中医整体观中的分形与混沌特征

摘要:中医学根植于中华民族传统文化与智慧,是一种跨越宏观、中观、微观的认识论与方法论,它属于非线性的复杂系统。单纯的还原论与构成论不满足对中医整体观的描述与研究,需要一种宏观、整体的研究理论与方法跨越鸿沟推进中医现代化研究。系统论从整体看局部,而分形理论弥补了系统论的不足,从局部分形元生成发育成整体,提供了从局部认识整体的科学方法与工具。中医理论与思维中蕴含了诸多自相似性、无标度性、内齐次数性等分形特征,递归性为中医具象提供了可能。混沌具有初值敏感依赖性、有限预测性和内部有序性等特征,混沌吸引子就是一种分形结构。人体的功能状态具有明显的混沌特征,分形与混沌普遍存在于中医整体观认知中。

关键词:中医思维;混沌;分形;整体观念

混沌与分形的概念最初源于20世纪60年代,它从探索生成演化的一种普遍规律———非线性科学出发。分形概念的提出起于数学家诺埃特·曼德博罗(B.B.Mandelbrot)在回答测量英国海岸线长度时的思考与探索,并成为一门新几何学诞生的起点,打破了欧式几何的极限规则。混沌学的到来终结了还原论的纲领,不规则的普遍存在呈现了大自然无边的创造力,而这种伟大创造力因分形的出现得以向世人展现了各种神秘美丽的图案。蕴含着分形与混沌的中医学也是在日常现象中发现普遍的自然规律与人类主观能动的结合。

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非线性复杂系统与中医整体观

中医学是一门贴切于自然规律的学问,从研究视角看它是一种非线性的复杂系统。现代西方医学立足于经典科学,其优势在于运用还原论认识和探索人体规律,但也是其局限所在。中医学是中华民族在几千年时间的积累下形成的独特的传统文化与科学,是宏观、整体的认识论,这是长处但也存在不足之处。它指向的整体观是一种人与自然、与社会相统一,以及自身统一性的整体观,也是一种宏观、中观、微观多层面的整体观。这种整体观在中医药现代化研究中遇到了难题,而系统科学为这难题提供了切入口,也为融合多元文化智慧提供了契机。

在用系统科学研究中医学时面临的一个重要难题是:如何构建一个能描述因果生成演化的统一简单模型,去解决所面临的各种复杂系统问题,尤其是复杂巨系统问题。分形理论提供了一种新的方法论,与系统论互补,呈现了整体与局部间的辩证关系。系统论立足于整体视角,强调整体的统一性,从整体认识局部;分形理论则立足于从局部过渡到整体,呈现了从分形元生长发育成整体所遵循的原则和规律,为人们在整体中认识局部、在局部中认识整体、从简单把握复杂提供了科学工具。

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中医思维的分形特征

分形(Fractal,不规则碎片形,多维,超维)种数学概念,目前尚无严格的数学定义,但是分是一形有其特定特征并且在大自然中随处可见。分形的特征主要表现为:自相似性、无标度性与无穷嵌套性(有无限精细的结构)、内齐次数性(其不规则程度不随测量尺度的变化而变化)、递归性(可由非常简单的方法定义,并用递归、迭代产生)。分形是一种既有统一性又有多样性的奇妙结合。中医思维中也存在着许多分形特征。

2.1 自相似性与人体结构功能

自相似性是分形最主要的特征,它是一种多层次的整体特征形态。这种自相似性并非相同,而是指局部是整体在一定程度上的缩影或再现,每一局部形态相似于整体。即分形内部无穷嵌套、结构无限精细、彼此层级相似,是某种意义上所有标度的组成部分包含整体。这与中医的整体观异曲同工。整体中包含了局部,局部中也有整体性,如《管子·心术上》中所言“道在天地之间也,其大无外,其小无内”。

在结构上,人体结构就是一种典型分形。例如人的血管呈现的是一种树样分形,血管和血液所占人体体积不超过5%,但是单个细胞和血管之间的距离同样不超过3~4个细胞。要遍布全身,血管需要维度上的巧妙布局才能使得无论是主动脉还是微血管里血细胞能排列成单行滑动,如此方能最大效率地将血送至每一个细胞。人体脏腑的空洞结构都是一种空间分形,尤其是肺,普通人的肺展开后表面积甚至比标准网球场面积还大,肺以最大效能的面积占成最小空间,以提高吸收氧气的能力。以自然为整体,机体与自然相呼应,呼吸系统与树相呼应,经络系统与江河湖海相呼应。

