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维护人“结构稳定性”
读耗散结构理论哲学时随想医学思维方式

试管内红细胞沉降，青霉素针粉溶解于生理盐水，但相反过程并不能发生，即一个过程能够自发地向一个方向发生，为什么就不能自发地向相反方向发生呢？这是因为存在熵增加。热力学第二定律认为：在一个孤立系统中，熵总是增加的是不可逆过程，熵保持不变的是可逆过程，但是熵决不会减少 J. 费希尔 J.R.P.阿诺的著，李艳梅译. 生物学中的化学. 第1版. 北京. 科学出版社. 2004:175.
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力学的熵保持描述产生可逆观念，化学反应过程的熵增加描述诞生了不可逆的思想。前者已存在300余年，对世人有广泛而深刻的影响。后者的明确提出不过40年，人们在实践还不能自觉将其指导思维和工作。因此，诺贝尔奖得主普里高津指出：人们认识世界的角度和方法，应当超越牛顿思维的束缚，实现根本性的转变，即“转向多重性、暂时性和复杂性”；人们应当认识到，我们是生活在一个多元论的世界之中 伊·普里戈金， 伊·斯唐热. 曾庆宏，沈小峰译. 从混沌到有序. 第1版. 上海. 世纪出版集团，上海译文出版社. 2005:125.
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由热力学第二定律推导出，热力学系统存在熵S。熵可被分为与外界环境之间交换的熵eS，即熵流，和系统内部产生的熵iS，即熵产生。前者就是能量的转换，是不会产生出来的，符号可正可负，而后者是内部产生热损耗等耗散的能量，产生项iS永远是正的。像心肌细胞，摄取葡萄糖，产生心肌收缩和维持细胞内合成。
如果熵流为零，剩下熵产生项，系统的熵只能增加或者保持不变，增加着的熵是系统自发地不可逆的进化过程，将系统带到对应于最大熵状态的热力学“平衡态”。耗散的性质意味热力学对象只能部分地被控制。有时候，它们会突然摆脱控制，自发变化iS与通过改变边界条件，确定和控制eS不同的性质。例如肺燕麦癌细胞分泌激素。
热力学第二定律包含两个基本因素：(1)一个“负”的因素，表达为某些过程的不可能性(O2从肺泡扩散到毛细血管，CO2从毛细血管扩散到肺泡,反过来却是不可能的)，(2)一个“正”的，建设性的因素。第二个因素是第一个因素的结果：某些过程的不可能性使人们引进一个函数，即熵。尽管系统的能量在性质上的多样性，但是都趋于耗散的倾向性，向熵增加的内在倾向是复杂系统的特性，产生生命系统。
热力学三大领域：平衡态；在近平衡态的区域；非线性区域。
平衡态热力学用能量的耗散、初始条件的忘却、 趋向无序的演化响应自然界的复杂性。
线性的非平衡态热力学（近平衡态）：像耳蜗耳声发射，声强产生行波（力1），影响能量扩散流（流2），那么基底膜和外毛细胞调谐放大作用（力2）也会影响行波机械能 (流1) Jack Katz著. 韩德民主译. 临床听力学. 第1版. 北京. 人民卫生出版社. 2006:377-8.
。在线性区域，系统朝着具有和系统的外加约束相容的最小熵产生的定态演变(最小熵产生原理)，系统的熵为零，即S=0。由S = eS + iS，得eS = －iS＜0，从环境以热流或物质流来的负熵流 eS，被系统内部的熵产生 iS抵消。负的熵流 eS说明系统向外界传输熵。对于定态，系统活动不断地增加着它周围环境的熵。系统趋于向外界传导熵小到可与外加边界条件相容的态。
当作用于系统的热力学力超过线性区域时，系统出现“不稳定”的定态，这时系统或系统环境所产生的涨落不是衰减下去，而是放大，当超过与平衡态的相距的阈值，就会影响整个系统，强迫系统向新的秩序进化-远离平衡态。
非线性热力学，流不是力的函数。例如，双链DNA加温到95℃，完全变成单链 DNA，DNA呈变性状态，开始降低温度，当温度达到Tm阈值时，单链 DNA状态（变性定态）变为不稳定。产生相干运动，增加单链 DNA结合的速率。对于约束值(温度)，系统的熵产生增加了，与最小熵产生定理相矛盾。在系统复杂的空间组织，各核苷酸分子与相应核苷酸分子协调地结合(弱化学键) Robert F. Weaver: Molecular Biology. 第2版(影印本). 北京. 科学出版社. 2005:29-31.
