生物模型
——生命的螺旋

董福田

（1.蘇州致和結構醫藥科技有限公司 江蘇 蘇州 215123；2.南京師范大學地理科學學院 江蘇 南京 210046）

在融合西醫和中醫理論體系的基礎上，本文作者董福田曾提出一種新的醫學模式——結構信息醫學，即從結構系統的角度認識生命，通過讓機體識別具體結構的信息，利用機體結構系統的自適應、自組織等功能，恢復結構系統的動態平衡，達到防治疾病的目的[1]。而實現這一醫學模式的前提則需要對生物的結構系統有非常深入的認識。

生物的結構系統是一個由若干要素之間相對穩定的時空關系、聯系方式及其組織秩序所構成的具有某種功能的復雜有機系統。生物這個復雜的巨系統，經歷了從無到有，由低級向高級，由簡單向復雜這樣一個漫長的進化過程，并在這一過程中實現了自身的延續和對自身的不斷超越。因此，我們首先需要尋找能自組織進化，導致生命起源并支撐后續生物進化的核心結構，然后通過核心結構“生成”生物模型。通過分析和研究生物模型各要素之間的相互作用和相互關系，將生物結構系統中的復雜問題轉化為簡單問題，以便深入地認識生物的健康和疾病，發現更有效的診斷和治療疾病的方法。

1.生物的核心結構與生命的螺旋

1.1 生物的核心結構

現代生物學已經證明，生命最本質的東西是新陳代謝和自我復制，前者離不開起催化作用的酶，后者少不了儲存遺傳信息的核酸。根據現代生物學的研究成果，DNA是遺傳信息的載體，但也發現少數RNA病毒靠RNA的自我復制傳遞遺傳信息，有些RNA在一定條件下充當催化劑的角色，如核酶就是一種具有催化功能的小分子RNA。因此，“RNA世界論”認為，RNA分子的出現是生命起源的重要過渡[2]。根據這種假說，在生命進化的早期，即使沒有酶，某些RNA可以催化RNA的復制——也就是說，RNA是唯一的遺傳物質，即作為具體結構和抽象結構統一體的RNA是生命的源頭。按“RNA世界論”說，較長的雙螺旋狀且不易發生變異的DNA，作為遺傳信息庫和起催化作用的蛋白質之間的功能分化，是較后發生的事。與RNA分子序列互補的DNA分子具備了保存“遺傳”信息的功能，而RNA分子進化為擔當蛋白質合成的角色，蛋白質又反過來催化核酸復制，核酸-蛋白質的結構系統誕生了。在35億年前某個時刻的某個地點，有外膜包裹、含5000個蛋白質、借RNA傳遞信息，并由DNA主控一切的，具有“自我維生結構”的生命個體，地球上的第一個細胞誕生了。一旦自我維生作用確保了它的生存，而自我繁殖能保證它可以擴展繁衍后代時，在面對外來的嚴重侵擾時，它們會使用物質和能量，機動且成功地保持自身完整性，生命就開始了它的生物進化旅程[3]。

核酸-蛋白質結構系統的具體結構與抽象結構相互依存、互為因果的相互關系和相互作用的建立，是生命起源的最關鍵之處。核酸編碼規定了蛋白質結構的遺傳信息，即核酸記錄了蛋白質的抽象結構；蛋白質是一切生命的物質基礎，是構成細胞的基本有機物，是生命活動的主要承擔者；核酸的合成和復制要由蛋白質（酶）來催化，也就是蛋白質的具體結構催化核酸，核酸的編碼和功能靠蛋白質來表達。蛋白質和核酸的相互作用是核酸復制、基因組有序表達與染色體高層次構建及動態結構變化的核心。因此，這兩類生物分子缺一不可，形成了抽象結構和具體結構統一的復合體，作為遺傳信息載體與表達系統，在生物結構系統的功能中起到支配性作用，不僅是形成第一個細胞生物的基礎，也使得生物自身依靠遺傳、變異和選擇而實現最優化，進化出了整個生物界，是生物的核心結構。

1.2 生命的螺旋

在核酸-蛋白質系統中，核酸轉錄翻譯蛋白質，一段核酸復制并不直接影響另一段核酸的復制，而是通過它所編碼的蛋白酶去發生反應，形成催化循環。核酸-蛋白質的這種催化反應讓化學物質循環性地發生反應，產生大量與它們本身相同或有變異的形式，形成了最初的信使和翻譯產物的關系。當某種信使與相應的翻譯產物包括反映翻譯產物組成和結構環境之間出現相互促進的協同作用時[4]，簡單的、低級的、相互關聯的、彼此互補的反應循環便組成復雜的、高級的大循環系統，即超循環系統[5]。