在功能上,分形具有“理一分殊”特点,它蕴藏着无穷信息,所有层次生成规则是统一的,新层次有新现象但都遵循同一个规律,因此在中医诊断上我们能“司外揣内”“因发知受”,能通过三部九候脉象、舌象来反映全身脏腑气血津液的运行变化。经络在功能上也有分形特征,如五输穴对全身疾病的调控作用,如《难经·六十八难》谓“经言,所出为井,所流为荥,所注为俞,所行为经,所入为合。井主心下满,荥主身热,俞主体重节痛,经主喘咳寒热,合主逆气而泄。此五脏六腑井、荥、俞、经、合所主病也”。再如腹针、脐针的全息疗法以及耳穴、第二掌骨桡侧的生物全息位点等。

2.2 内齐次数性、无标度性、无穷嵌套性与中医特征

分形内部结构中不存在标度,但却包含一切标度要素,无论测量尺度如何变化,其本身的复杂性和不规则程度不因尺度变化而变,但其形体尺度却跟随测量尺度改变而变化,如典型分形图案所示。无标度性说明了分形的整体性,自相似性呈现的是分形多层次的整体特征。它是画中有画,形中有形,如人体细胞结构中的基因。中医就像是个圆,无论在哪个切入点都能抵达圆心,路径是多样的,在不同的辨证体系,无论是脏腑辨证、六经辨证、三焦辨证还是经络辨证,都能作为切入点深入其中。

2.3 递归性与中医具象的可能性

分形的特征能够通过递归函数来描述,F(Xn+1)=f(Xn),将运算结果代回方程,也将影响后一次运算结果,不断地叠加,递归。计算规律的重复与层层递归不仅反映了系统的反馈,也体现了其生成潜能和分形特征。这种迭代阐释了“从无到有”的过程,正如道家所言“道生一,一生二,二生三,三生万物”“天下万物生于有,有生于无”“有无相生”。在状态上,对分形的研究很快发现了宇宙万物生长的普遍规律。中医学中的具象以“象数思维”为思维主线,万物皆有象,“法于阴阳,和于术数”,将“数”“形”“气”“神”当成相关度量,在诊断、病因病机、治法方药等方面衡量“常数”与“变数”。中医现代化研究面临的难题之一是中医的“模糊性”,体现在中医思维的抽象性上,分形的递归函数特性提供了一个从研究外在形态到内在机制、从静态存在到动态生长过程的路径。正如同样有分形特征的基因,决定了人体的组织边界范围,对某个分形特征的研究是否能反推递归至整体的特征,如HOX基因这类同源异形基因调控生物的形体,呈现出不同的表观遗传特征。这种具象的对应关系为中医研究从微观到整体提供了可能。

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中医思维的混沌与耗散系统特征

古代混沌是指万物浑沦尚未相离分化的状态。不同的民族对混沌有不同的解释,希腊语为chaos,意为混乱、无序的状态;我国古代天文学家、数学家张衡通过浑天说将混沌按生成形容成“溟”“幸”(无形无象)、“蒙鸿”(混沌未分)、“天元”(指混沌初开)三个万物相演相生的阶段。作为科学术语,混沌指的是一种运动形态。把混沌作为非线性研究的概念称混沌是指确定性动力学系统,因对初值敏感而表现出的不可预测的类似随机性的运动。古代人们崇拜“原始混沌”,但从近代开始,科学研究从“终极混沌”着眼转变成对“日常混沌”的关注,以寻求混沌与秩序、人与自然的新和谐,或许这也是混沌研究乃至于整个系统科学研究的理想之一。混沌也带来了与经典科学不同视角下的对世界统一性的理解,将科学进行严格划分有很大难度,将整体割裂开研究局部只是管中窥豹,中医的整体观亦如此。

