善行無跡
“天地渾沌如雞子,盤古生其中。萬八千歲,天地開辟,陽清為天,陰濁為地?!?/p>
盤古開天地是我國上古神話中著名的一篇,講述了天地誕生之初,一片混沌,盤古打破了這種混亂一體,創(chuàng)造出天地、河流、山川以及世間萬物。雖然這只是我們祖先的一種看似蒙昧原始的傳說故事,但也反映出了人類從無序到有序,從混沌到規(guī)律的樸素世界觀。其實大到宇宙萬物,小到我們每一個人,都離不開在有序和無序之間相互博弈和協(xié)調(diào)。比如生命本身作為一種自然界獨特的有序存在,亦是從無序中誕生的。
什么是非線性
我們?nèi)梭w就是由有序和無序交織而成的復(fù)雜的非線性系統(tǒng)(Nonlinear system)。那么到底什么是非線性呢?在討論之前,我們先了解一下線性系統(tǒng)。簡單地說就是一個系統(tǒng)的輸入變量和輸出變量之間呈線性關(guān)系。這樣說可能還不夠直觀,我們舉個“栗子”。設(shè)想你駕駛著一輛頂級跑車在高速公路上飛速行駛,當一腳油門踩下去,車速隨著時間不斷加快。在這個過程中,汽車就可以看成一個隨時間變化而速度不斷增加的線性系統(tǒng)。一個線性系統(tǒng)中輸入和輸出的關(guān)系可以用簡單的y=ax來表示,其中y是輸出變量,x是輸入變量,a是常數(shù)。
理想化的線性系統(tǒng)可以用來簡單有效地解決很多問題,但遺憾的是真實世界中問題往往復(fù)雜得多。我們繼續(xù)講述剛才的“栗子”吧,是不是只要踩著油門,車速就會隨著時間無限增加呢?答案顯然是否定的。且不說發(fā)動機和駕駛者都存在極限,當時速超過120公里時,你將成功地引起警察的注意。可見車速并不是隨著時間持續(xù)線性增長,而是在某一“邊界”之內(nèi)波動。線性關(guān)系只能存在于理想模型之中。實際上,考慮到眾多的約束條件,非線性系統(tǒng)更符合真實情況。
心臟和自組織
拿我們?nèi)梭w自身來說,心臟作為最重要的器官之一,就像發(fā)動機一樣提供機體各項活動的動力。心肌細胞在竇房結(jié)的驅(qū)動下,有規(guī)律地進行收縮舒張活動,這種規(guī)律性使得身體內(nèi)部的機能保持穩(wěn)定和有效。在發(fā)育過程中,看似無序的心肌細胞在某種“神秘力量”的驅(qū)使下,逐漸成長為具有高度規(guī)律性的心臟。在這種沒有外部控制的情況下,系統(tǒng)內(nèi)部自動產(chǎn)生規(guī)律結(jié)構(gòu)和增加復(fù)雜性的行為被稱為●自組織(Self-organizing)。
通過心電圖(Electrocardiogram)我們可以看到常人的心臟自發(fā)地進行有規(guī)律的活動,而一旦這種規(guī)律性被打破,就表現(xiàn)出各種心臟疾病的癥狀。在放松靜息的狀態(tài)下,心臟跳動緩慢,而劇烈運動時心率可以猛增到平常的兩倍甚至三倍。這說明心臟本身并不“刻板”,而是在規(guī)律跳動中存在潛在的復(fù)雜特性。而心率的變化也不是簡單的線性變化,依賴于不同人的心臟機能、運動方式等因素??梢娦呐K通過自組織的方式產(chǎn)生了復(fù)雜的結(jié)構(gòu),盡管功能相對簡單,但仍然表現(xiàn)出非線性系統(tǒng)的復(fù)雜性。
大腦中的混沌
