三、现代医学与自然的数学化

2011年，陈方正教授的《继承与叛逆：现代科学为何出现于西方》一书出版，该书被《中国文库》第5辑收选，可见其突出的学术价值。他说：“现代科学的出现毫无疑问是通过数理科学即开普勒、伽利略、牛顿等工作获得突破，而且此后三百年的发展显示，现代科学其他部分也莫不以数学和物理学为终极基础。”余英时在《继承与叛逆》序中也是这样理解的：“作者对于西方科学的特征所作的种种描述，似乎可以用一句话加以概括，即‘自然世界研究的数学化’，因为在西方一般相关文献中‘数学化’（‘mathematicization’）一词常常是和科学分不开的。”

在该书中，陈方正教授坦言，“本书以数理科学即数学、天文学、物理学等可以量化的科学为主，实际上可以说几乎没有涉及化学、生物学、医学等领域……”其实，化学、生物学、医学等领域一点也不除外，因为数学化只能建立在具体的客观事物之上，而不是可此可彼、亦此亦彼的臆想中。

数学化又称数字化、字符化，是指随着人类社会发展和科学进步，数学广泛渗透到自然科学和社会各领域的学术现象。把数字的高度抽象性、严格逻辑性、语言简明性、广泛实用性集中起来，使之成为人类理论思维、逻辑分析、规范表达、系统研究，深刻认识客观世界的一种重要工具。由于经典（精确）数学、随机（概率）数学、模糊数学以及灰色系统理论的不断发展，对事物的经验定性描述发展到科学的定量与定性相结合的阶段。

下面，笔者从医学史出发，看看数学化是如何发生现代医学的诞生过程中？

1. 解剖学首当其冲

关于数学的起源，各民族有许多不同的说法，但终究是为记数（计算）和测量所催生，即源于生产和生活的需要。其实，古代医学的诞生也与测量与计算相关，因为所有医学都是认识人体和疾病产物，解剖学应运而生。

在中国医学里，“解剖”两字最先在《灵抠·经水篇》中出现，测量与计算参与其中：“若夫八尺之土，皮肉在此，外可度量切循而得之，其死可解剖而视之。其脏之坚脆，腑之大小，谷之多少，脉之长短，血之清浊，气之多少……皆有大数。”《内经》中的《肠胃篇》《经筋篇》《骨度篇》《脉度篇》等，都是记述解剖学的专章。其中对人体骨胳、部位、脏腑、血管等，均有长度、重量、体积、容量的详细记载。可见，主要脏腑、相关组织的命名，必须以解剖学为依据。

《内经》中的《灵枢·肠胃篇》，叙述了消化道中各个器官的位置和尺寸：“唇至齿长九分，口广二寸半，齿以后至会厌，深三寸半，大容五合；舌重十两，长七寸，广二寸半；咽门重十两，广一寸半；至胃长一尺六寸，胃纤曲屈，伸之，长二尺六寸，大一尺五寸，径五寸，大容三斗五升。”同时，对胃肠道的形状也有述：“小肠（指十二指肠和空肠）后附脊，左环回迭积，其注于回肠者，外附于脐上，回运环十六曲，大二寸半，径八分分之少半，长三丈三尺。回肠（其中包括结肠上段）当脐左环，回周叶积而下，回运环反十六曲，大四寸，径一寸寸之少半，长二丈一尺。广肠传脊（指乙状结肠和直肠），以受回肠，左环叶脊上下，辟大八寸，径二寸寸之大半，长二尺八寸。肠胃所入至所出，长六丈四寸四分，回曲环反，三十二曲也。”对消化道长度的记载，和近代解剖学的记载基本一致。

但是，有一个现象值得重视，即所有古代医学都停留在粗糙的解剖学阶段。这种情况不难发现，对比一下各民族医学与达芬奇、维萨里的解剖图谱（图1-图2）就一目了然：现代医学革命正是从精细的解剖学开始的。

图1  古代人体解剖图（图片来自维基百科）

左：作者为中世纪波斯人；中：宋代《存真图》；右：宋代《欧希范五脏图》

图2  现代解剖学之父维萨里《人体的构造》中的部分解剖图（图片来自维基百科）

这是因为：（1）早期人类并不满足于单纯的解剖知识，可能对人体的生理、病理变化、疾病的原因更感兴趣，而在当时却并不具备研究后者的能力和条件；（2）想象力是人类进化最早获得的一种天然能力，法国思想家克洛德·列维-斯特劳斯（Claude levi-Strauss，1908-2009）称之为《野性的思维》，属于未开化人的具体性思维，仅凭直观知识就可以将其发挥到极致；（3）医学的早期知识是人类充分发挥想象力的产物，他们把天上、地下与人体内的粗略观察结果搅拌在一起，创造了各民族的自然哲学医学，如中国古代天人相应、阴阳五行的医学，古希腊“四体液”的生理学与病理学，印度古代地、水、火、风、空“五大元素”的阿育吠陀医学；（4）早期的自然哲学医学充满“顾左右而言他”的异想天开，由于并未深入到事物自身的内在机制，其学说无法验证，也无需验证，各种学说五花八门，形成了“公说公有理，婆说婆有理”的多说并存，或以经典、权威论是非的庞杂局面。

