我们的生命系统

时间: 2024-09-09 08:18:37 |   作者: 大事纪要

  在系统医学中应用生命系统的强健性来分析健康与疾病的关系,有时比应用稳态能得出更多的结论,比如系统的脆弱性是强健性的对立面,如果说健康经常是强健性的表现的话,那么显示脆弱性的时候就容易得病。作为患者,多了解一些我们躯体的这种强健特性,对于防治疾病与尽快康复是十分有益的。

  在稳态理论中,我们已知道稳态的实现是依赖负反馈原理。那么,对于与稳态等同但具有更广泛涵义的生物系统强健性来说,它又是通过什么机制来实现的呢?现在知道,包括人体在内的复杂的生命系统所具有的强健性机制,可以用工程控制管理系统的四个设计特征来解释,它们分别是反馈控制、冗余、模块化及结构稳定性。

  反馈控制,是生物复杂系统实现功能稳态或强健性的最重要的一类机制。复杂工程系统中使用了多种控制模式。前馈与反馈控制是两种主要的控制模式,二者在生物学系统中无处不在。前馈控制是一种开环控制,其中预先定义好的动作序列被特定刺激触发。反馈是一种高级的控制,其构成闭环获得期望的系统控制。负反馈系统探测期望输出和实际输出之间的差别,通过调节输入来消除这种差别。和前馈控制相比,反馈控制更先进,并能确保系统正确控制,故是工程系统中最广泛使用的增加系统稳定性和强健性的方法。我们体内的各种维生功能也都是依赖负反馈对抗干扰,维持稳态。

  冗余设计,是我们躯体保持强健性、维持健康状态的另一个重要机制。它可以简单地比喻为“双保险”或“多重保险”。

  生物系统能够最终靠多条途径来实现相同的功能,当其中一条途径发生问题时,能够最终靠其他具有类似功能的途径来达成目标,这就是冗余机制。换言之,冗余通过提供多条通路来完成功能,抵抗对系统组件的损伤,来提升系统强健性。

  在我们的躯体内,无论是器官、整体还是基因或生物分子水平,也都存在着冗余设计。如我们重要的器官都有两个:两个肾、两个肺、两只眼、两个耳朵、两只手、两条腿,还有两个大脑半球等。细胞也提供冗余性,如细胞内许多自动单位起相同的作用。复制基因以及类似功能基因也是冗余的例子。如有多个基因编码相似的蛋白质,或多个网络具有互补的功能。

  除冗余设计外,系统模块化也是维持机体强健性的一种机制,就是把具有相同或相似功能的系统部件分隔成相对独立的模块,以利于降低内外扰动对总系统的影响。这就好比是建立了一座座的防火墙,一旦其中某一个模块出现故障时,能够尽可能的防止故障的无限扩散而导致总系统没有办法挽回的崩溃;同时,还能够最终靠启用还没有发生障碍的其他模块来补偿系统主要部分的失效。