急！！！关于生命科学导论的论文

随着人们对客观事物认识的深入，不再满足于简单解决问题的领地，其中生命科学领域的复杂性研究引起了众多跨学科学者的关注。作者概述了复杂性的概念以及生命科学中对复杂性及其极端复杂性的研究。关键词生命科学；复杂性科学；生物复杂性科学的概念诞生至今已有20多年。在此期间，一大批学者从不同领域进行了卓有成效的探索。人们希望从对客观世界整体和部分的整体描述以及时空演化中的层次关系的角度，更全面、更深入地研究支配客观事物运行的基本规律，确立新世纪科学技术发展的理论基础，以指导新的发展实践。其中，生命科学领域的复杂性研究引起了众多跨学科学者的关注，有人称之为生物复杂性研究。生物复杂性科学主要探索一些传统学科交叉的问题。准确地说，就是寻求一种定量的、综合的方法，深入理解各种生命系统之间的复杂相互作用，包括生物、行为、化学和物理的相互作用，以及生态、环境和社会的综合相互作用[1]。1复杂性科学研究的概念和范畴复杂性的定义是相对于简单性而言的，简单性一直是现代自然科学尤其是物理学的一个指导原则。许多科学家认为自然的基本法则很简单。还原论的基本思想是找出复杂现象或事物背后的简单机制。事实上，一些复杂的事物或现象背后确实有简单的规律或过程。复杂性没有统一的概念，但根据研究对象的不同有不同的提法。比如从熵的角度看，复杂性等于一个系统熵和热力学确定的无序性；信息角度:复杂性等于系统给观察者带来惊喜的能力；分形尺寸:系统的“模糊状态”，即在越来越小的尺寸上显示的细节程度；有效复杂性:系统表现出“规律性”而非随机性的程度；系统复杂性:一个架构系统不同层次所表现出来的多样性；语法的复杂性:描述一个系统所需的语言的普遍性；热力学深度:从零开始组织一个系统所需的热力学资源量；时间计算的复杂度:计算机描述一个系统或解决一个问题所需的时间；空间计算的复杂性:计算机描述一个系统或解决一个问题所需的存储空间[2]；等一下。自20世纪30年代系统科学兴起以来，人们逐渐认识到，一个系统大于其组成部分之和，具有层次结构和功能结构，不断发展变化，并经常与其环境(外界)交换物质、能量和信息，即使在远离平衡态时也能保持稳定(自组织)。确定性系统有其固有的随机性(混沌)，而随机系统有其固有的确定性(突然出现)。复杂性科学经常研究复杂系统，主要有以下表现形式:(1)系统的单元广泛而紧密地联系在一起，形成网络。因此，每个单位的变化都会受到其他单位变化的影响，并会引起其他单位的变化。(2)系统具有多层次、多功能的结构，每一层次成为一个单元来构建其上层，也有助于系统某一功能的实现。(3)系统在发展过程中，可以不断学习和重组，完善其层次结构和功能结构。(4)系统是开放的，与环境密切相关，能与环境相互作用，并能朝着更好地适应环境的方向不断发展变化。(5)系统是动态的，它不断处于发展变化的过程中，并且系统具有一定的预测未来发展变化的能力。一般来说，复杂性研究的基本方法是(1)定性判断和定量计算相结合。(2)微观分析与宏观综合相结合。(3)还原论和整体论的结合。(4)科学推理和哲学思辨的结合。复杂科学研究中使用的理论工具:(1)非线性科学——非线性动力系统理论(稳定性和分岔理论、混沌、孤子)和统计力学(分形、标度)，非平衡系统中复杂随机现象的研究；(2)计算机模拟——它是一种非常重要的手段，已广泛应用于复杂科学的研究中；(3)计算智能；(4)数理逻辑；(5)不确定条件下的决策技术；(6)综合集成技术；(7)整体优化技术等。2生命科学与复杂性研究生命科学的研究对象是复杂系统(具有关联性、多样性、自学习性、自组织性、开放性和动态性等特征)。由于生命科学研究体系的复杂性，以前对其组成和演化缺乏了解，这引起了复杂性科学研究者的关注。近几十年来，人们讨论了生物系统的典型特征，如完整性、相关性、网络层次性、统计涨落、内外随机性、模糊性、开放性和历史性。