也许，正是因为这种局面，“知识确定性”的追求应运而生，医学走上了以精确的解剖学为起点的医学革命。公元1543年，伴随着《天体运行论》和《人体的构造》的出版，无论我们抬头仰望星空还是低头俯瞰自己的双足，这世界都不再是以前的世界了。无边无际的宏大宇宙和我们肉身中的那个“小宇宙”都在1543年被重新定义，人们已经不能满足于自然哲学的那一套说法。

站在数百年后的今天回望公元1543年，科学史家都把这个时间点看成是实证科学诞生的日子。但是，笔者更加强调《人体的构造》的价值，因为它把人类认识客观规律的视野从形而上拉到了形而下，即从“道”向“器”的转变。

2. 生理学浴火重生

与医学初创时期对解剖学的依赖相比，生理学可谓姗姗来迟。历经神灵医学、自然哲学医学的长期迷茫，生理学终于在解剖学革命之后，以实证科学的理念开始了重新探索。而现代生理学诞生的标志，正是血液循环的发现，它被称之为人类最伟大的10个科学发现之一。

实证科学家对生命活动的研究，通常采用两种基本方法，即观察与实验。威廉·哈维（William Harvey，1578-1657）首次把实验方法用于生物学，于1628年发现了血液循环，成为现代生理学和实验生物学的奠基人。恩格斯(Friedrich Engels,1820-1895)的评价是：“由于哈维发现了血液循环，而把生理学确立为科学。”

事实上，血液循环从臆想到发现，经历了漫长的历程。在科学发现之前，古人早已观察到人体内的血液运行现象，但古代医学只能借助想象来推测其内在机制。《黄帝内经》认为“心主脉”“肝藏血”“脾统血”“肺朝百脉”，血液运行与心、肝、脾、肺的功能有关。《灵枢·营卫生会》说：“营行脉中，卫行脉外，营周不休，五十而复大会。”认为由饮食水谷化生的精微物质形成营卫之气，其“精专”部分即营气从中焦进入肺脉，通过心及其所主血脉的化赤作用，在脉中化为血液，循行流注于经脉之中，沿着十四经脉的分布路线，始而手太阴肺经，终而足厥阴肝经。其“慓悍”部分直至上焦（胃上口），并咽上膈，布胸中而走腋，沿手太阴肺经之分，在经脉之外，随着营气运行的同一路线、方向和速度，在经脉外与营气并行不已。

还有一种观点，认为卫气在经脉外循行，当平旦阴气消尽时，卫气出行于六阳经，自目内眦上行至头，下入足太阳经之分，其中散行的部分，别出于目锐眦而下手太阳经，同时也入足少阳经和手少阳经；散行的另一部分，出行至耳前合于足阳明循行在颔部的经脉，而下入五趾间，并且从耳下下入手阳明经之分。行于六阳经的卫气，惟行于足阳明经的一支循阴跷脉上行入目。而再循手足太阳经脉之分，按上述规律，手足少阳、手足阳明，循环不息。计日行于阳经二十五周，到夜间至阴跷脉，注于足少阴经，而至肾脏之分，由肾注入心、至肺、至肝、至脾、再至肾，如此循环，亦二十五周，至平旦，又行至阴跷，上出于目。

显然，这种猜测并非客观发现，也无法带给医学研究积极正面的影响。正如同时代的古希腊医学家希波克拉底（Hippocrates，约公元前460-前377）的“体液学说”，认为人体由血液、粘液、黄胆和黑胆四种体液组成，这四种体液的不同配合使人们有不同体质。他认为脉搏是血管运动引起的，而且血管连通心脏。

古罗马医学家盖仑（Claudius Galen，129-199）提出了血液运动的理论。他认为，在心脏分为两半的中隔上，有肉眼看不见的小孔，血液穿流过这些小孔，从心脏右侧到心脏左侧，再流经肺部；血液在血管中缓慢地来回流动，开始向这一方向，接着又向相反方向，如此往复循环。盖仑认为，血液的流动是以肝脏为中心的，血液在人体内像潮水一样流动之后，便逐渐被身体所吸收。他的这种称之为“血液潮汐论”的理论，人们在随后的1000多年来都把它奉为真理。