。与外部交换能量，状态的涨落被放大，侵入整个系统，超过给定临界值，自发地产生新的分子秩序。远离平衡态,系统是结构和有序，但也耗散或消费，热的传输变成一个有序的源泉。系统与外部相互作用，嵌入非平衡条件中，成为形成物质的耗散结构的起点。耗散结构是一种超分子组织的形式，反映全局性非平衡状况。
远离平衡态，系统依然能进化到某个定态-吸引中心态，它的熵产生最小。涨落可能使系统偏离熵最小值，但是热力学第二定律强制它回到吸引中心态。因此系统对于涨落是有 “免疫力”的，是一种稳定世界，系统的进化将把它们引导建立一个永远持续静止的情形。
生成物能催化合成自身的催化环会破坏定态反应稳定性，反应物达到临界值之后，定态变成一个不稳定的“焦点”，系统离开此焦点达到一个“极限环”，以特定的周期振荡。在临界阈外，系统因涨落而自发地离开定态，但都将到达周期变化稳定的极限环 从摆钟到混沌——生命的节律. 利昂·格拉斯, 迈克尔·C·麦基著. 潘涛等译. 第1版. 上海. 上海远东出版社. 1996:21-24.
。系统在平衡态和近平衡态保持着空间上的均匀性，而在远离平衡态的区域，化学物质在系统中的不均匀扩散引起新型不稳定性，放大涨落打破初始对称，出现一些稳定的空间结构。生命系统存在多重化学变化，生物化学物质分布极不均匀。
糖酵解分解葡萄糖，合成ATP，为活细胞提供能源，是一个典型的非线性现象。每分解一个葡萄糖分子，有两个ADP分子转成两个ATP分子。实验显示，与糖酵解循环有关的浓度存在着时间性的振荡，由ADP激活并能被ATP阻止的步骤控制。细胞分解高能磷酸键获得能量，ATP转化成ADP，ADP在细胞内积累，葡萄糖分解速率快，补充ATP储备；ATP在细胞内积累，葡萄糖分解速率慢。糖酵解的振荡调制着细胞能量过程。糖酵解的路径中，受到几种关键酶控制的反应是在远离平衡的条件下。生命系统的某些反应是近于平衡态的，其他的反应不是，一般是平稳的，但不时地跌落，释放部分能量
在远离平衡条件下，发生自组织过程，出现化学振荡或空间结构，需要基本条件是催化效应。自催化、自阻化和交叉催化及反馈作用在生物界生命系统普遍存在，保证代谢机能的连贯进行。分子生物学中基因遗传和表达就是一个反馈环的非线性机制。DNA的排列顺序包含着构成细胞和行使不同功能各种蛋白质合成信息。在一系列反应中，信息被翻译成不同的蛋白质，其中有些为酶具有反馈作用，不仅促进或控制着不同的变化阶段，而且调控着DNA复制的自催化机制，使基因复制与细胞繁殖同步。人体内存在复杂的代谢反应链，酶发挥控制、阻化、激活等精巧关键的作用，为远离平衡条件下发生不稳定性提供了微观基础。
无论是人体是不可逆、随机、进化、有序的耗散过程，与外部世界进行着物质和能量交换。耗散结构出自某个有限的扰动时，从一个状态引向另一个状态的涨落不是一步就把初始状态压倒。首先必须在一个有限的区域内建立自己，然后再侵入整个空间，即成核机制。根据涨落区域的尺寸是低于还是高于临界值，涨落或是退下，或是进一步扩展到整个系统。临界核尺寸随着连接系统各区域的扩散机制的效能而增大，即系统内部发生的通信越快，不成功的涨落所占的百分比就越大，系统越加稳定。涨落区域的外部环境总是倾向于阻尼涨落。而涨落区域和临界尺寸取决于系统的“一体化能力”和放大涨落的机制之间的竞争。系统越复杂，威胁系统稳定性的涨落的类型就越多。在人类复杂的系统中，通过通信的稳定化与涨落的不稳定性之间的竞争，竞争的结果决定着稳定的阈值。
