科学史话稳态概念的提出和发展.doc

“稳态”概念的发展北京医学院 阮方赋伟大的法国生理学家克劳德、贝尔纳（Claude Bernard 18131878）以他对生理科学的众多建树而著称。他研究了脊髓的功能，阐明了胰液在消化过程中的重要作用，发现了肝脏的生糖功能，证明了交感神经的缩血管作用，揭示了一氧化碳中毒的本质，然而，科学界则认为他最大的贡献，就是他提出了内环境（milieu interieur）的概念，指出了内环境恒定对机体的重要性。杰出的美国生理学家坎农（W. B. Cannon 1871-1945）迅速采用新技术，用X光造影研究了消化运动，尤其是他对交感神经系统和情绪的生理基础等研究而名垂青史，他深刻的思想也十分令人钦佩。他为生理科学和医学科学首次提出了一个重要的概念稳态（homeostasis,又译作“内环境恒定”，“自稳态”，“内稳态”，“生体恒常性”，“体内平衡”等）。确实，内环境及其稳定“稳态”，乃是贯穿整个现代生理科学极其重要的基本概念。然而，从历史的角度看来，把“稳态”这一重要概念仅仅和贝尔纳、坎农联系起来，是不科学的。纵观“稳态”概念发展的历史，起初的“萌芽阶段”， 以贝尔纳为代表的“草创阶段”， 以坎农为代表的“确立阶段”，后继还有“深化阶段”和“扩展阶段”。萌芽阶段且不说古代推测性的论断，仅以实验生理科学研究为依据。例如，1774年英国皇家学会会员CBlagden(17481820)等人，就勇敢地走进趋于人体温度耐受极限的热室，进行自体实验。通过大量的观察和实验，证明人的体温能在环境温度有剧烈变动的情况下仍能保持稳定。再有，著名英国的外科学家、解剖学家J.Hunter（17281793）于1778年报告了他在不同情况下测量了鼠、鸡、蛇、蛙、鱼、鳗等动物的体温，以及蛇的体温能随着环境温度的变化而变化的研究结果，提出了恒温动物和变温动物的概念，指出了高等动物具有完善的保持体温恒定的能力。这些研究，实际上就是内环境稳态思想的萌芽。贝尔纳的著作也可为证。1857年12月26日，贝尔纳在关于“有机体体液的生理特性和病理改变”的讲座中说道：“在物理特性中有一具有极大重要性者便是血液的温度冷血动物的体温随着周围环境的温度而变动，而高等的温血动物则保持一定的高度而独立于环境的温度也可以说在高等动物，组织细胞并未感受到环境温度的作用，因为它们沉浸在另一种环境，一种液体的内环境，也就是血液中。”草创阶段内环境及其稳定的思想，是实验生理研究发展到一定水平必然出现的，并非是哪一个人的天才闪光。从体温的恒定引申到内环境的恒定，这是表现出必然发展的一个例证。贝尔纳同时代的人，组织学家G.P.Robin（18211885）在1853年也曾独立提出了内环境的概念，这是另一例证。然而，人们历来把提出内环境概念的功绩归于贝尔纳，这绝非偶然。贝尔纳对内环境进行了系统而深入的论述。早在1851年，贝尔纳就已把血液称作“环境”。1857年12月在有机体的体液的生理特性和病理改变讲座（第一讲）中，贝尔纳指出，“有机体所表现的对于外环境的独立性乃成于下述事实：在生物体内，组织实际上并不直接受外界环境的作用，而是被一种真正的内环境所防护着。这内环境主要由体内循环的液体所组成。”1865年，贝尔纳在其不朽名著实验医学导论中，对内环境及其恒定性作了大量的论述。在18781879年出版的贝尔纳最后的著作普通生理学教程动植物共同的生命现象中，贝尔纳作出了极为精辟的概括，“内环境的稳定是自由和独立生活的首要条件”，“所有的生命机制，尽管多种多样，只有一个目标，就是保持内环境中生活条件的稳定”。这两句名言，历来都受到生理学界称颂。例如英国著名生理学家J.S.Haldane说：“从没有一个一个生理学家写出过比这更加蕴含深意的话”。 关于内环境的相对稳定及其调节机理，贝尔纳掌握了一些实验证据，并且据此进行了许多天才的推断和猜测。他的这一超时代的思想，其同时代的人是很难理解的。一个世纪过去了，人们清楚地看到贝尔纳的思想代表了现代生理学发展的基本方向，并继续影响生理学的发展。贝尔纳被公认为生理学界最伟大的科学思想家。所谓科学思想家不是单纯的科学家，不仅埋头于一个个具体问题的研究，而且有自己特有的思想指导自己的实践。科学思想家也不是单纯的思想家，只凭推理得来整齐的体系或建立空中楼阁。贝尔纳之后，美国生理学家亨德森和坎农等继承发展了他的思想，科学地揭示了内环境。然而，在贝尔纳那个时代，神经系统生理学的发展不够充分，激素也尚未发现，所以，当时人们对稳态的认识必然存在着局限性和许多不足。确立阶段 坎农在1926年建议用稳态一词来表达内环境及其稳定的维持。