3.1 混沌与气的一元论

与分形一样,混沌也没有严格的定义,但有一些基本特征能界定混沌:对初值的敏感依赖性(如蝴蝶效应)、有限的可预测性(短期可预测,长期行为不可预测,如长期天气预报的不准确)、混沌内部的有序性(整体稳定,局部不稳定)。中医思维中普遍存在混沌特征,从气一元论始,中医的整体观建立在气的一元论之上。《素问·宝命全形论篇》中云“人以天地之气生,四时之法成”,人与自然相统一,生于天地之气,遵循四时之法,人的脏腑功能效法自然这个大整体。气的阴阳属性使得其有不同的运动趋势,气的升降出入是阴阳运动的结果,具有混沌内部有序性特征。周敦颐《太极图说》中言“阳变阴合,而生水、火、木、金、土”,五行相生相克是矛盾统一的动态关系,古人取象比类地推演构建了一种有机的时空模型。

3.2 混沌与健康疾病观

人体功能系统中存在的混沌吸引子(strangeattractors)为我们揭示了为什么人体系统功能稳定的基本机制。混沌运动的轨迹在一定空间内经无数次折叠后形成了分形结构,这种分形结构就是混沌吸引子。它类似于太极阴阳鱼图中的黑点和白点鱼眼。人体作为开放的自组织系统,人体的功能状态变化轨迹必定处于多个吸引子中。吸引子具有终极性、稳定性和吸引性三个特点。如果人体功能发生了变化,不在某种吸引子中了,就会引导着向某个吸引子运动,最终重新让人体功能保持在基本稳定的状态。通俗地说,一个吸引子就是人体功能的一种演变归宿。研究分形凝聚过程中发现了生长过程大致可以分为三类:有规律的缓慢生长过程的平衡态,稳定生成的稳态,远离平衡态的无序分维生成。中医状态学的研究也体现该规律,在生命长河中,疾病只是一个相对短暂的过程,如果只是着眼于疾病本身则难以把握生命的真谛,因此将人的状态从未病态-欲病态-已病态-病后态地进行划分与过渡。未病的健康状态是一种平衡态或稳态,而疾病是一种非平衡态。机体健康的状态不是机械的、静止的,而是一种整体的、动态的平衡。混沌吸引子的分形特征(无标度性)使得混沌规律能够跨越尺度,而正是这种跨尺度特性填补了宏观尺度和微观尺度间的鸿沟。此外,混沌内部的有序性也为中医研究提供了区分噪声与混沌的技术指向。

3.3 混沌与分形理论与中医现代化研究

从结构与功能出发,混沌与分形提供了跨越尺度的整体研究科学方法与工具,同时混沌界定了人体的功能变化范围。就像基因在形态上是分形,在活动方式上是混沌的。在一个动态系统中,不能用单一的线性关系,必须用整体的、连续的数据关系才能观察和预测行为。混沌与分形特性的普遍存在也促使现代医学从偏重局部分科慢慢转向全面考虑与自然、与社会的相互作用,从最初的单纯病理研究到生理-心理-社会的整体研究。

有研究者称“中医学是一门始终处于‘混沌的边缘’的科学”,是复杂自适应系统相交于有序和无序之间的有界非稳定形式。中医长于对人体整个生命过程及疾病的整体把握,而西方医学重构成与还原,但现代医学为中医现代化提供了必要的科学基础与经验,囿于二者思维的差异,中医现代化进程发展亦受掣肘。中医属于非线性的复杂性科学体系,现代中医模型系统现有的研究方法有复杂性适应系统、综合集成法、人工神经网络、人工智能等,有人曾提出用系统思维取代传统整体思维、象形思维等,也有人称系统论、还原论和构成论能够互根互生,在中医现代化研究中应该结合运用。如若采用系统论指导下的辨证系统,对症状进行赋值,通过算法进行加权求和,可能面临整体大于局部之和的问题,在自我修正上有所短缺;若从分形元的生成发育出发,在一定的原则和规律下,随着样本量的增加,所赋分值能够自我学习与修正,从局部认识整体,也能从整体认识局部。

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结语

无论是结构还是功能,分形与混沌普遍存在于我们的生命系统中,中医学思维中也蕴含且普遍存在着分形与混沌的特征。分形理论与混沌为整体与局部之间的辩证关系提供了不同于系统论的新视角,弥补了系统论从整体认识局部的不足,也拔高了还原论和构成论的视野,并提供了一种科学的研究方法和工具,为中医药现代化研究从宏观到微观整体把握提供了阶梯。

基金项目:国家自然科学基金联合项目(U22A20376)