生物模型——生命的螺旋

董福田

（1.苏州致和结构医药科技有限公司 江苏 苏州 215123；2.南京师范大学地理科学学院 江苏 南京 210046）

在融合西医和中医理论体系的基础上，本文作者董福田曾提出一种新的医学模式——结构信息医学，即从结构系统的角度认识生命，通过让机体识别具体结构的信息，利用机体结构系统的自适应、自组织等功能，恢复结构系统的动态平衡，达到防治疾病的目的[1]。而实现这一医学模式的前提则需要对生物的结构系统有非常深入的认识。

生物的结构系统是一个由若干要素之间相对稳定的时空关系、联系方式及其组织秩序所构成的具有某种功能的复杂有机系统。生物这个复杂的巨系统，经历了从无到有，由低级向高级，由简单向复杂这样一个漫长的进化过程，并在这一过程中实现了自身的延续和对自身的不断超越。因此，我们首先需要寻找能自组织进化，导致生命起源并支撑后续生物进化的核心结构，然后通过核心结构“生成”生物模型。通过分析和研究生物模型各要素之间的相互作用和相互关系，将生物结构系统中的复杂问题转化为简单问题，以便深入地认识生物的健康和疾病，发现更有效的诊断和治疗疾病的方法。

1.生物的核心结构与生命的螺旋

1.1 生物的核心结构

现代生物学已经证明，生命最本质的东西是新陈代谢和自我复制，前者离不开起催化作用的酶，后者少不了储存遗传信息的核酸。根据现代生物学的研究成果，DNA是遗传信息的载体，但也发现少数RNA病毒靠RNA的自我复制传递遗传信息，有些RNA在一定条件下充当催化剂的角色，如核酶就是一种具有催化功能的小分子RNA。因此，“RNA世界论”认为，RNA分子的出现是生命起源的重要过渡[2]。根据这种假说，在生命进化的早期，即使没有酶，某些RNA可以催化RNA的复制——也就是说，RNA是唯一的遗传物质，即作为具体结构和抽象结构统一体的RNA是生命的源头。按“RNA世界论”说，较长的双螺旋状且不易发生变异的DNA，作为遗传信息库和起催化作用的蛋白质之间的功能分化，是较后发生的事。与RNA分子序列互补的DNA分子具备了保存“遗传”信息的功能，而RNA分子进化为担当蛋白质合成的角色，蛋白质又反过来催化核酸复制，核酸-蛋白质的结构系统诞生了。在35亿年前某个时刻的某个地点，有外膜包裹、含5000个蛋白质、借RNA传递信息，并由DNA主控一切的，具有“自我维生结构”的生命个体，地球上的第一个细胞诞生了。一旦自我维生作用确保了它的生存，而自我繁殖能保证它可以扩展繁衍后代时，在面对外来的严重侵扰时，它们会使用物质和能量，机动且成功地保持自身完整性，生命就开始了它的生物进化旅程[3]。

核酸-蛋白质结构系统的具体结构与抽象结构相互依存、互为因果的相互关系和相互作用的建立，是生命起源的最关键之处。核酸编码规定了蛋白质结构的遗传信息，即核酸记录了蛋白质的抽象结构；蛋白质是一切生命的物质基础，是构成细胞的基本有机物，是生命活动的主要承担者；核酸的合成和复制要由蛋白质（酶）来催化，也就是蛋白质的具体结构催化核酸，核酸的编码和功能靠蛋白质来表达。蛋白质和核酸的相互作用是核酸复制、基因组有序表达与染色体高层次构建及动态结构变化的核心。因此，这两类生物分子缺一不可，形成了抽象结构和具体结构统一的复合体，作为遗传信息载体与表达系统，在生物结构系统的功能中起到支配性作用，不仅是形成第一个细胞生物的基础，也使得生物自身依靠遗传、变异和选择而实现最优化，进化出了整个生物界，是生物的核心结构。

1.2 生命的螺旋

在核酸-蛋白质系统中，核酸转录翻译蛋白质，一段核酸复制并不直接影响另一段核酸的复制，而是通过它所编码的蛋白酶去发生反应，形成催化循环。核酸-蛋白质的这种催化反应让化学物质循环性地发生反应，产生大量与它们本身相同或有变异的形式，形成了最初的信使和翻译产物的关系。当某种信使与相应的翻译产物包括反映翻译产物组成和结构环境之间出现相互促进的协同作用时[4]，简单的、低级的、相互关联的、彼此互补的反应循环便组成复杂的、高级的大循环系统，即超循环系统[5]。

