31、胃中的节律与混沌：探索生理奥秘

胃中的节律与混沌：探索生理奥秘

1. 引言

非线性反馈会引发振荡，而正、负非线性反馈之间的动态平衡则会产生节律。生理节律是生命的核心，但由于底层系统的极端变异性和复杂性，生命中的节律通常是可变且不稳定的。作为衡量变异性和复杂性的新工具，快速发展的跨学科混沌理论已应用于生命科学领域，其潜力正被不断挖掘。

混沌有两个基本特征：
- 无限周期运动的叠加 ：一个混沌系统可能在某个近似周期运动中短暂停留，然后转向频率更高的另一个周期运动。这种从一个不稳定周期运动到另一个的演变，从整体上看像是随机的，但短期分析却能发现秩序。
- 对初始条件的极端敏感性 ：著名的“蝴蝶效应”可以形象地描述这一特性。在中国，蝴蝶扇动翅膀产生的微风，最终可能导致加利福尼亚州天气从晴天变为暴雨。在一个有大量不稳定周期轨道的有界混沌系统中，各轨道对应的轨迹紧密排列。输入或初始条件的微小变化，就能使系统从一个轨道转移到另一个。这种敏感性既是问题也是希望：它使系统不稳定且不可预测，但也意味着通过微小改变就能控制其达到期望的行为。Ott、Grebogi和Yorke从理论上证明了这一点，他们的混沌控制方案（OGY方法）已成功应用于心脏混沌控制。

这些混沌特征在许多生命现象和生物实验中都有体现。许多生物电活动呈现出慢振荡中间歇性叠加尖峰活动（快速振荡）的模式。尖峰频率高、出现不连续且随机，与慢振荡有不同的周期轨道，且尖峰的周期轨道不稳定。尖峰的出现通常与生物过程的转变有关，受复杂的神经和化学机制控制，这些机制对初始条件或外部微小扰动敏感。例如，正常心脏运动有一定的节律范围，心电图看似是周期性信号，但周期性不稳定，心率变异性实际上是混沌的。一