熵、耗散結構與健康

段思凡，劉孟美，李亞旎，游頂云

（昆明醫科大學云南省公共衛生與生物安全重點實驗室 &公共衛生學院，云南 昆明 650500）

1865 年，德國物理學家克勞修斯首次定義了熵，熵是熱力學第二定律的闡釋，簡單來說就是系統的熵總是在增加，并最終達到熵最大的狀態（即熱力學平衡）[1]。1972 年，玻爾茲曼進行了熵的微觀解釋，即熵表示系統的混亂程度，熵越大越無序，熵越小越有序[2]。一個孤立系統若總是向無序、混亂的方向發展則會導致毀滅，即為熵增原理[2]。對于人體來說，不斷熵增的結局就是生命的結束。1969 年，普里高津為了強調開放系統中的非平衡自組織需要能量耗散提出“耗散結構”，即遠離平衡態的非線性自組織有序結構[3-4]，構成耗散結構需要符合4 個條件，一是開放系統；二是遠離熱力學平衡態；三是非線性作用；四是漲落作用[3-5]，耗散結構能夠對抗熵增成為共識。

著名的理論物理學家薛定諤（E·Schrodinger 1887—1961）認為“生命以負熵為食”，他在前人把新陳代謝解釋為物質、能量交換的基礎上，參照熱力學定律引入了“負熵”的概念，并提出生命物質、能量代謝的實質就是通過“入”和“出”的交換從環境中攝取負熵。人體作為一個兼具生物和社會屬性的典型開放系統，通過與外界進行物質、能量、信息的充分交換輸入負熵進而對抗“熵增”[4，6-7]，維持身體的健康狀態。因此人體是一個復雜龐大的耗散結構，由許多子系統組成，如人體的各個器官協同有序地完成生命活動。目前耗散結構理論已經成為公認的橫跨自然科學和社會科學的理論工具[5]，本綜述嘗試對耗散結構理論與人類健康開展的理論及實證研究進行系統梳理，展望并嘗試其在健康領域的應用。

1 人體機體調節中的耗散結構

耗散結構普遍存在于生物系統中，是所有生物的共有特征[8]，人體跳動的心臟、大腦都被認為是了不起的耗散結構[5]，同時從神經、心臟和代謝振蕩到生物鐘和細胞周期，生物組織的各個層面都存在的節律提供了生物系統中最豐富的耗散結構實例[3]。何萍芬等[5]研究認為人體通過輸入負熵，輸出正熵，保持高度有序的健康狀態。例如人體從外界環境攝入淀粉、O2相當于輸入負熵，通過氧化反應后向環境輸出CO2等小分子和熱能，即正熵，從而實現人體熵降低，環境熵增加的有序狀態。然而內部能量轉換過程的中斷和與環境的能量交換的終止會導致耗散結構的退化，并將其還原為無生命物質（如水、氣體或固體），即生命迎來終止[8]。張岱等[9]在研究機體調節時提出人體“有序-無序-有序”的調節過程是機體調節的基本模式，當內外因素的影響使機體耗散結構功能出現障礙，負熵減少，無序度增大，即出現熵增時，機體便會出現疾病狀態。熵增是人類健康惡化和衰老進程加速的根源，人類天生就具備由自組織、自我防御、自我修復和防磨損系統組成的低熵防護機制[10]。同時，由于人體是認知系統，必須考慮信息熵的產生[11]，大腦作為人體處理各類信息的開放系統，腦與外界不僅需要進行物質能量的交換，而且必須進行信息的交流，遵循以信息為主導的“信息、能量、物質”三維耗散結構[7，12]，已有證據表明教育與成年人全因死亡風險呈現劑量依賴關系，18～49 歲者每多讀1 a 書，死亡風險平均降低2.9%[13]，不難看出通過學習能夠達到機體與環境的信息充分交換。

綜上，耗散結構與生命健康息息相關，基于耗散結構筆者認為人體維持健康是通過“物質-能量-信息”3 條通路與外界環境進行充分交換，如通過飲食、運動、學習、工作、社交等方式從環境中不斷輸入負熵，經過人體充分交換后以排泄（糞便、尿液、汗液等）、學習工作成果匯報、建立社交圈等方式向環境中輸出正熵，維持人體的低熵狀態，見圖1。

圖1 耗散結構與健康關聯示意圖Fig.1 Schematic diagram of dissipative structure and health association

2 耗散結構理論與疾病、衰老等生命現象的研究現狀

人體是一個經典的耗散結構，人體的生命活動如生老病死，在耗散結構理論體系內能夠得到較好的解釋。耗散結構起源于熱力學領域，目前在人體健康與疾病方面的研究尚且局限，筆者嘗試梳理了相關理論及實證研究（表1），主要集中在中醫疾病治療、腫瘤、衰老等方面的探討，且實證研究極少。耗散結構理論中開放系統的負熵化機制與中醫對疾病本質的認識高度一致[14]，從耗散結構理論出發能夠為中醫臨床診療、中西醫結合提供新的思路。同時耗散結構理論能夠從宏觀角度解釋腫瘤的發生和人類衰老的本質，熵可以被定量，如腫瘤信號熵值可以被定量作為預后指標[15]，或許從熵產生角度出發干預患者的生活方式，能夠為腫瘤及其他疾病的治療、人體健康的恢復提供新的思路。然而前人基于耗散結構理論的研究絕大多數都停留在理論和邏輯推理上對所研究疾病或生命現象進行解釋，很少有人依據耗散結構進行實證研究。

表1 耗散結構與生命現象（疾病、衰老等）相關研究梳理Tab.1 A compendium of research related to dissipative structures and life phenomena（disease，aging，etc.）