催化循环可以进行自复制，超循环则具有选择的能力，形成了具有自适应、自组织等功能的开放的结构系统，通过不断地与外界交换物质、能量和信息，能够对外界的干扰产生反应，维持它们内部的一致性、自身的整体性。在这个超循环过程中，围绕更有利于生存、繁衍的目的，结构系统以具体结构和抽象结构相互作用为核心，利用自适应、自组织等能力不断建立与周围结构环境的平衡，甚至不断地内化外部结构，更新系统的物质、能量和信息，由原来低级有序转变为一种在时间上、空间上和功能上的高级有序，形成螺旋发展，这就是生命的螺旋，是所有已知生命生存、繁衍和进化的基础。生命的螺旋是具体结构和抽象结构相互依存、互为因果、相互作用下，统一、协同发展的螺旋，防治疾病就应该顺应这个螺旋。

2.生物模型

生物的结构系统是一个复杂的巨系统，是生物结构之间内部关系、联系方式、组织秩序及其时空表现形式的总和，反映了系统所具有的整体行为，即在与外部环境相互联系和相互作用中所表现出来的性质、能力和功效，也就是结构系统的功能。我们认识和研究生物的结构系统，直接目的是为了认识其功能，进而利用、改造和获取其功能，为人类以及其他生物的健康做出贡献。

不同生物的结构系统千差万别，直接研究会非常复杂，而从不同的角度研究结构系统的共性，进而构建生物模型，研究生物结构系统所具有的普遍规律和秩序，可以将复杂问题转化为简单问题进行处理。

2.1 生物模型的核心要素——结构和功能

结构系统如果没有结构之间的内在联系就不会形成系统，而没有和外部结构之间的联系，就不存在系统的功能，所以结构系统是内在规定性和外在规定性的统一，也就是结构和功能的统一。生物对于环境的适应实际上是结构和功能的动态相互作用、相互转化的过程。结构和功能相互依存、互为因果、相互转化，结构对于功能具有决定性作用，同时功能可以反作用于结构。在进化论的发展史上，拉马克“用进废退”的观点，强调结构的变化是功能变化的结果，而达尔文认为，生物体内的“泛生子”可以随着内外环境的变化而发生变异，强调功能的变化归结为结构的变化。根据系统论的观点，只有将两个方面结合起来，才能更全面地理解生物系统的进化。

从结构和功能表现形式的角度，结构深藏于内，功能表现于外。因此从功能来建模的方法可以把被研究的系统视为黑箱，不管具体结构如何，通过输入和输出的分析研究来建立模型，解决问题，属于黑箱法。中医的理论方法就是黑箱法。对系统内部结构进行研究，弄清系统具体的结构以及结构和功能的关系来建立模型，解决问题，属于白箱法。西医的理论方法就是白箱法。从结构系统的过程的角度，结构具有稳定性，而系统的功能则受环境的影响易于变化，因此同西医相比，中医的理论和方法更个性化。为了更深入地认识生物的结构系统，应该从结构和功能统一、黑箱法和白箱法统一的角度建模，研究、利用系统的结构和功能之间的关系，建立防治疾病的理论和方法。

2.2 从结构和功能统一的角度构建生物模型

生物结构系统的核心结构是具体结构和抽象结构的统一，具体结构和抽象结构的相互作用，不仅生成了生物系统的表观，还确定了生物结构系统中结构相对固定的位置，可以作为研究结构之间相互关系和相互秩序的参照，即生物系统的架构，如细胞合成的蛋白质需要得到准确的定位，才能正确地发挥作用。具体结构和抽象结构的相互作用所形成的超循环系统，生成了结构之间复杂的关系网络系统，基因表达受具体结构的调控，而基因表达又建立了新的具体结构的环境，调控后续的基因表达，生成了生物分子各居其位、各司其职、相互作用、严谨有序的生命特性。比如，多细胞生物也是由一个细胞（如高等生物的受精卵）通过高度有序的细胞增殖、分化、生长和发育而形成的，也就是由最初的抽象结构和具体结构的相互作用，即受精卵中的核酸和其所处环境中具体结构的相互作用而生成。生成的生物有机体复杂程度由数百、数万、甚至数亿个行使各种特定功能的细胞组成，各种细胞分工合作，是一个有序而可控的细胞社会，这种社会性的维持，不仅依赖于细胞的物质代谢与能量代谢，更依赖于细胞间的通讯与信号调控，从而协调细胞的行为，诸如细胞生长、分裂、分化、凋亡及其他各种生理功能，实现多细胞生物体完整的生命活动过程。生物根据生理状态分泌各种型号的神经递质、激素、细胞因子等作用于靶细胞，通过调整细胞的状态来调节细胞的功能，以适应整个结构系统的需求[6]。