在平衡态或近平衡态，控制参量变化，使系统越来越远离平衡态，达到热力学稳定性的阈点(分叉点)，热力学变得对涨落不稳定，存在数个稳定态和不稳定态(分叉)。系统将走向何方？ 存在多种随机选择。发生一个自组织过程，对称性被打破。对称破缺显露出生命的真谛。生命体核酸DNA采取了左旋的形式，系统怎么选中的？物质在远离平衡条件下会获得一些新的属性，被系统“察觉”，从而创造可供选择的模式。形成分叉过程机制非常敏感，物质能感觉到在非平衡态下微不足道的差别。微小的引力场经非平衡态扩大效果，显著改变系统的态，导致模式的选择。一个结构随着分叉参量的增长而连续地出现，而其它结构只能通过某些有限的扰动来得到。在平衡态，大的扰动或边界条件的改变对于确定从一种结构到另一种结构转变是必需的。而远离平衡在临界点：多个定态共存（例细胞膜流态镶嵌结构），外部流中的一个随机涨落(激素)，能产生新型行为(结构改变)，发生更复杂的反应模式(释放小囊泡)。流中的随机涨落(噪声)是任何“自然系统”中所不可避免的。无论是细胞，还是人体，都从环境中摄取营养，而湿度、pH值、盐浓度、光和各种营养物组成一个不断波动着的环境。非平衡态不仅对内部活动所产生的涨落敏感，而且对来自环境的涨落也敏感。
费根鲍姆序列的系统的行为是周期性的，在一范围内，周期为 T；超出这一范围时，周期变为2T，当超出另一临界阈值时，系统以4T为周期，最后系统走向复杂的非周期行为。混沌是周期无限地加倍时发生的(例如从正常心律、心动过速、室性扑动到室性颤动的心电图)。只要系统具备周期加倍的性质，通路就具有普适的数字特点 桂占吉著. 生物动力学模型与计算机仿真. 第1版. 北京. 科学出版社. 2005:11-13.

。系统是从有很多稳定的和不稳定的行为开始，演进，出现一系列相继的稳定区域(决定论法则支配)和不稳定区域(靠近分叉点，存在多种未来选择)，组成系统的历史。
耗散结构间的相干性使系统的每个分子行为呈整体性的，不稳定性打破时间和空间的对称性。空间和时间的对称破缺在形态发生起着重要作用。胚胎在早期阶段能够抵制最激烈的扰动，发育成一个正常的、功能健全的有机体。胚胎发育时，出现一些跳跃，是激烈的重新组织的过程，之后是比较平和的数量增长的时期。进化机制是通过对具探索性的分叉与特定轨道稳定化之间进行选择。胚胎细胞的分化与它在形态发生场中的位置有关，细胞通过某种特征物质的梯度识别位置。这种梯度由在远离平衡态条件下的对称破缺不稳定性所产生的，化学梯度一旦产生，就会向每个细胞提供一个不同的化学环境，引导每个细胞去合成一组特殊的蛋白质。反应扩散系统与早期胚胎的不同发生细胞群的各种选择有关，每个间隔都是多元选择的一个唯一的组合，每个选择都是某一个空间对称坡缺分叉的结果。生物体秩序状态是由酶维持着系统内的化学差别建立和保持的。生命自组织是包含遗传信息的核酸以酶的形式表达的。
伴随着热传导，化学反应成为不可逆过程的原型。活着的细胞处在永不停息的新陈代谢活动中，几千个化学反应同时发生，改造着细胞赖以生存的物质，合成基本生物分子，并清除产生出来的废物。且不同的反应速度和地点是高度协调的，生命结构就此把有序与活性性结合起来。