催化循環可以進行自復制，超循環則具有選擇的能力，形成了具有自適應、自組織等功能的開放的結構系統，通過不斷地與外界交換物質、能量和信息，能夠對外界的干擾產生反應，維持它們內部的一致性、自身的整體性。在這個超循環過程中，圍繞更有利于生存、繁衍的目的，結構系統以具體結構和抽象結構相互作用為核心，利用自適應、自組織等能力不斷建立與周圍結構環境的平衡，甚至不斷地內化外部結構，更新系統的物質、能量和信息，由原來低級有序轉變為一種在時間上、空間上和功能上的高級有序，形成螺旋發展，這就是生命的螺旋，是所有已知生命生存、繁衍和進化的基礎。生命的螺旋是具體結構和抽象結構相互依存、互為因果、相互作用下，統一、協同發展的螺旋，防治疾病就應該順應這個螺旋。

2.生物模型

生物的結構系統是一個復雜的巨系統，是生物結構之間內部關系、聯系方式、組織秩序及其時空表現形式的總和，反映了系統所具有的整體行為，即在與外部環境相互聯系和相互作用中所表現出來的性質、能力和功效，也就是結構系統的功能。我們認識和研究生物的結構系統，直接目的是為了認識其功能，進而利用、改造和獲取其功能，為人類以及其他生物的健康做出貢獻。

不同生物的結構系統千差萬別，直接研究會非常復雜，而從不同的角度研究結構系統的共性，進而構建生物模型，研究生物結構系統所具有的普遍規律和秩序，可以將復雜問題轉化為簡單問題進行處理。

2.1 生物模型的核心要素——結構和功能

結構系統如果沒有結構之間的內在聯系就不會形成系統，而沒有和外部結構之間的聯系，就不存在系統的功能，所以結構系統是內在規定性和外在規定性的統一，也就是結構和功能的統一。生物對于環境的適應實際上是結構和功能的動態相互作用、相互轉化的過程。結構和功能相互依存、互為因果、相互轉化，結構對于功能具有決定性作用，同時功能可以反作用于結構。在進化論的發展史上，拉馬克“用進廢退”的觀點，強調結構的變化是功能變化的結果，而達爾文認為，生物體內的“泛生子”可以隨著內外環境的變化而發生變異，強調功能的變化歸結為結構的變化。根據系統論的觀點，只有將兩個方面結合起來，才能更全面地理解生物系統的進化。

從結構和功能表現形式的角度，結構深藏于內，功能表現于外。因此從功能來建模的方法可以把被研究的系統視為黑箱，不管具體結構如何，通過輸入和輸出的分析研究來建立模型，解決問題，屬于黑箱法。中醫的理論方法就是黑箱法。對系統內部結構進行研究，弄清系統具體的結構以及結構和功能的關系來建立模型，解決問題，屬于白箱法。西醫的理論方法就是白箱法。從結構系統的過程的角度，結構具有穩定性，而系統的功能則受環境的影響易于變化，因此同西醫相比，中醫的理論和方法更個性化。為了更深入地認識生物的結構系統，應該從結構和功能統一、黑箱法和白箱法統一的角度建模，研究、利用系統的結構和功能之間的關系，建立防治疾病的理論和方法。

2.2 從結構和功能統一的角度構建生物模型

生物結構系統的核心結構是具體結構和抽象結構的統一，具體結構和抽象結構的相互作用，不僅生成了生物系統的表觀，還確定了生物結構系統中結構相對固定的位置，可以作為研究結構之間相互關系和相互秩序的參照，即生物系統的架構，如細胞合成的蛋白質需要得到準確的定位，才能正確地發揮作用。具體結構和抽象結構的相互作用所形成的超循環系統，生成了結構之間復雜的關系網絡系統，基因表達受具體結構的調控，而基因表達又建立了新的具體結構的環境，調控后續的基因表達，生成了生物分子各居其位、各司其職、相互作用、嚴謹有序的生命特性。比如，多細胞生物也是由一個細胞（如高等生物的受精卵）通過高度有序的細胞增殖、分化、生長和發育而形成的，也就是由最初的抽象結構和具體結構的相互作用，即受精卵中的核酸和其所處環境中具體結構的相互作用而生成。生成的生物有機體復雜程度由數百、數萬、甚至數億個行使各種特定功能的細胞組成，各種細胞分工合作，是一個有序而可控的細胞社會，這種社會性的維持，不僅依賴于細胞的物質代謝與能量代謝，更依賴于細胞間的通訊與信號調控，從而協調細胞的行為，諸如細胞生長、分裂、分化、凋亡及其他各種生理功能，實現多細胞生物體完整的生命活動過程。生物根據生理狀態分泌各種型號的神經遞質、激素、細胞因子等作用于靶細胞，通過調整細胞的狀態來調節細胞的功能，以適應整個結構系統的需求[6]。