3 基于耗散結構理論對信息交換的初探

3.1 耗散結構理論中“物質、能量、信息”交換的間接流行病學證據

人體作為一個典型的耗散結構，需要與外界環境進行“物質、能量、信息”的充分交換，輸入負熵，維持身體的健康狀態。雖然基于耗散結構的醫學研究罕見報道，但現有大量流行病學證據間接證明了該理論的正確性和可驗證性。眾所周知，適度運動、健康飲食等物質、能量代謝過程有益于人體健康，能夠改善心腦血管功能和新陳代謝。已有證據表明每天 15 min 或每周 90 min的中等強度運動能夠降低全因死亡率，延長預期壽命[26]；針對老年人記憶力下降和健康問題，健康飲食、主動的認知活動、主動社交以及規律的體育鍛煉均有積極的影響[27-28]；通過生活方式及日常運動的干預，能夠對中度至重度抑郁癥和焦慮癥以及其他疾病提供相當大的益處[29]，同時運動對大腦有保護作用，對神經發育和記憶有積極影響[30]。飲食與心理健康和壓力有相互作用，在一定程度上健康的飲食可以改善精神障礙患者的精神狀態[31-32]，同時飲食是預防與年齡有關的疾病和在衰老過程中保持整體健康狀況的可改變因素之一[33]。

3.2 耗散結構理論中信息交換值得重點關注

綜上筆者推測人體作為一個耗散結構，能夠通過合適的運動積極與環境進行能量、物質的充分交換（如呼吸、流汗、外出運動產生的互動交流等），通過健康的飲食，攝入食物（水分、營養素等）經過體內充分交換之后將體內的高熵排出（尿液、糞便），從而對抗熵增。但是如同以上研究，人們常常關注物質和能量，而忽略了信息交換的重要性，“信息交換”作為一個較易被干預的維度值得重點關注。人的本質是社會關系的總和[34]，社會關系即屬于信息維度。日常的工作、學習等作為信息交換的主要載體，在現代社會中扮演著至關重要的角色，對于個人成長和社會進步都有著深遠的影響。學習與健康方面，一項使用日本最新的全國性調查數據顯示，高教育水平與更好的健康相關行為或狀態相關[35]；此外受教育程度對心血管健康具有保護作用[36]。工作與健康方面，有研究顯示新冠肺炎疫情期間，80.6%的醫療保健專業人員報告了心理困擾，但其工作參與度越高，其心理困擾程度越低[37]；2018 年日本的一項研究顯示，護士為促進自我發展而自愿加班對幸福感具有積極影響[38]，以上研究同樣也間接證明了信息交換對人體健康有重要意義。

3.3 基于耗散結構對孕產婦人群信息交換的初步實證研究

目前尚沒有研究利用該理論對人體的日常信息交換活動進行實證研究從而量化評估人體的健康狀態。為了初步探索信息交換度對健康的影響程度，筆者基于耗散結構理論“信息充分交換可對抗熵增”這一論斷嘗試開發信息交換量表，并提出“信息交換指數”進行量化。由于孕產婦面臨激素水平的劇烈變化以及生活行為方式和工作環境的改變，使該人群成為一個相對脆弱人群，因此筆者選擇孕產婦作為調查對象。筆者猜想孕婦在懷孕及產后之所以面臨多種疾病的威脅，可能與“信息充分交換”的下降相關，基于此假設，開發了孕期信息交換量表（Cronbach's α>0.9）并進行了預調查。調查結果顯示“信息交換指數”與焦慮和體重明顯相關，信息交換指數與孕期焦慮分數呈負相關（r=-0.35，P<0.001，圖2）。與焦慮的OR 值可達0.26（95%CI：0.08～0.80）（表2），人群歸因危險度達到32.67%。同時還利用了團隊前期1 475 份的孕產婦隊列數據，分析了社交回避及苦惱量表（Social Avoidance and Distress Scale，SADS）和社會支持評定量表（Social Support Rating Scale，SSRS）與孕期焦慮之間的關聯性，結果表明初步開發的信息交換指數與焦慮相關性要強于這2 個成熟量表（圖3），進一步佐證了信息交換指數的重要性及初步開發的信息交換量表的信效度。

表2 信息交換指數與孕期焦慮的單因素多因素分析Tab.2 Information exchange index and univariate-multivariate analysis of prenatal anxiety

圖2 信息交換指數與孕期焦慮的相關關系Fig.2 Correlation between the information exchange index and anxiety during pregnancy

4 小結

耗散結構是對抗熵增的有利方式。人體通過與環境進行熵的輸入和輸出，維持一個非線性的熵平衡狀態。本綜述基于耗散結構從宏觀角度探討了機體調節模式，將耗散結構理論與健康相關聯，“物質-信息-能量”是人體實現耗散結構的3條通路。通過梳理前人基于耗散結構開展的與人體生命現象相關的理論研究，發現或許耗散結構理論能夠成為如癌癥、衰老及其他一些疾病治療的突破口。再有，基于耗散結構“物質-信息-能量”的3 條途徑，物質和能量有大量間接證據，而信息維度的佐證相對較少。因此筆者針對孕產婦人群信息交換進行了初步探索，結果也表明信息交換度越高，孕期焦慮患病風險則越低。若基于耗散結構開展實證研究，有望提出新的疾病預防策略，打破以往預防醫學研究范式，提供全新的視角和理論方法。

最后，耗散結構與人類的生命息息相關，在當前醫學研究百花齊放的時期，基于耗散結構理論開展實證研究能夠從生命整體出發，量化人體日常生活產生的負熵，將以往的運動、飲食、心理、社交等提升到物質、能量和信息維度，進一步闡釋影響人體健康的各種因素，提升人類對于疾病本質的認識。而這一目標的實現，需要大量有著相同研究志趣科研人員的共同努力，筆者也期待這一天的早日到來。