大腦是一個超級復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。我們知道大腦是由數(shù)以億計的神經(jīng)元(Neuron)組成,每一個神經(jīng)元都是一個微小的功能單位。大量的電生理研究發(fā)現(xiàn),甚至小到每一個神經(jīng)元,都是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。在沒有外界刺激的情況下,神經(jīng)細胞也不是完全“靜默”,而是產(chǎn)生一些看似無序的自發(fā)放電位。當外界電壓刺激不斷升高時,細胞產(chǎn)生的電位也會隨之升高,但這種變化并不是線性增加的,而是在超過某一個閾值的時候產(chǎn)生一個動作電位(Spike),這種動作電位可以不衰減地沿著細胞的軸突傳導(dǎo),通過和周圍的神經(jīng)細胞協(xié)調(diào)運作,進而形成各種復(fù)雜功能。
大腦中數(shù)以億計的神經(jīng)元的這種充放電活動就為我們實現(xiàn)各種復(fù)雜的思考和功能提供了生理基礎(chǔ)。當需要處理視覺信息時,枕葉皮層(Occipital lobe)的神經(jīng)元就協(xié)同工作 ;而需要處理聽覺信息時,顳葉皮層(Temporal lobe)的神經(jīng)元就協(xié)同工作。大腦功能的這種模塊化分區(qū)使得我們可以高效準確地處理各種不同的信號,然后再將這些信號整合起來。有人可能會說,這說明神經(jīng)元的活動越規(guī)律,大腦功能就越好嘛。那么是不是我們的大腦越規(guī)律有序就越好呢?答案是No。正常人的大腦是不會同時激活所有腦區(qū)的,我們的大腦時刻處于一種既有序又無序的狀態(tài)。雖然有序保證了眾多神經(jīng)元能夠協(xié)同工作實現(xiàn)特定功能,而恰恰是這種無序使得大腦充滿了“彈性”,才能夠適應(yīng)不同的外界環(huán)境。
熵和復(fù)雜性
看來一個好的系統(tǒng)需要在有序和無序之間保持一個平衡狀態(tài),既不能過于有序失去了彈性,也不能雜亂無章一片混沌。為了衡量一個系統(tǒng)的復(fù)雜性或者混亂程度,科學家們發(fā)明了●熵(Entropy)這個概念。一個完全規(guī)律毫無噪聲的系統(tǒng)熵為0,而一個越雜亂無序的系統(tǒng)熵就越大。正如我們前面講到的,心臟和大腦都是復(fù)雜的非線性系統(tǒng),既不是絕對的無序,也不是完全的有序,而是處于某個微妙的平衡狀態(tài),這種平衡的打破或者移動都會影響我們的正常功能。
研究發(fā)現(xiàn),相對于正常人,一些有心臟疾病的人的心率表現(xiàn)出過高或者過低的熵值。相比于年輕人,老年人的心率的熵值明顯地下降,反映出心臟功能的衰退。同樣,針對大腦功能的研究也發(fā)現(xiàn),很多疾病中正常大腦的復(fù)雜性受到了破壞,在某些腦區(qū)表現(xiàn)出反常的增加或者降低。比如在阿茲海默癥患者(Alzheimers Disease)的腦中,我們發(fā)現(xiàn)負責高級認知功能的大腦前額葉(Prefrontal cortex)表現(xiàn)出熵值的明顯降低。這一方面反映出前額葉和大腦其他區(qū)域的連接被破壞,對其他腦區(qū)的調(diào)控能力減弱,另一方面也反映了大腦前額葉變得沒那么有彈性,大腦的學習和記憶等相關(guān)功能受到了破壞。
向左走向右走?
到底是更有序還是更無序好呢?這還真是左右為難吶。這種看似矛盾的現(xiàn)象恰恰反映出一個高效系統(tǒng)的特點:混沌和規(guī)律的有機結(jié)合。如果一個系統(tǒng)過于規(guī)律,就會變得刻板,缺乏變通,面對變化的外界環(huán)境不能很好地適應(yīng)。相反如果一個系統(tǒng)過于無序混亂,那么系統(tǒng)內(nèi)部缺少必要的協(xié)調(diào)和同步,不需要外界刺激,可能自身就已經(jīng)分崩離析了。正如我們的老祖宗所說,凡事要執(zhí)兩用中,過猶不及。endprint