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一、復雜性研究概況   復雜性是相對于簡單性而定義的。所謂的復雜性指的就是一種復雜的屬性或狀態。許多科學家相信自然界的基本規律是簡單的。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。自牛頓時代以來，經典力學和還原論就一直是科學研究的基石。然而，還原論和決定論無法分析和恰當地解釋復雜系統特征性的突現性質。上世紀三四十年代隨著系統科學的發展的不斷深化，逐漸出現了新的發展階段———復雜性研究。到了上世紀六七十年代自組織理論、非線性科學的興起掀起了復雜性研究的第一個高潮。[1]從上世紀八十年代至今，伴隨著協同學、軟系統理論、耗散結構論、混沌理論等理論的出現和持續活躍，又掀起了復雜性研究的又一輪高潮，之后便產生了SFI和OCGS理論。當下，有的學者把復雜性研究主要分為三大學派：歐洲學派復雜性研究，以普里高津學派為主要代表；美國學派復雜性研究，以圣塔菲學派為主要代表；中國學派復雜性研究，主要是錢學森學派。   （一）普里高津學派   普里高津學派復雜性研究的主要特點是：在基礎科學層次上———耗散結構論，探索復雜性，理論視角比較高；以自組織理論為其學術旗幟，他們認為復雜性是由于自組織而產生；同時他們對復雜性進行了深刻的哲學審視，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雜性科學。普里高津學派被普遍認為是最早把復雜性研究稱為復雜性科學，并對其進行系統的論述；其次，他們還拓寬了復雜性的意義。對于復雜性傳統的認識是，只有在生命水平以上的層次才會出現復雜性，在物理和化學等領域出現的問題根本談不上是復雜性問題。但是，普利高津從理論層面對其進行了反駁，并證明了，復雜性是客觀世界普遍存在的，同樣包括物理層面，而不同領域的復雜性之間具有顯著的差別；除此之外，“他還首次系統的梳理了復雜性科學的概念體系，也稱為‘復雜性詞匯’，具體包括：非線性、非平衡、衡、遠平衡、穩定性、自發性、不可逆性、有序、無序、反饋、突變、漲落、自組織、耗散結構、信息等。”[2]   （二）圣塔菲學派   圣塔菲學派對世界復雜性研究產生了非常廣泛的影響，獲有“世界復雜性研究中樞”的稱號。該學派以圣塔菲研究所為中心，形成了一個流動的研究群體，世界各地的復雜性研究學者都可以被吸引參與。在這里他們擁有了交流、融合、升華的機會。因此，大量的復雜性研究成果在這里涌現。而圣塔菲自身就是科學前沿涌現出來的一個復雜適應系統。它的主要貢獻有：發展了復雜性研究的自組織論進路；擴展了復雜性研究的信息論進路；豐富了復雜性研究的生成論進路；拓展了復雜性研究的計算機模擬進路；開辟了復雜性研究的涌現論道路。[3] （三）錢學森學派   我國開展對復雜性研究主要是從二十世紀八十年代開始的，研究隊伍比較龐雜，凡是國外一些大的學派，基本上都有跟蹤。但是都不成學派。所謂的中國學派，主要是指錢學森學派。錢學森對中國的復雜性研究最突出的貢獻有兩點：一是倡議和指導了“系統學討論版”的學術活動，推進了國內對系統科學及其相關理論的深入探討；另一個是在上世紀八十年代總結并提煉了“開放的復雜巨系統”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的復雜性研究能夠在世界上獨樹一幟，同時這也是錢學森學派在復雜性科學研究中能夠“獨領風騷，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的復雜性   復雜性是生物學具有的固有屬性。生物學系統，不論是從細胞還是到生態系統，都是由許多相互影響的復雜方式所構成的。雖然我們可以獲得許多關于系統的各個構成部分的知識，但是，我們卻很難獲得一個復雜的生物學系統的真正定量的以及整體的知識。尤其是，當整個系統中的某一個組成部分發生改變或者是其所處的環境發生改變時，我們更難以獲得這個系統是怎樣調整其功能的。現代系統論之父馮•諾依曼早就說過，“闡明復雜性和復雜性概念應當是二十世紀科學的任務，就像十九世紀的熵和能量一樣。”[5]對于生物學而言，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下的描述性的研究方法。然而，當面對大量的有價值的數據信息時，這種方法就有可能會面臨計算機科學中所講的NP———complete問題，同時也不會對整體視野下復雜現象的定量解釋有所幫助。但是，復雜性理論的出現對還原論的假定提出了質疑。它提出了新的概念框架，并且希望能夠引導科學范式的遷移。生物的復雜性體現在各個方面，而我們主要從以下三種生物組織水平上———細胞、中樞神經系統以及自然生態系統，去體驗生物系統中的復雜性問題研究。   （一）細胞系統   細胞是整個生物體系中復雜的一個系統。