念为基础，《黄帝内经》提出了一个极为重要的医学思想：保持“六腑”的洁净通畅是人体维系健康的必备条件，如《灵枢•天年》所说：“六腑化谷，津液布扬，各如其常，故能长久”，后世医家则将这一观点概括为“六腑以通为用”，即治疗疾病时，应当让病人保持“六腑”的通畅。
这也许是古人的智慧，也许只是巧合，但毋庸质疑的事实是：“六腑”承担了呼吸以外的所有物质交换功能，而《黄帝内经》则将六腑的通畅视为了人体健康的必备条件，这正与“耗散结构理论”的基本观点不谋而合。
“六腑以通为用”思想十分具体的贯彻在中医的诊疗行为中。张景岳编写的“十问歌”是中医医生的基本功，它概括了医生面对病人时最需要关注的十个问题，其中问汗、问大小便、问饮食这三个直接与“六腑”功能相关的问题被列在了前五位。
在疾病治疗中，《素问•标本病传论》明确提出，面对发病机理复杂的疾病，如果病人出现了大小便不通的情况，首先就应该考虑通利大小便，然后再处理其他的问题。
在具体治疗方法上，“汗、吐、下”是中医治疗实证的“三大法”，“汗法”即让病人发汗，通常在外感疾病初期病人汗液不能正常排出，或者水液代谢发生障碍、身体出现浮肿时使用。“吐法”即让病人呕吐，通常在病人因为痰液等呼吸道分泌物影响心肺功能，或者胃中积留宿食、影响消化功能时使用。“下法”则指通利大小便。从这些治疗方法的机理来看，主要目的都是解除机体与外界环境的物质交换障碍。
围绕“汗、吐、下”三大法，中医在几千年的医学实践中发展出了许多具体的治疗方法，以通利大便为例，根据病人体质、发病原因等条件不同，中医就将药物排便的方法分为了“寒下、润下、温下、攻补兼施”等多种情况，并且还有很多依靠针灸、推拿进行辅助治疗的手段。
可见，中医不仅在理论上有“六腑以通为用”这样概括了人体与外界物质交换重要性的论述，在战略上始终高度关注着人体对饮食的摄取和代谢废物的排泄过程对健康的影响，同时在处理人体与外界物质交换障碍的具体方法上，即确立了大的治疗法则，也摸索出了极为丰富的“技战术”技巧。
《黄帝内经》从古代的哲学观念出发，用整体思维的方法获得了对人体与外界环境关系的正确认识，并且这种整体观念在数千年医学发展中，非常具体的贯彻到了医疗行为之中。
但是，毕竟中医理论的这种整体观念还停留在哲学层面，对于外界环境如何“自上而下”的影响到人体健康，具体一点，尿液、粪便、汗液的排泄障碍具体使哪些生理机能发生改变，这些改变又怎样影响了人体健康，中医理论没有办法说清楚。
相比之下，现代医学一旦开始重视外界环境对人体内部机能的影响，它就可以迅速研究清楚这种由外到内的生理改变是怎样实现的，就能将“竹蜻蜓”发展为“直升机”，将原始的医学原理改造为严谨的医学理论，从而产生许多新的医学发现。
另一方面，中医围绕“汗吐下”三大法则摸索出的大量治疗手段，虽说这是一个极为丰富的医药学“宝库”， 但是在传统的传承方式下，这些手段大多要依靠师徒间的口传心授，对它们的适用条件、剂量大小，大多都没有规范的表述，这使得它们难以被推广传播；治疗机理的模糊，也使得这些治疗手段难以被优化。
在整体观念的指导下，中医数千年的医学实践无疑为我们留下了一笔丰厚的医学遗产，但我们需要将这笔宝贵的财富进行挖掘整理，逐渐将其与现代科学融为一体，这才能更好的造福于人类。
还原论、非线性与医学（7）
1.自组织现象的单个组元好像由一只无形之手将其安排起来，但相反，正是这些组元的相互协作才创建出这只无形之手——哈肯
“无形之手”是现代经济学鼻祖亚当•斯密发明的概念。
他认为市场经济仿佛一位神灵，它能把各种资源有效的配置到适当的地方。考察每个个人和企业在市场中的行为，无非是自私的为自己谋取最大利益，我们看不到有人在发号施令，但在宏观上资本、原材料等资源确实被一股无形的力量配置到需要它们的地方，仿佛一只无形的大手在起作用。