鉴于有些人不分青红皂白，硬是把“稳态”看成是一个反辩证法的带有形而上学片面性的概念，有必要将1929年坎农在生理学评论上发表的著名文章生理稳态的组织中对稳态的论述引用如下，“高度发达的生物乃是一种开放系统，和外界有着种种关系外界环境的变化使生物体内产生扰乱，正常情况下这种扰乱，保持在很狭窄的范围，因为系统内的自动调整装置表现出作用，从而防止大的波动，内部条件得以保持住相当的恒定。平衡（equilibrium）这个词本来可用于指这种恒定的状况，然而这个词已经用于封闭系统内相对说来是单纯的理化状况保持身体内大部分稳定状态的协调的生理反应是很复杂，很特殊的。我已建议用一个特殊的词来来指这种状态，这个词就是稳态（homeostasis）。”“可能会有人反对使用 stasis这个术语，因为它是指固定不变的、停滞的事物。然而，stasis一词不仅仅有这种含义，也可指一种不变的状态。为此，这里在这种意义上使用stasis来构词，即状态之意。Homeo是homoio的改写，而非homo。Homoio的意思是 相像或 相似，包含某种变动；而homo则意为相同，指一种固定不变的僵死的恒定。所以选用了homeostasis这个词。它的形容词形式是homeostatic，用来指机体内与稳定状态有关的生理反应或机构或情境”。1932年坎农在其名著生命的智慧中，再次以辩证判断的形式揭示了稳态概念的本来含义：“稳态概念是指一种状态，一种可变的但又是相对恒定的状态。”在坎农时代，稳态主要指内环境是可变的又是相对稳定的状态。稳态是在不断运动中所达到的动态平衡，即是在遭受许多外界干扰因素作用下，经过机体内复杂的调节机制，使各个器官、系统协调运动的结果。这种稳定是相对的，不是绝对的，一旦稳态遭到破坏，就会导致机体死亡。深化阶段 这种调节中的、变动中的相对稳定状态是怎样实现的？其最基本的要素是什么？控制论的创始人，著名数学家维纳（N.Wiener 1894-1964）与坎农的助手和同事罗森布鲁斯（A.S.Rosenbluth 1900-1970）等合作，对这个问题作出了确切的回答，从而深化了人们对稳态的认识：负反馈是稳态得以保持的基本要素。在控制论的早期文献中，稳态的保持常用“有目的的行为”这样的术语来表述。体温的正常值、血糖的正常水平、都是机体加以维持的“目标值”。意味深长的是，贝尔纳的名言中，也用了“只有一个目标”的表述。有人曾因此把稳态概念看成是唯心主义的“目的论”。其实，“目的”在这里并不是什么神秘的东西，只不过是负反馈机制。1940年，控制论的另一位奠基人阿希柏（WRAshby）就曾指出，自寻目标的特性不是生命或精神的特性，而是负反馈的特性。任何机器，虽然是没有生命的，只要有了负反馈就可以有这种特性。1943年，罗森布鲁斯、维纳和毕格罗（J.Bigelow）在行为、目的和目的论一文中说：“一切有目的行为都可以看作需要负反馈的行为”。1948年，维纳在控制论一书中讨论了稳态和负反馈的关系。1952年，维纳在费城医学院所作的题为医学中的稳态概念的讲演中，不仅强调了负反馈在稳态调节中的普遍意义，而且还提倡人工膝、人工踝、麻醉给药的自动控制等“人工稳态”、“人工反馈”，并指出医学进入了可称为“数学医学”的新时代，也就是富有远见卓识地开创了生物医学工程学这一崭新的领域。扩展阶段 在现代生物学和现代医学中，“稳态”概念已不再仅仅指血液、组织液等“内环境”的稳定状态，不论在所指的实体上、空间上还是时间上都有很大的扩展。1963年，在剑桥大学召开的英国实验生物学会第18次讨论会“稳态和反馈机制”，会前，与会者就“稳态”概念达成一致承认的定义，则可作为这一概念已大为扩展的例证：“稳态在其最广的含义上，包括了使有机体大多数稳定状态得以保持的那些协调的生理过程。类似一般原理也可用于其他结构层次水平的稳定状态的建立、调节和控制。必须强调指出，稳态并非意味着没有变化，因为稳态是调节机制的作用所向，可随时间的推移而发生变动，然而这种种变化却仍保持在某种紧密的控制之下。”“这样一种概念因之也可应用于细胞、器官系统、个体以及社会群体水平这些不同的组织层次。从涉及的时间间隔来看，稳态可以从几毫秒到几百万年。稳态的根本特征就在于一些因素的相互作用，使得在特定的时间保持特定的状态，”。随着控制论和其他生命科学的不断发展，稳态已不再仅仅指内环境的稳定状态，也扩展到机体内部极为复杂的保持协调、稳定的生理过程。例如，机体的生理功能和正常姿态的维持，也用于机体不同结构层次或水平的稳定状态，以及在特定时间内保持特定状态。稳态概念，现在已不仅是生理学中的基本概念，也成为控制论，细胞生物学、遗传学（基因的稳态调节）、生态学、植物生理学（叶片水平衡的调节等）、心理学（情绪稳