若干年來，科學家們在還原論方法論思想的指導下，利用不斷革新的生物技術通過對某個基因、某個蛋白質或者是某個生物化學過程進行細致的分析和研究，使得生物學的分子領域取得了劃時代的成就。我們也了解了許多關于基因及其產物如何運作的知識。但是，細胞是一個小而全的功能單位。我們只有綜合細胞中所有基因及其產物的知識，才能知道細胞作為一個整體是如何工作的。這種“綜合”也已經開始研究。例如，當不同的基因決定產物的序列時，一些信號通道的反應就可以被人們所預測。然而，這其中許多通道都是相互聯系的，并且還會有多種調控步驟的層疊，同時又會有許多反饋步驟包含于這些多種調控步驟的層疊之中，這就使得人們對一些反應的預測變得尤為困難。細胞內絕大多數的情況都是相互聯系的。為了從整體上把握這種相互聯系，我們必須找到一個方法去對細胞內的許多組分和產物的等級結構進行分門別類，判定這些組分和產品如何相互影響和被控制，認識多數細胞過程如何適應環境條件的變化以及對變化的條件作出反應。[6]#p#分頁標題#e#   （二）中樞神經系統   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。大腦的結構十分的復雜。按照空間尺度，它的組織層次可分為：分子、膜、突觸、神經元、核團、回路、網絡、層、投射、系統。在較低的層次上是無法觀察到大腦所表現出來的某些高級功能的。因為，這些高級功能之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。人的思維規律雖然是不斷變化的，但是在最低層次的客觀規律是不會變化的。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。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。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。[7]   （三）生態系統   地球生態系統被定義為生物和其非生物環境的整合，包含著一種人類和自然界之間存在一個強烈的反饋作用，是一種典型的復雜系統。人們一直試圖了解群落和生態系統水平上的復雜性與穩定性之間的關系。在這里，人們把生態系統看做是一種處于混沌的邊緣或臨界態的適應性復雜系統。生態系統內部的相互作用構成了其有序化、自組織及復雜化的主要動力。這里生態系統被看作一種適應性復雜系統，處于混沌的邊緣或臨界態。其內部作用是生態系統復雜化、有序化及自組織的主要動力。例如，史密斯森熱帶研究所（STRI）的KlausRuetzler領導的研究組對紅樹林生態系統中微生物與營養成分之間的相互關系的研究。他們利用CarrieBow珊瑚礁島上海洋定位站的大量資料，對伯里茲、佛羅里達和巴章馬的長期定位觀察所取得的數據進行了非線性分析。他們的結果說明了紅樹林群落內部和群落之間的營養物質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；人為的營養富集是主要因子。最后，這項研究說明了自然、農業、水產養殖和城市污染源的變化對紅樹林生態系統中各成分之間脆弱平衡的影響程度，也說明了網絡分析方法有助于綜合相關學科的發現以及模擬生物的復雜性。[8]   三、結語   科學研究的最終目的是為了理解自然世界。自牛頓時代以來，科學研究的基礎一直被還原論和經典力學所占據。科學家們無論是在認識論的層面還是在本體論的層面都選取了還原論的方式，試圖將世界的復雜性通過還原，并對其還原的最簡單的組分的分析來得以解決。上個實際五十年代，分子生物學的研究逐漸增多。生物學家們也都是利用還原論的方法，通過對生物系統的還原并對其還原組分的物理和化學性質進行分析來解釋生物系統。在分子生物學研究范式的指引下，生命科學取得了巨大的進展。正如DNA雙螺旋模型的創立人之一克里克（1916—2004）所說，“現代生物學研究的終極目標是用物理和化學原理解釋所有生物現象”[9]。在相當長的一段時間內，生物學的發展籠罩在一種還原論的思想下。然而，自上世紀末以來，基因組學、蛋白質組學、代謝組學以及生物信息學等生物學學科逐漸興起并興盛。這使得一場深刻的革命在生物學領域開始發生。很多生物學家開始逐漸認識到還原論的局限性，都認為復雜的生物系統需求一種新的研究范式的誕生。而復雜性理論恰好就可以提供這一新的概念理論。   對生物學的復雜性研究，從方法論上彌補了以前的單一的還原論模式，從方法論上為生物學的研究指出了新的道路，使生物學的發展由以前的還原論與決定論，走向了新的整體論。盡管，復雜性研究為生物學的研究指出了一個新的方向，但是到目前為止，生物復雜性研究還僅僅是一個開端。生物復雜性研究所面臨的基礎理論框架的建立、跨越多個生物系統的普遍量度、生物復雜性研究數據的、不確定性、彈性和脆弱性、系統分析與分子技術融合的信息處理問題等等將會是21世紀生物復雜性研究的新的挑戰。