“无形之手”这个概念被其他很多领域借用。企业家把企业文化比喻为维持企业发展的无形之手，社会学家把民主比喻为社会进步的无形之手，政治经济学家把生产力比喻为推动社会变革的无形之手……
观察自然与社会现象时人们总会产生这样的感受：事物的发展似乎总被某种巨大无形的力量主宰，但深入考察事物运行的每一个环节时，却找不到这股无形力量的踪影。于是人们就喜欢用“无形之手”来形容这种“其中有真意，欲辨已忘言”的模糊感受。
二十世纪七十年代德国物理学家哈肯创立的“协同学”，终于从研究自组织现象的方程堆里，找到了一条可以表述“无形之手”这个模糊概念的客观途径。
“协同学”与普利高津的“耗散结构理论”一样，都是对自组织现象的研究过程中形成的，只不过普利高津的切入点是B-Z反应，哈肯则是从激光现象开始入手。（激光发生器能够使没有直接关联的大量原子发生相同的电子跃迁运动，从而产生频率、相位、传播方向高度一致的光束，这种自发形成的有序过程也是典型的自组织现象）。
哈肯与普利高津对自组织现象的认识有很多共通之处，以至于他们都相互把对方的理论作为自己学说的一部分。但是二者的侧重点各有不同，“耗散结构理论”侧重于讨论一个系统出现自组织结构必须具备的条件，尤其强调系统与外界环境物质能量交换的重要性。而“协同学”则主要从自组织演化的数理方程中，找到了主宰自组织行为的某些普遍规律。
面对物理、化学中的复杂现象，科学家最常规的研究方式就是将一个大的系统“千刀万剐”，分割成无数基本单位，依据每个基本单位的物理化学性质建立数理方程，然后对方程求解以获得对整个系统行为的认识。
就拿“贝纳德花纹”来说吧，这是由于温度不均匀引起的液体对流现象，物理学家需要将流动的液体划分为无数的液体“微团”，根据“微团”的物理性质，为每一个微团构建一个运动方程。
当然最后必然会得到一个极为庞大复杂的方程组，但原则上只要把这些方程求解出来，我们就可以了解“贝纳德花纹”的全部行为，这也是一种典型的“还原论”思维。
然而哈肯对这种思维方式是这样评价的：
“采用这种方法的研究者，其体验可能很像得到一辆玩具车的小孩。小孩想知道，汽车为什么会跑，就把它拆成各个零件。一般来说，这是他不难做到的。但我们往往看到他坐在一摊部件面前哭鼻子，因为他还是搞不清汽车怎么会跑的，他也没法将那些零件拼成一个有意义的整体。因此他小小年纪就体会到一句箴言的含义：部分大于整体之和。”
具体到“贝纳德”这个例子中，它出现了复杂的蜂窝状花纹，这意味着描述它的庞大方程组必然是数学家们极为头痛的“非线性”方程，在绝大多数情况下这类方程都无法求解，也就无法根据方程阐明“贝纳德”现象的演化机制。
可见，在科学家们对微观个体的规律已经了如指掌的情况下，却由于在数学方法上遇到了巨大屏障，无法获得对事物宏观行为的认。——按哈肯的说法就是小孩没法把拆散的汽车重新组装起来。
哈肯对自组织现象研究的一大贡献在于，他从宏观思维的角度出发，提出了一种简化复杂方程组的有效方法。
他认为对于自组织现象而言，复杂方程组中那些多如牛毛的变量并非具有同等的重要性，往往只有很少几个变化缓慢的宏观变量决定系统的行为，而微观个体自身的运动规律通常可以不用考虑，可将它们视为在宏观变量的支配与驱动下的被动运动。
哈肯将此称为“支配原理”（或称“役使原理”），将那少数几个决定系统行为的宏观量称为“序参量”。
有了这个原理，科学家们面对参量众多、规模庞大的方程组，就可以大刀阔斧将那些变化较快的（通常是微观的）变量消去，把它迅速简化成为描述少数几个“序参量”的方程——利用“支配原理”，那道难以逾越的数学屏障就轻松消除了。
2.