生命不是存在自然秩序之外，而是所发生的自组织过程的最高表达，是自发的自组织的结果。远离平衡态的系统自组织是由于某个微观的涨落在“恰当时刻”被放大，使得一种反应路径优于其它路径。因此，在一定的环境中，个别行为所起的作用可以是决定性的。远离平衡条件下的自组织过程相当于偶然性和必然性之间、涨落和决定论法则之间的一个微妙的相互作用，在某个分叉附近，涨落或随机因素将起着重要作用，而在分叉与分叉之间，决定论处于支配地位。
抵达分叉点，决定论被破坏，涨落的类型影响着对分支的选择。跨越分叉是个随机过程。不稳定性的存在使涨落发生，涨落起初局限在系统的一小部分内，随后扩展开来，引出一个新的宏观态。
大数定律：在平衡过程中，系统足够大，均值与涨落之间就能区分，涨落可被略去(可被作校正值)。而趋向非平衡态时，涨落变得异常的大，大数定律被违反，系统在不同的状态之间作选择。涨落达到宏观平均值水平，涨落与均值之间的区分被打破，长程关联出现，局域的事件在整个系统中得到反响。长程关联从平衡态过渡非平衡态，起初幅度较小，随着与平衡态的距离加大而增大，在分叉点处变为无穷大，系统通过长程关联组织起来。
一个新的结构是出自某个有限的扰动，但是引向新状态的涨落不是在一步之内就能压倒初始状态。而是首先在一个有限的区域内建立自己，然后再侵入整个空间，即成核机制。根据涨落尺寸是高于还是低于某个临界值，涨落或是衰退下去，或是扩展到整个系统。研究表明，临界核尺寸随着连接系统各区域的扩散机制的效能而增大，系统内部发生的通信越快(例如免疫建立和发生快)，不成功的涨落所占的百分比就越大，系统就越加稳定。涨落区域的外部环境总是倾向于阻尼涨落。根据涨落区域和外部世界之间通信的效率，涨落可能被抑制，也可能被放大。因此，临界值取决于系统的“一体化能力”与放大涨落的化学机制之间的竞争。观察试管内培养肿瘤的实验例子，作为涨落的肿瘤细胞能够通过复制而不受控制地和永久地发生和发展。加入有毒的细胞群，可能成功地把肿瘤细胞消灭，也可能遭到失败，这取决于复制过程和破坏过程之间的量值。似乎有毒细胞会将死亡的和活着的肿瘤细胞混肴，使得癌细胞的消灭越来越困难。
系统越复杂，威胁系统稳定性的涨落的类型就越多。人类组织怎样能够生存？在复杂系统中，物种和个体以多种不同的方式相互作用着，系统各个部分间的扩散和通信是有效的。通过通信的稳定化与涨落的不稳定性之间的竞争决定着稳定性的阈值。
系统的稳定性，以小数量加入的新的组分引起系统成分之间的一组反应，进入和系统原先的活动方式的竞争。如果系统对入侵来说是“结构稳定”的，新的活动方式将不能自己建立起来，这些“革新者”将无法活下去。如果结构涨落成功地施加自己的影响，满足“革新者”赖以繁殖的动力学条件，它们可以侵入系统而不被消灭，系统将采取一种新的活动方式：系统行为将有一种新的行为所控制。系统要抵制这种自催化群体不断产生的“错误”，就要对任何可能的“突变性聚合物”来说是结构稳定的聚合物系统。生物系统由两组聚合物分子组成。第一组分子是核酸，每个分子都能复制再生自身，并能通过转录及催化控制第二组分子的合成。第二组分子属于蛋白质，每个分子催化着第一组分子的复制再生。两组分子间存在的横向催化联系可能产生一个循环（每个核酸在蛋白质的帮助下重新生成自己），系统能够稳定地生存下去，抵制具有较高再生率的性聚合物的不断出现。

参 考 文 献