直到哈维，他以测量和计算的方法，为否定盖伦的学说找到了突破口。哈维知道人的心跳频率，心室的容积，每次心跳泵出的血量。根据这些，他做了一些简单计算，按照最保守的估算，人的心脏每天会泵出245升的血液。盖伦理论如果正确，人的肝脏每天就必须分泌出这么多血液（实际上必须比这要多很多。因为，根据盖伦说的，心脏泵出的血只是肝脏分泌血的一小部分）。而这显然是天方夜谭。就算肝脏真的能分泌这么多血液，一天245升血液，大致相当于4个成年人的体重。这么多血，怎么可能被肌肉吸收，或者从毛孔挥发？成年人体内只能容纳5升血液。如果肝脏真的能一天产生245升血液，也就是一小时10升。假设肝脏从半夜12点开始干活，那么还没到1点这人的身体就要被血液撑爆了。

何况，为了让自己的计算有说服力，哈维的计算已经是非常的保守，比如，他是假设心脏每次泵血量只有4.7毫升（实际上是50-100毫升）。

通过观察动物搏动着的心脏，哈维还对血流量进行了计算。他发现，心脏每半小时搏送出来的血量将超过全身任何时候所含的血液总量。盖伦认为血液是由肝脏制造出来的，哈维从血流量的计算感到，肝脏不可能在半小时内造出这么多血，而且血液也不可能在肢体末端这么快地吸收掉。唯一可能的是，血液在全身沿着一个闭合路径作循环运动。这个循环的路线是，从右心房到右心室，从左心室搏出的动脉血沿动脉到达全身，然后再沿静脉回到心脉。哈维预言，在动脉和静脉末端必定有一种微小的通道把两者联结起来。哈维在1616年公布了他的发现，1628年出版了《心血运动论》一书，系统地阐述了他的理论。在书中，哈维用大量实验材料论证了血液的循环运动。他特别强调了心脏在血液循环中的重要作用，通过对40种不同动物的解剖观察，他证明心脏的收缩和舒张是血液循环的原动力。他把心脏比作水泵，并认为心脏在人体中的地位，就像宇宙中的太阳，而太阳是宇宙的心脏。《心血运动论》同维萨里的《人体的构造》一样，也遭到了当时学术界、医学界、宗教界权威人士的攻击，但由于哈维当时是英国国王查理一世的御医，才使他没有像维萨里、塞尔维特那样付出生命的代价。《心血运动论》的基本贡献如下：

（1）通过比较医学方法得出血液流动动力来自于心脏：哈维通过解剖动物来说明人体解剖学。他由表及里，由浅入深地描述了人体的皮肤、脂肪、表层肌肉、腹脏器官，而且以很大的篇幅，论述了心脏的结构，心脏的运动及心脏及静脉中瓣膜的功能。他明确指出：血液不断流动的动力，来源于心肌的收缩压。

（2）通过定量方法得出血液是循环的：哈维估计心脏每次跳动的排血量大约是两盎司，由于心脏每分钟跳动72次，所以用简单的乘法运算就可以得出结论：每小时大约有540磅血液从心脏排入主动脉。但是540磅远远超过了一个正常的整个体重，甚至更加远远地超过了血液本身的重量。因此哈维似乎明显地认识到了等量的血液往复不停地通过心脏。

（3）通过实验方法证明血液流动方向：哈维用兔子和蛇，反复做实验，他把它们解剖开之后，找出还在跳动的动脉血管，然后用镊子把它们夹住，观察血管的变化，他发现血管通往心脏的一头很快膨胀起来，而另一端就马上瘪下去了，这说明血是从心脏里向外流出来的，由此证明动脉里的血压在升高。他又用同样的方法，找出了大的静脉血管，用镊子夹住，其结果正好与动脉血管相反，靠近心脏的那一段血管瘪了下去，而远离心脏的另一端鼓胀了起来，这说明静脉血管中的血是流向心脏的。

哈维在不同的动物解剖中发现了上述同样的结果，他终于得出了这样一个结论：血液由心脏这个“泵”压出来，从动脉血管流出来，流向身体各处，然后再从静脉血管中流回去，回到心脏，这样完成了血液循环（图3）。

图3  哈维的血液循环学说

但是，由于条件所限，哈维无法证明动脉血是怎样进入静脉血管中的。他曾断言：动脉血管和静脉血管之间，一定会有某种肉眼见不到的起连接作用的血管，他没有找到这种“中介”的毛细血管，因为他没有使用显微镜。

1661年，在哈维去世4年后，这个谜终于由意大利科学家马尔比基（Marcello Malpighi，1628-1694）揭开了。他用显微镜观察到青蛙肺部动、静脉之间的毛细血管，正是这些微细血管把动脉和静脉连接成一个密封管道，使血液在其中循环不息，从而完全证明了哈维的正确推断。

3. 医药化学学派的贡献

4. 病理学与病理生理学的革命

5. 药理学顺水推舟

6. 现代临床医学的诞生

五、自然哲学的退出方式（未完待续）