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第4章 不同领域的集成现象

在考察了脑的不同层次的集成现象后,我们把目光从脑的领域转向许多其他领域。我们看到,不但在脑的不同层次存在着各种集成现象,而且在自然界、技术领域和人类社会中都广泛地存在着各种集成现象。这一章分别举出自然界、技术领域、学科交叉和人类社会的不同领域中不同性质的集成现象的一些例子。

4.1 自然界的集成现象

在自然界,无论是无生命的物理世界还是有生命的生物世界,以及高等动物的、以脑活动为物质基础的精神世界,都可以看到各种各样的集成过程。

物理世界有层次性结构。物理世界包括微观的物理世界、介观的物理世界、宏观的物理世界和宇观的物理世界。人们在日常生活里接触到的是宏观的物理世界,在宇观的物理世界中有各种天体和空间物质,微观的物理世界中有夸克、电子、原子核、原子等。介观的物理世界指介于宏观的物理世界和微观的物理世界之间的物理世界,例如一些原子集团(原子团簇),就是介于宏观物质和微观物质之间的介观物质。

在各个层次的物理世界里,有许多集成现象的例子。物理世界中有各种凝聚现象。原子、分子和电子建构成各种集成体,称为凝聚态。凝聚态物质按其空间尺度的不同,有属于介观的物理世界的,也有属于宏观的物理世界的。原子、分子和电子之间的相互作用决定了各种凝聚态物质的内部运动、内部结构、物理性能和外部特征。

在宇观的物理世界中,空间物质形成各种不同的集成体,例如星系是由恒星和星际物质建构成的集成体。恒星和星际物质之间的相互作用,如引力相互作用和电磁相互作用等,支配了星系内部的运动和结构,决定了星系的各种外部特征。

生物世界的层次性结构表现为:生物世界有生物分子、基因、亚细胞结构、细胞、多细胞生物、生物体器官、生物个体到整个生物界等不同层次。在生物世界的不同层次,都可以看到生物体的各种集成过程。

单个活细胞内部有亚细胞结构和细胞各种成分的集成。活细胞内外有物质运输和能量交换,这些是活细胞和外部环境集成的例子。

多细胞生物体由许多单个细胞集成,这里有细胞的集成,以及多个细胞和环境的集成。从生物有机体个体的内部来看,有结构集成、功能集成和信息集成等各种集成过程。

Sherrington(1906)曾经讨论过动物体内多方面集成。动物体内各种集成过程的例子有:由大量单个细胞集成为器官,又由各种器官集成为统一的动物个体,这是动物体内结构集成的例子;动物体内各种腺体协同活动,由化学作用实现动物体的集成,还通过血液循环在动物体内传送物质,这是动物体内功能集成的例子;此外,动物体内通过神经系统中神经信号的传导,使分散的器官统一为具有一致性的动物个体,这是动物体内信息集成的例子。

第二章中已经提到,在人的脑和心理活动方面,可以看到许多不同的集成过程。在个体的心理和环境相互作用中,输入是由人的感觉来实现的,输出是由人的运动来实现的。第二章介绍过感觉过程中的集成现象,下面来看运动过程中的集成现象。

人的运动器官能够受心理活动支配而实施各种各样的运动。身体的运动系统和神经系统都参与运动过程。在运动系统方面,有身体的肌肉、骨骼等许多部分的协调活动;在神经系统方面,有脊髓、脑干、丘脑、大脑皮层运动区、小脑、基底节等许多部分的协调活动。

即使是简单的运动,也要由神经系统和运动系统一起实现运动的执行和调控。至于复杂的运动,则更和许多因素有关,运动过程中动作种类的选择、运动方向的确定、施力大小的实现,以及运动精细程度的控制等,都需要运动的规划部分、运动的执行部分和运动的控制部分的参与,使运动规划、准备、执行、控制等各种功能协调配合。这是人的运动集成的过程。

以上一些例子说明,在物理世界、生物世界和精神世界中都存在集成现象。

4.2 技术领域的集成现象

在工程技术领域中,同样可以看到不同种类和不同性质的集成现象。

电子器件在现代技术中有广泛的应用,这方面大家都熟知集成元件和集成电路。电子器件和电路的设计和制造是集成过程的很好的例子。

在光学技术方面的例子是集成光学技术。在通信技术方面的例子是互联网集成技术。在计算机制造技术方面的例子是计算机集成制造系统,它是计算机技术、电子技术、信息技术、自动控制技术、机械技术和现代管理技术等多种技术集成的智能制造系统。

