跳动的心脏_宇宙时间奥秘
形态起源是不可逆演化的一个极好例子，但它对我们心理起的作用远不及那台最了不起的生物钟——心脏。人的心脏一分钟跳动七十次左右，一年四千万次，一生总共三十亿次上下。这台充满活力的发动机，它所有的各种规则的节拍，都来自于不可逆过程。心脏不仅是生命的象征，它同时也是生命的一个共同极限：所有哺乳动物小如老鼠，大如海鲸，一生中心跳总数似乎都差不多，约二十亿次。
心脏演化的前身是比它简单得多的生物泵。原始动物用这种生物泵，以蠕动的形式，使液体周流其身——今日人体中的大、小肠也是以蠕动形式运输食物。两个这样的管子经过演化彼此盘绕，长出极大的肌肉，最后形成我们今天四个心室的心脏。自从人类在地球上定居以来，有关心脏跳动的作品，从原始部落的歌唱，到历代的诗词，直到今日的流行歌曲，屡出不穷。现在轮到数学家和科学家显身手了。
在 1920 年代，荷兰的两位学者，范德泊（B.vanderPol）和范德马克（I. van derMark）在这方面种下了种籽，直到现在仍在给我们宝贵的启发。他们指出，只要调节模型中某些参数，便可以得到心脏规则节奏的各种不同的破坏——各式各样的心律不齐；每样的出现都是经由非线性动力学中很熟悉的一个特点——分叉点。
何杰金（SirAlanLloydHodgkin）和赫克斯利（SirJulianHuxley） 1952 年的先驱工作，为生理系统的数学模拟带来了一大进步。他们研究
的是鱿鱼的巨轴突——神经细胞传递冲动的线状伸延。这工作使他们获得诺贝尔奖。他们处理所得到的微分方程的方法，能给出一个定量的描述，现在经常被用来研究模拟心脏组织中电活动方程的性质。赫克斯利随后在 1959 年又指出，内禀于模型的是重复性活动，如果细胞缺钙，便会出现规则性的神经激发。
关于心脏动作的情况，以及用于描述的非线性方程的数学性质，我们现在知道的比以前多多了，对一大批心脏病的医疗，也取得了惊人的、不断的改善。例如，我们现在在心脏上可以置放一个器具，监视心脏的跳动，一出现可能致命的节奏，便摇它一下，使节奏恢复正常。很可能的是：不可逆非线性动力学这理论工具，对心律失调的诊断和治疗，迟早会有贡献。仅在美国，一年就有四十万人由于心搏突然失调而死。这里节奏失调有时是跳动过慢，多半是心搏过速。虽然所谓过速会是快而有节奏的拍子，可是心电图会揭示，当心脏开始作纤维性颤动时，这拍子就退化为无规则的形式。这表示心脏细胞的一个非正常的时间空间组织。
许多生理节奏是由单个细胞或数个耦合在一起的细胞产生的。就心脏而言，我们现在知道心搏至少受到六种不同的指挥。一个特殊的肌肉组织，名叫普尔金耶纤维，它的细胞比心脏别的组织的细胞都大。虽然普尔金耶细胞并不直接提供心脏的自然节奏，它们把“窦结心搏引导”所发出的激发传运给心脏。这些引导细胞的节奏是由所谓“心搏波”触发，它们类似于 BZ 反应中的引导中心，那些中心可以用热铂丝稍碰溶液而建立，一粒灰尘或者盛溶液的碟子上一道划痕都可以触发它们。反过来，心脏病发作时也观测到与 BZ 反应中类似的螺旋波，围绕着一块健康的肌肉组织旋转。
牛津大学生理系的计算机里面跳动着一个活的心脏细胞——基于一个数学模型的数字式心脏细胞。这是诺布勒（Denis No-ble）和他的小组设计的。诺布勒、弗郎西斯科（ Dario diFrancesco）和他们的合作者致力于建立一个数学模型，其中包括发生在细胞里的成千上万种化学作用。关于心脏跳动的原因，世界上的科学家一发现什么，他们就把它加进去。可是即使模拟一个细胞的动作也需要大量的计算机时间——要算一秒钟的心跳，诺布勒的计算机要运行一百秒。因此要了解众多细胞的合作行为，会大大受到计算机时间的限制。诺布勒希望用明尼苏达大学的“连接机”（Connection Machine）来模拟高达五十万个细胞的心脏组织。这是台威力巨大的计算机，具有一万个可以平行计算的处理器。这类巨型数字运算可能帮助我们对不同的心搏分析加以比较，对一些问题不同的说法加以判断。例如，纤维性颤动有人说是起因于决定性混沌，有人说原因是旋转波的相空间奇点。
在本书写作的时候，细胞中的物理化学过程是用三十多个联立耦合
非线性微分方程来描述。这些过程中最重要的是让电信号闪进闪出细胞的渠道。这些信号由特殊蛋白传达，办法是把载电的离子搬来搬去。诺布勒的模型包括十多个这样的渠道，以及另外一些在细胞内部和表面运输化学剂的过程。这里面最重要的是钙渠道，它触发 ATP 经过一串复杂的过程转化为心搏。与 BZ 反应一样，心脏也是一个耗散系统，因为物质进出细胞，要使细胞两边化学剂的梯度不断减低。
化学钟里面的耗散式结构是规则性的颜色变化或者美丽的彩色旋涡。心脏细胞里，众多蛋白纤维配合一致的动作可以看为其中的耗散式结构。为了维持这节拍，个别像钠泵这样的过程是不可缺少的。就像座钟钟锤渐渐的下落使钟不停，这种泵不住将钠离子输送过细胞膜，从而保证心脏远离平衡态。每次心跳，钙离子就涌入心房。跟钙渠道相互作用的不是别的，而是我们的老朋友 cAMP。一如粘菌情况，cAMP 和酶素腺苷酸环化酶并肩工作。在心脏里，这两位在控制钙渠道开关的反馈过程中，齐步动作。在单个细胞的层次上，涌入细胞的钙离子，运用一种分子“棘齿”机制，触发某种特殊蛋白的收缩。显而易见，钙进入心脏只是一半心搏。一次心搏完成以前，必须有另外一个运输机制，把钙取出来，放松细胞。这现象已经用特制的钙敏染料看到了。
得到的图像是依靠一群错综复杂的、自我组织的、不可逆反的相互作用的一个心脏——一群化学、蛋白、酶素信使的集体舞组成的每次心搏。诺布勒的模型，以其逼真的跳动，显示了心脏舞蹈可以用非线性微分方程加以数学描述：是一个极有考究的物理—化学“时钟反应”使我们心脏搏动。
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