因此，生物模型的要素包括：表觀、架構、關系、秩序和功能。這5個要素是研究生物結構系統的5個角度，也可以稱之為結構系統的5個維度。在這5個要素中，表觀、架構、關系、秩序是具體結構和抽象結構相互作用的結果，因此這4個要素之間相互作用，統一于結構系統。生物學中，各種生物結構系統之間的差別，最主要的并非由于組成要素成分不同，而是組成要素的結合方式不同，即抽象結構之間的差異，從生物模型的角度，主要在于架構、關系、秩序的差異。對結構系統的研究往往是從表面的、形象的、具體的關系人手，然后才逐步深人到內在的、抽象的、帶有普遍性的關系，而且越抽象就越接近其本質。因此具體結構主要是結構系統的量，抽象結構主要是結構系統的質，質和量可以互變。

結構和功能之間相互作用，并統一于結構系統。從功能的角度，所有的生物結構系統都具有自適應、自組織等功能，能夠對外界的結構環境產生反應，使用物質、能量和信息來維持它們內部的一致性、自身的整體性，以及結構系統的動態平衡。也就是說，生物模型的5個要素每個維度都不是孤立的、割裂開的，都包含了其他維度的信息，這些不同維度形成了非線性相互作用的有機系統。通過生物模型，能夠認識和研究生物的生成、繁衍和進化，從而認識生物的健康與疾病，并找到診斷和防治疾病的方法。

3.生物模型在醫學上的應用

生物結構系統都是封閉性和開放性的統一，總是處于與環境的相互聯系和相互作用之中。因此，任何生物在生存的過程中，其結構系統都會受到許多擾動，如果擾動超過了生物自身能夠調節的范圍，機體的結構系統就會失衡，即產生了疾病，需要通過醫學手段來恢復平衡。從結構系統失衡的角度，可以分為量變和質變，也就是具體結構的改變和抽象結構的改變，而且往往是先發生某種量的變化，經過進一步的發展，量變轉為質變。從擾動的角度，可以分為隨機的短暫擾動和長期的擾動，前者主要是造成結構系統內在的失衡，核心是恢復內在的平衡，后者主要是結構系統和擾動的結構系統之間的失衡，核心是建立兩個結構系統之間的平衡。結構系統的開放性，不僅是具體結構的開放，還包括關系之間的開放。結構系統與其環境之間的交換，也不僅是物質交換，主要是能量或信息的交換。我們首先研究生物在生存、繁衍和進化過程中，自身所具有的處理上述情況的功能，然后通過生物模型研究防治疾病的方法。

3.1 由生物模型研究生物的進化

生物在進化過程中受自然選擇的支配，一定的環境要求生物必須具備相應的功能去適應它；一定的功能必須由相應的結構來完成。所謂進化就是分化和產生新的結構，具有了新的功能特性，更適應其所處的環境。結構和功能也是生物模型的核心要素，因此我們應當由生物模型來認識生物的進化。

由進化的定義可知，生物進化的本質是抽象結構的進化，也就是在基因層面的進化，比如：

1）基因表達的進化

基因表達隨外部結構環境變化發生適當改變和調整是生物適應環境、維持生存、保持自身健康的基本功能。例如細胞在外部信號分子的刺激下，可以通過調節基因的表達，產生抑制性蛋白形成負反饋環來阻斷信號傳導，從而適應不同強度和時間的外部刺激。

2）基因的改變

在外部環境長期的干擾或強烈的刺激下，量變轉為質變，可能會通過基因的改變來適應外部環境。例如細菌在與抗生素的長期“作戰”中，可以通過基因的改變形成新的結構，與抗菌藥物建立新的平衡，比如合成新的物質滅活抗生素的酶，或者改變細菌的外在結構，形成抗生素難以穿透的生物被膜。

3）基因的融合

所謂基因融合，就是將有利于生存和繁衍的抽象結構即遺傳信息整合到結構系統之中。比如細菌的具有抗藥性的抽象結構，可以以質粒、轉座子的接合、轉導等方式快速轉移到其他敏感菌中[7]，與敏感菌自身結構融合，實現生物在結構和功能上的共同進步。