下面以核物理实验仪器的集成以及神经工程学脑-机接口的技术集成作为工程技术领域中集成现象的例子。

进行科学实验,需要实验仪器和实验技术。核物理实验仪器包括各种核探测器和核电子学仪器。在核物理实验中,用核探测器测量和记录核辐射,还用核电子学仪器分析和处理核探测器产生的信号,得到实验数据。核物理实验仪器是由大量的核探测器和核电子学仪器集成的。不同性能的探测元件和探测模块集成为各种核探测器,不同种类的单元电子线路集成为各种核电子学仪器。

电子线路的种类很多,如甄别器、放大器、门电路、扇入与扇出电路、符合线路、反符合线路、脉冲幅度分析器、脉冲时间分析器,等等。它们分别制备成标准化的单元电子线路。例如核电子学仪器中的甄别器,是具有对脉冲幅度进行甄别功能的电路。如果输入脉冲信号的幅度超过预设的值(称为甄别阈),电子线路就有输出信号;如果输入脉冲信号的幅度达不到甄别阈,电子线路就没有输出信号。甄别器是由电子元件按一定规则集成的。又如核电子学仪器中的放大器,是具有将脉冲幅度进行放大功能的电路。一个输入的脉冲信号,经过放大器后,输出的信号幅度增大;这种放大可以是线性放大,也可以是非线性放大。其他各种电子线路也都有各自的功能。这些电子线路都是由电子元件按不同的规则集成的。

各种单元电子线路都有标准化的构件,在使用时根据实际的需要进行逻辑设计,将不同种类的单元电子线路加以集成,再和各种核探测器一起集成为复杂的核物理实验仪器。大规模集成的核物理实验仪器能够对核反应事例进行选择、识别、分析、记录,在核物理实验中起重要的作用。

技术领域中集成现象的另一个例子是神经工程学中脑-机接口的技术集成。

神经工程学是神经科学和工程技术科学相结合的交叉学科。脑-机接口是用计算机从人心理活动时的脑电中提取信号,利用这些信息和外界环境进行交流,例如控制机器的运转,并且实现人意图要做的动作(Wolpaw et al 2002,Wickelgren 2003)。

通常用各种传感器或集成芯片作为与脑接口的器件,由它们在脑和外部设备之间建立交流的通道。在接收和转换人的脑电信号后,用计算机驱动的机械装置代替人的运动器官,并由机器实施动作。可以根据需要,分别利用不同的脑电信号来指挥机器不同类型的运作,作用于外界环境,以便进行通讯或控制等。

在一些实验室里,将这种技术为因患病(例如瘫痪)而肢体不能动作的病人服务。他们利用有关的装置,就能够进行收发电子邮件、开关电器设备、支配轮椅运动等操作,从而在一定程度上与外界环境进行通讯,或对机器实施控制。

脑-机接口技术涉及许多领域中的不同技术。其中用电极接收脑电信号,需要有生物学和心理学的实验技术;用计算机处理信号,需要有信息技术和计算机技术;用计算机驱动机械装置,需要有计算机技术和机械传动技术等。脑-机接口是通过这些技术的集成来实现的。

以上一些例子说明,在工程技术领域中存在着各种集成现象。

4.3 学科交叉的集成现象

现代科学技术发展的一个重要特征是各种不同学科的相互交叉、渗透和融合。在许多具体的科学领域中,深入细致的科学研究使学科高度分化和专业化;同时各个学科的研究需要其他相关学科的参与,通过学科之间的知识集成和技术集成,实现不同学科的交叉研究,并由此产生许多新兴的边缘学科。