虽说“支配原理”涉及非常专业的数理方程的处理方法，但是“支配原理”背后却蕴含着极为深刻的哲学意义。
哈肯将“序参量”喻为“无形之手”，因为它在宏观上决定着自组织系统的运动，仿佛有自己独立的行为。同时在微观下它又支配着每一个微观个体。但如果深入到系统的微观结构去寻找它时，会发现这只主宰着自组织行为的“手”消失得无影无踪，只有考察微观个体的整体行为才能发现它的存在。
哈肯在一本介绍“协同学”的书中，为了让读者形象的理解“协同学”的基本原理，举了一个例子：
在圆形的溜冰场中（原书是用游泳池，但笔者认为用溜冰场更为形象），人们往往都围绕者溜冰场的中心转圈。没有人指挥溜冰者应该顺时针转还是逆时针转。但我们往往会发现溜冰场开场不久之后，绝大多数溜冰的人总是会不约而同的选择同一个方向运动。
溜冰者本来是做没有固定方向的随机运动，但最终却能自发演化为有序的绕圈运动，这就具有非常典型的自组织特征。
这个例子中， 我们看不到一个有形的标示牌告诉溜冰者应该往哪个方向运动，但整个人群都仿佛在一只无形大手的指引下前进。
之所以发生这种现象，是因为一开始大家都做无序运动时，会发现相互之间磕磕碰碰，每个人都在努力回避这种磕碰。但由于某个偶然的机会，朝顺时针（也可以是逆时针）方向运动的人数略微多了一点点（这样的机会总是会存在），这会使他们旁边的人无意间发现：如果跟着做顺时针运动，会减少和别人的碰撞。
这样会有更多人加入顺时针运动的行列，使得这个队伍越来越壮大，就出现了“顺势者昌，逆势者亡”的局面，那些不做顺时针运动的人会越来越频繁的遭到别人的撞击，于是不由自主的也选择了顺时针运动。最终所有的人都会受到这个顺时针旋涡的主宰，人群在宏观上形成了有序结构。
这个宏观上的“旋涡”，就是系统的“序参量”（如果非要用一个数量来表达的话，就是参与这种旋涡运动的人数），溜冰者刚开始入场的时候，这个“旋涡”并不存在，但它偶然间产生之后，就会越来越壮大，最终成为整个溜冰场的主宰。
我们不妨夸张一点，把这个“旋涡”比喻为一个“幽灵”，它一旦出现之后就逐渐壮大，最终游荡在整个溜冰场的上空，它有着自己独立的行为，溜冰场上的任何个人都无力去改变它，相反却必须服从于它的“意志”。
——“支配原理”让我们清楚的看到，一个自组织系统通常有自己独立的宏观行为，仿佛有某个“幽灵”在控制着它，但这个“幽灵”又是由众多微观个体的共同参与才形成的，但是当我们想把这个“幽灵”解剖开来，去微观世界中寻找它的奥秘时，便发现它消失得无影无踪。
——摘自拙作《爱因斯坦与黄帝内经》
还原论、非线性与医学（8）
1.
我们可以用人们对待“死刑”态度的例子进一步来说明“协同学”的这种机制，这也是哈肯著作中讨论过的一个例子。
现在西方国家的人们已经形成了一种普遍的观念：死刑是不仁道的，应该废除。然而在半个多世纪前的西方国家，人们对这个问题并没有形成一致的看法，那时人们对死刑的态度处于混乱无序的状态。
但到了今天，反对死刑几乎已经成为了西方国家人们的共识，在这种力量的推动下很多国家都废除了死刑。
人们的看法由混乱无序，最终形成一致的有序状态，这也表现出了“自组织”的特征。
这个过程是如何形成的呢？哈肯的分析认为，在一些不触及个人利益的问题上，人们往往会把大多数人的意见作为自己的观点，“从众心理”是一种极为普遍的心理现象。
在某一段时间里，社会上流传着支持死刑和废除死刑两种观念，这两派人都在利用广播、报纸、演讲积极宣传各自支持或反对死刑的理由。但持这两种观念人数差距并不大，没有一种观念能占上峰。
也许由于某个偶然因素的诱发，例如某个冤案产生了较大的轰动效应，或某个明星在积极推行反对死刑的宣传，这使得反对死刑的人比原来稍微多了一点，于是在报纸、广播、闲谈中，人们接触到的反对死刑的意见就会增多。
由于“从众心理”，就会有更多接受“反对死刑”的观念，这部分人也开始利用媒体或闲谈宣传这一观念。这使得人们接触到支持死刑的议论更少，而反对死刑的议论更多，甚至于越到后来死刑的支持者要发表相关言论会越困难，例如当大多数报社的编辑都成为了持“反对死刑”观念的人，他的文章就很有可能被拒绝。于是“反对死刑”的观念就逐渐成为了西方文化的主流。