生物体本身的特性和生物体的进化，使得人们的思维方式从物理学中对简单系统的研究转变为生物学中对复杂系统的研究[3]。基因是生命遗传的基本密码。生物体复杂的结构和功能不仅由基因决定，还取决于基因组中大量的非编码信息和非编码基因。因此，生物体复杂的结构和功能不仅是由基因决定的，也不是由基因组中大量的非编码信息决定的，而是由这些元素在生物体各个层次上复杂而动态的相互作用决定的。作为生命系统的指挥协调中枢——神经系统，其中枢功能结构是脑，脑功能的科学研究是近十年来复杂科学领域的热点。大脑具有复杂的结构，其组织层次如下:分子、膜、突触、神经元、细胞核、回路、网络、层、投射和系统。大脑的一些高级功能是在较低层次上观察不到的，有些是各个单元之间相互作用产生的集体行为。人的思维规律是不断变化的，但最底层的规律是不变的。大脑功能的复杂性首先体现在各个神经子系统的高度非线性、不稳定性和适应性；其次，体现在它们互联的非均匀性和大规模并行性。而且，即使是非常简单的神经系统，也有惊人的复杂性，这体现在它们的功能、进化史、结构和编码方式上。例如，单个神经元放电的时间序列包含复杂多样的时间模式，反映了神经细胞中复杂的动态过程[4]。脑电是中枢神经系统自发产生的生物电活动，包含了丰富的关于神经系统状态和变化的信息，因此被广泛应用于临床和神经生理研究。如今，人们建立脑电的动态模型，研究其中的混沌现象，显示了动态模型方法对于研究大脑正常生理和病理状态的意义[5]。近年来，在控制领域实现并发展了脑控制系统，即基于脑电信号的人机融合控制系统，它是直接基于脑电信号，通过脑机接口进行控制。“脑控”的研究涉及神经科学、计算机科学、控制科学和心理学。相关研究开发出了利用大脑的思维，通过电子界面控制各种设施的运动状态，并达到预期效果的“脑控技术”。这项技术在医疗等许多方面都有重要的应用价值。人工生命是近10年发展起来的新方向，是以进化为特征的复杂研究。人工生命致力于研究生命形式的普遍特征(不限于特定载体)。地球上的生命被视为特定的生命形式，有特定的载体——蛋白质，地球上生命的进化只代表了特定的进化路径。因此，可以用其他物质构建替代载体的生命形式，赋予其生命特征，使其具有进化、遗传、变异等生命现象，获得生命的普遍行为[2]。其他，如心血管系统的心率变异性和管腔劳损；动态疾病(以时间结构异常为特征的疾病，如周期性发热、周期性关节肿胀等)的预防、治疗和数学建模；生态系统的种群繁殖；流行病中疾病传播的规律；生化反应的动态过程；免疫系统中信号产生、传递和转导的动态过程反映了生物系统的复杂性，属于复杂性科学研究的范畴。因为生命的多样性和复杂性决定了临床医学本身的复杂性；疾病是复杂的，不仅生命本身的病理过程是复杂的，而且心理、社会和环境因素也会影响病理过程；许多复杂的疾病，如心血管疾病、癌症、艾滋病等。，是多层次、多层次的生活因素共同作用的结果。现代医学是在还原论指导下对生命和疾病的片面的、割裂的认识，还停留在分析和描述的层面；因此，有必要诉诸复杂性研究方法。研究方法和观念有了突破。祖国中医独特的思维方法，对复杂系统整体状态的把握，与复杂性研究有相似的思路。中医提出了许多关于人体相互作用和人体与环境相互作用的命题，为现代医学研究准备了丰富的素材。要了解中医的理论体系，还必须运用物理学、生物学、数学、控制论、系统论等学科的最新知识。对我们来说，复杂性科学是一个充满未知的领域。研究方法上有还原论、综合法和系统论。这两种理念正在经历碰撞，开始融合。但就研究对象而言，它所研究的问题并不是刚刚出现，而是因为人们认识的深度和它本身的难度，这类问题被搁置了。目前，复杂性的研究已经在一些学科取得了初步进展。随着科技的进步和人类对自然和自身认识的深入，生命科学中的复杂性问题必然会被逐渐认识和解决。