学科交叉的例子非常多。以近代生物学和医学的研究为例,它们的发展非常迅速,它们和其他学科之间的交叉研究十分广泛。下面举医学中的医学物理学研究的例子来说明。

医学物理学是医学和物理学相结合的交叉学科,它包含的内容很广,其中核医学和放射治疗学是核物理学和核技术在医学中应用的两门学科。

核医学把核技术应用于医学的临床诊断,为人民健康服务。例如,把少量放射性核素或稳定核素标记的诊断药物注入病人体内,在体外用测量放射性核素的射线或稳定核素的特性的影像学仪器,测量诊断药物在病人体内的分布情况和代谢过程,可以达到诊断某些疾病的目的。常用的以18 F 核素标记的脱氧葡萄糖为诊断药物的正电子发射断层成像(PET-FDG)技术,在临床诊断恶性肿瘤方面起很大的作用。核医学领域需要核物理学、放射化学、医学、药理学、计算机科学等多种学科的知识集成和技术集成。

放射治疗学把核技术应用于医学的临床治疗,为人民健康服务。例如用加速器产生射线束,照射病人的肿瘤病灶,杀死肿瘤细胞,达到治疗疾病的目的。现代的质子或重离子治疗用加速器产生质子束或重离子束,其照射范围和照射强度都可以精密调节,在治疗肿瘤疾病方面起很好的作用。放射治疗学领域需要核物理学、加速器物理学、放射生物学、医学、计算机科学等多种学科的知识集成和技术集成。

在学科交叉中存在许多集成现象。学科交叉是复杂的集成过程,除有不同学科的知识集成和技术集成外,还有合作团队的集成、资源集成和管理集成等。

4.4 人类社会的集成现象

在人类社会中也可以看到许多不同的集成现象。下面举出社会团体、社会服务和社会智能等几个例子。

个体是家庭、学校、团体、社会的成员。个体处于家庭、学校、团体、社会等社会环境之中,不能脱离社会环境而孤立存在。社会集成表现为个体集成为集体,在一定的社会环境中生活和工作,并进行社会交往和活动,还受到所处的历史和文化环境的影响。

团队建设是社会中集成现象的一个例子。团队中的成员为着同一个目标,分工合作,互相配合,为社会服务。整个团队要发挥每个成员的积极性,形成和谐团结的集体,这就是团队的集成。

在社会的经济、文化、教育等领域中有多种多样的集成现象。在经济领域中有各种经济活动的集成,在文化领域中有不同文化的集成,在教育领域中有多元教育的集成。

社会服务集成的一个例子是医疗卫生服务的集成。我国正在建立农村三级医疗卫生服务网,并建设为农村服务的人口与健康科学数据共享平台。农村医疗卫生服务网的建立,是医疗卫生服务机构的集成。人口与健康科学数据共享平台的建设,使农村人口共享有关的科学数据资源,为提高农村人口整体的健康水平服务,这是医疗卫生信息资源的集成。

再以社会智能集成为例。人类智能活动具有社会性。人类社会中的许多智能活动是在由许多个体集成的集体的活动中实现的,因此就有社会智能集成。

戴汝为(2009)曾对社会智能进行过深入的研究。他指出:“当今的社会是人类群体和以计算机为代表的机器群体共栖的社会,是人类与其赖以生存的自然界共存的社会,是人类各种思想意识碰撞以及各种思维方式互相激励、演化并进的社会。”他还说:“创新,其主体是社会的人、人的群体以及科学团队,表现在工程创新上,它涉及众多学科和工程领域,当然首先体现为对工程创新团队的依赖。”

上面几节中举出了自然界、技术领域、学科交叉和人类社会中集成现象的几个例子。虽然例子数目不多,但是可以看到不同领域中集成现象的普遍性。

在自然界、技术领域、学科交叉和人类社会中,诸如原子的凝聚、动物的反射、电路的设计、学科的交叉、团队的合作等一些表面上看来不相关的现象,却具有某些共同的特性。从集成的观点看来,它们是不同种类和不同性质的集成现象。例如,原子凝聚是物理集成,动物反射是神经集成,电路设计是器件集成,学科交叉是知识集成,团队合作是社会集成,等等。因为它们的集成成分、集成作用、集成环境、集成过程等各不相同,所以形成千差万别的集成统一体,而且表现出多种多样的集成特性。它们分别属于不同的领域,各自有自身的规律,但是它们也都包括了集成现象的共同特点。

用集成的观点考察不同领域中各种不同集成现象,有助于概括它们的一般概念和一般特性,了解它们的一般原理和一般规律,也有助于应用这些概念和规律去研究与集成现象有关的复杂事物,处理与集成现象有关的复杂事件。

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