这个例子中的“序参量”就是反对死刑的文化观念（要定量描述的话就是支持这一观念的人数），它一旦发展壮大就像“幽灵”一样盘旋在社会意识形态的上空，从宏观角度看它似乎独立于个人的思想之外，大多数人的思想都屈从于它，凭借个别人的力量无法使它改变。
如果“反对死刑”不能让读者产生切身的体会，那么就让我举一个中国人的例子：绝大多数中国人都用右手写字，西方人通常会对中国人这种高度一致行为十分惊讶，这与我们发现西方人有一半人用左手写字的惊讶程度相同。
可以推想，在历史上曾经存在过一个没有限制用哪只手写字的时期，但由于某个偶然的原因开始有一小批人认为右手写字才合理，于是它就像“反对死刑”的观念一样日益壮大，成为中国人根深蒂固的文化传统。
“右手写字”的习惯无疑也是一个“序参量”，它存在于每个人的行为中，但从历史文化的角度看它又像幽灵一样独立于个人的行为之外——大多数人都屈从于它，而且个人的力量无法改变它。
“协同学”的哲学启示在于，它用的精确的概念体系诠释了西方古老的哲学观念：“整体大于部分之和”，它为人们展现出了这样一幅图景：宏观系统只有当它作为一个整体存在的时候，它重要而独特的属性才能够显现，脱离了整体，我们不可能完全理解事物微观下的行为。
2.
人体是典型的自组织系统，因此“支配原理”必然适用。
只不过人体“序参量”的构成一定极为复杂，科学家们一时（也许永远）无法将其理清头绪。但“支配原理”的基本观念对于思考人类的医学行为却有很大启发。
“序参量”一个重要的特点是它会受到系统的宏观因素的影响。
例如溜冰场中的“旋涡”能否保持下去，与溜冰场里的人数有很大关系。如果人数太少，大家都不容易发生碰撞，都相安无事就没有必要形成“旋涡”；如果场里的人数太多，由于过于拥挤，大家都不能动弹，旋涡也无法形成。“场内人数”这个宏观因素直接决定着“序参量”的行为。
类似的在“贝纳德花纹”中，上下界面的温度差决定着液体能否出现有序结构；在B-Z反应中，反应物的浓度、温度决定着化学物质周期变化的行为。
“序参量”这个特点使我们有可能通过调整宏观变量来改变系统的行为。
医学目的是人体发生疾病时，通过医学手段的干预让机体恢复健康。“支配原理”给我们这样一种启发：面对疾病，我们不一定要介入疾病形成的微观机制中去，很有可能在宏观层面进行调节就可以让“无形之手”将人体推回到健康的轨道上。
我们不妨打这样一个比方：溜冰场由于人太多，管理员发现大家都拥堵在一起无法形成旋涡，大家无法享受溜冰的快乐。这就相当于人产生了疾病。
这时管理员可以有两种解决这个问题的方法：第一种方式是直接控制微观个体的行为，例如用广播发号施令：“大家都往顺时针方向滑呀”。第二种方式是改变影响“序参量”的宏观变量，例如将部分溜冰者请出场外。
两种方式都可以解决问题，但第一种方式的缺点在于：管理员需要不断的发号施令。如果他的号令终止，人们很快又会回到混乱的状态。而第二种方式却一劳永逸。
现代医学的很多治疗方法其实都采用了第一种方式。这种直接介入到人体微观运行机制中的疾病治疗思想，占据着现代医学思想的主流。
例如，“糖皮质激素”（也就是通常所说的“激素”）是现代医学的一大法宝，一般在人体炎症无法消除时使用。它的机理就是直接向炎症细胞发号施令：“停止工作”。因此对于很多炎症疾病，如类风湿性关节炎，系统性红斑狼疮等，一用就灵，炎症可以马上消除。但问题在于：药物作用过后，“停止工作”的指令一消失，炎症细胞马上死灰复燃，这些疾病会重新发作，而且来势往往会更加凶猛。
再如，“胰岛素”是现代医学的又一大法宝，它的主要作用是指挥细胞，让它吸收血液中的糖分。如果细胞吸收的糖分减少，就会使血液中的糖分增多，严重时就出现“糖尿病”。现代医学治疗“糖尿病”的基本方法就是注射胰岛素，其治疗原理就是给每一个细胞发出指令：“快点吸收糖分”。使用这种方法，病人需要终生使用胰岛素，使细胞不断的获得吸收糖分的指令。但是一旦病人对胰岛素发生耐受作用，医生就束手无策了。