從生物模型的角度，上述抽象結構的改變都是由于外部環境的作用，通過生物結構系統所具有的自適應、自組織功能來實現的，并產生了適應性的表觀、架構、關系、秩序以及新的功能特性。在生物進化過程中，結構和功能是一體不可分割的。

3.2 由生物模型研究防治疾病的方法

根據對人類健康與疾病本質的哲學認識以及醫學實踐過程中所遵循的主要方法，醫學觀主要包括健康觀、疾病觀、診斷觀、治療觀。在健康和疾病的認識上，結構信息醫學是從結構系統的角度認識生命，人體結構系統的內外動態平衡，即具體結構與抽象結構的動態平衡，是人體健康的本質。

外部環境對人體總負荷引起的結構系統失衡是產生疾病的根本原因。從生物模型的角度分析，外部結構環境引起機體結構系統的失衡，通常表現為表觀、架構、關系、秩序、功能的失衡。比如外傷主要對應表觀，是具體結構的改變。外傷以外的疾病，往往是在具體結構和抽象結構相互作用下，引起的表觀、架構、關系、秩序和功能的失衡。

具體結構的時空秩序處于正常狀態才能形成其功能，所以架構的失衡也會引起結構系統的失衡，比如骶髂關節錯縫導致的行動不便。內分泌系統和神經系統的相關疾病，主要是分子信號傳導過程中出現障礙所導致的關系紊亂。腫瘤的形成則是破壞細胞生長秩序使其過度增殖，細胞表現出失序狀態，從而形成癌癥。其中，表觀的失衡主要是具體結構的量變；而架構、關系、秩序的失衡主要是抽象結構的質變；功能失衡則是結構失衡后的總體表現，同時又反作用于結構。

“生命賴以負熵為生”[8]。根據耗散結構理論研究系統演化的公式：dS=deS+diS，如果提高結構系統的有序程度，總熵要降低，即dS＜0，也就是從外界引入足夠的負熵，系統就可以自發地組織起來，形成有序結構。對于生物結構系統而言，從外界引入的結構信息就是負熵，可以調控其抽象結構，如調控基因的表達，恢復結構系統的平衡或者建立同外界結構系統之間的平衡，從而恢復健康，也可以引入其它結構系統的特性，更有利于結構系統健康地生存和繁衍。

根據螺旋論[9-，10]，首先應該給生物模型建立防治疾病的宏觀秩序。生物模型的核心要素是結構和功能，因此要建立結構和功能之間的秩序，經過排列組合，包括以下4種：1）直接干預結構；2）直接干預功能；3）通過功能來干預結構；4）通過結構來干預功能。

生物模型的核心結構為具體結構和抽象結構的統一，相互作用產生了表觀、架構、關系、秩序4個要素。單純從結構的角度建立宏觀秩序，也包括4種：1）直接干預具體結構；2）直接干預抽象結構；3）通過抽象結構干預具體結構；4）通過具體結構干預抽象結構。

根據螺旋論，生物模型中結構的宏觀秩序，要在結構和功能的宏觀秩序的約束下建立。生物模型最基本的功能是自適應、自組織功能。結構信息醫學的重點在于通過功能干預結構，針對3）通過抽象結構干預具體結構，可以推導出：用抽象結構通過機體的自組織功能進行整合后生成具體結構，然后具體結構同機體的抽象結構相互作用，調控抽象結構（如改變基因或調控基因的表達），從而生成或調控具體結構；針對4）通過具體結構干預抽象結構，可以推導出：用具體結構通過機體的自適應的識別功能轉化為結構信息，然后由結構信息通過機體的自適應、自組織功能調控機體的抽象結構（如改變基因或調控基因的表達）。具體結構和抽象結構本身就是相互作用、相互轉化、相互統一的，上述兩種秩序，在醫學上既可以單獨使用，也可以配合使用。

4.總結與展望

所有的生物都配備了“神醫”，就是自身的診斷、防御和修復系統，其基礎是所有生物結構系統都具有的自適應、自組織，保持結構系統穩定的功能。只有人類有專門的職業—-醫生，生命能繁衍幾十億年，靠的是“神醫”。那么從醫學的角度，是協助“神醫”？是取代“神醫”？還是要和“神醫”對抗？建立生物模型就是為了研究從理論和方法上如何協助“神醫”，防治疾病，保持人類健康。