第二章
系统生物学与系统医学

在20世纪，科学界形成了三大方法论，即控制论、信息论和系统论，对各学科的发展产生了重要的推动作用，尤其对生命科学与医学产生了重要影响。在三大方法论的基础上产生了系统生物学，而当系统生物学应用于临床实践时，系统医学应运而生。

系统论的基本思想方法，就是把所研究和处理的对象当作一个系统，分析系统的结构和功能，研究系统、要素、环境三者的相互关系和变化规律。人体是一个复杂的自组织、自调节、自稳定的生物系统（整体），持续不断地与外界环境进行物质、能量和信息的交换（系统与环境），同时各子系统（要素）在神经-体液调节下相互依存、相互影响，维持机体处于健康状态（要素与系统）。

在临床实践和科研工作中，我们需要掌握三大科学方法论和系统生物学的基本理论，充分运用基于系统生物学的系统医学思维方法、原则和规律，重视整体观念和分层理论，善于多维度地思考，基于“生物-心理-社会”综合医学模式多方位思考问题，从结构、功能、代谢三个维度全面认识疾病，诊治患者。

第一节
信息论、控制论与系统论及其在医学中的应用

一、信息论

信息论（information theory）创始人为美国贝尔电话研究所的数学家香农（C.E.Shannon），研究信息的产生、获取、变换、传输、存贮、处理识别及利用。在信息论基础上建立的信息科学，主要研究以计算机处理为中心的信息处理的基本理论，包括文字的处理、图像识别、学习理论及其应用等。信息并非事物本身，可以界定为由信息源（如自然界、人类社会、人体等）发出的被使用者接受和理解的消息、情报、指令、数据或信号，以再现事物之间的联系，往往以文字、图像、图形、语言、声音等形式出现。

信息的产生、存在和流通依赖于物质和能量的能动作用，并可控制和支配物质与能量的流动。物质是基础，蕴含着能量，承载着信息。下文控制论中提到的人体系统和环境所交换的信息，主要存在于我们摄入的食物里面，依靠不同的食物分子及其进入人体后的次生物质来调节、影响机体健康。

信息论与医学密切相关，信息论所提出的信息、信息量、信息通道（信号通路）、信息传输、信息变换等，为研究生命过程和人体生理、病理变化开辟了新的途径和领域。从信息论的观点来看，“生物全息律从本质上揭示了生物机体的部分与整体间的全息关系，部分可以反映整体。从潜在信息的角度来看，细胞、枝节、叶片都包含着与整体相同的信息”。人体每个体细胞核内的DNA是该个体全部生命信息的储存库。用动物的任意一个体细胞就可复制一个完整生物体的克隆技术，即是成功利用生物全息技术的范例。而中医学通过舌象、脉象等来辨证论治实际上就是中国古代对生物全息论的发现和成功应用。

二、控制论

控制论（cybernetics）创始人是诺伯特·维纳（Norbert Wiener），研究生物体、机器以及各种不同基质系统的调节、控制过程和规律，探讨它们共同具有的信息交换、反馈调节、自组织、自适应的原理和改善系统行为的机制。

人体是一个开放的自组织、自调节、自稳定的生物系统，不断地与外界环境（自然系统和社会系统）进行物质、能量和信息的交换，依靠体内多系统之间的调节、适应达到一种自稳定的健康状态（图2-1-1）。人体摄入的食物、吸入的氧气作为从外界获得蕴藏能量、携带信息的物质，进入机体后通过代谢产生能量。人体中的生物信息蕴藏于各种分子生物学和生物化学反应等生命过程中，需要通过医学研究去认识并解读它们。

控制论和医学的关系非常密切，常用的理论和方法包括黑箱理论、白箱理论和灰箱理论。通过输入输出信息来研究控制系统的行为和内部结构，并可用数学模型来表示，即系统辨识。中医学是“整体医学时代”的产物，是运用黑箱理论的代表学科。虽然看不到体内的器官，但可以通过外在的表现以“司外揣内”，比如通过观察舌象、脉象推测体内的脏腑功能变化，通过分析“输入-输出”的对应关系，加以信号（如中药、针灸）干预，然后根据反馈的信号（如症状的变化）推测黑箱内脏腑的结构和功能。现代医学是“分析科学时代”的产物，致力于将“黑箱”变成“白箱”，从人体到器官、组织、细胞、分子、量子纵深剖析，从结构、功能、代谢三个维度以认识疾病。然而，医学中白箱理论有其局限性，虽然影像学已经达到分子影像学水平，但疾病在不同个体、不同阶段发生的改变不同，所以实际上现代医学运用更多的是灰箱理论。

三、系统论

系统论（system theory）创始人是生物学家贝塔朗菲（L.Von.Bertalanffy）。系统一词来源于古希腊语systεmα，是“部分构成整体”的意思。系统是相互联系、相互作用、相互制约的要素组成的具有一定结构和功能的整体。其功能取决于它的组成部分以及这些部分之间的相互关系。一个系统具备五大优势，即非加总性（non-summativity）、稳定（steady state）、均衡（homoeostasis of equilibrium）、分化（differentiation）和交互性（interaction）。系统论指出复杂事物功能远大于其组成因果链中各环节的简单总和，有机体能够保持动态稳定均衡是系统向环境充分开放并获得物质、能量、信息交换的结果。系统论强调整体与局部、局部与局部、系统本身与外部环境之间互为依存、相互影响和制约的关系，整体性、关联性、等级结构性、动态平衡性、时序性是所有系统共同的基本特征。这既是系统论的基本观点，也是系统论的基本原则，更是系统论作为科学方法论的主要含义。

系统论的核心是整体观念。“整体大于部分之和”这一名言就强调了系统的整体性，反对机械论中以局部说明整体的观点。同时系统中各要素不是孤立存在的，每个要素在系统中都处于一定的位置（层级），并起着特定的作用。要素之间相互关联，构成不可分割的整体，如果将要素从整体中剥离出来，它将失去原有的作用。人体的任何一个器官若脱离人体，将完全失去原有器官的功能。

系统论的基本思想方法是把所研究和处理的对象当作一个系统，分析系统的结构和功能，研究系统、要素、环境三者的相互关系和变化的规律性。 OJomL/0R2N7gSE8k7cTbPTbHDW47fiEafnX+A5iw0rGrdsMY/HwMiOor8dJ8/W3r