因此，生物模型的要素包括：表观、架构、关系、秩序和功能。这5个要素是研究生物结构系统的5个角度，也可以称之为结构系统的5个维度。在这5个要素中，表观、架构、关系、秩序是具体结构和抽象结构相互作用的结果，因此这4个要素之间相互作用，统一于结构系统。生物学中，各种生物结构系统之间的差别，最主要的并非由于组成要素成分不同，而是组成要素的结合方式不同，即抽象结构之间的差异，从生物模型的角度，主要在于架构、关系、秩序的差异。对结构系统的研究往往是从表面的、形象的、具体的关系人手，然后才逐步深人到内在的、抽象的、带有普遍性的关系，而且越抽象就越接近其本质。因此具体结构主要是结构系统的量，抽象结构主要是结构系统的质，质和量可以互变。

结构和功能之间相互作用，并统一于结构系统。从功能的角度，所有的生物结构系统都具有自适应、自组织等功能，能够对外界的结构环境产生反应，使用物质、能量和信息来维持它们内部的一致性、自身的整体性，以及结构系统的动态平衡。也就是说，生物模型的5个要素每个维度都不是孤立的、割裂开的，都包含了其他维度的信息，这些不同维度形成了非线性相互作用的有机系统。通过生物模型，能够认识和研究生物的生成、繁衍和进化，从而认识生物的健康与疾病，并找到诊断和防治疾病的方法。

3.生物模型在医学上的应用

生物结构系统都是封闭性和开放性的统一，总是处于与环境的相互联系和相互作用之中。因此，任何生物在生存的过程中，其结构系统都会受到许多扰动，如果扰动超过了生物自身能够调节的范围，机体的结构系统就会失衡，即产生了疾病，需要通过医学手段来恢复平衡。从结构系统失衡的角度，可以分为量变和质变，也就是具体结构的改变和抽象结构的改变，而且往往是先发生某种量的变化，经过进一步的发展，量变转为质变。从扰动的角度，可以分为随机的短暂扰动和长期的扰动，前者主要是造成结构系统内在的失衡，核心是恢复内在的平衡，后者主要是结构系统和扰动的结构系统之间的失衡，核心是建立两个结构系统之间的平衡。结构系统的开放性，不仅是具体结构的开放，还包括关系之间的开放。结构系统与其环境之间的交换，也不仅是物质交换，主要是能量或信息的交换。我们首先研究生物在生存、繁衍和进化过程中，自身所具有的处理上述情况的功能，然后通过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进化

生物在进化过程中受自然选择的支配，一定的环境要求生物必须具备相应的功能去适应它；一定的功能必须由相应的结构来完成。所谓进化就是分化和产生新的结构，具有了新的功能特性，更适应其所处的环境。结构和功能也是生物模型的核心要素，因此我们应当由生物模型来认识生物的进化。

由进化的定义可知，生物进化的本质是抽象结构的进化，也就是在基因层面的进化，比如：

1）基因表达的进化

基因表达随外部结构环境变化发生适当改变和调整是生物适应环境、维持生存、保持自身健康的基本功能。例如细胞在外部信号分子的刺激下，可以通过调节基因的表达，产生抑制性蛋白形成负反馈环来阻断信号传导，从而适应不同强度和时间的外部刺激。

2）基因的改变

在外部环境长期的干扰或强烈的刺激下，量变转为质变，可能会通过基因的改变来适应外部环境。例如细菌在与抗生素的长期“作战”中，可以通过基因的改变形成新的结构，与抗菌药物建立新的平衡，比如合成新的物质灭活抗生素的酶，或者改变细菌的外在结构，形成抗生素难以穿透的生物被膜。

3）基因的融合

所谓基因融合，就是将有利于生存和繁衍的抽象结构即遗传信息整合到结构系统之中。比如细菌的具有抗药性的抽象结构，可以以质粒、转座子的接合、转导等方式快速转移到其他敏感菌中[7]，与敏感菌自身结构融合，实现生物在结构和功能上的共同进步。

从生物模型的角度，上述抽象结构的改变都是由于外部环境的作用，通过生物结构系统所具有的自适应、自组织功能来实现的，并产生了适应性的表观、架构、关系、秩序以及新的功能特性。在生物进化过程中，结构和功能是一体不可分割的。

3.2 由生物模型研究防治疾病的方法

根据对人类健康与疾病本质的哲学认识以及医学实践过程中所遵循的主要方法，医学观主要包括健康观、疾病观、诊断观、治疗观。在健康和疾病的认识上，结构信息医学是从结构系统的角度认识生命，人体结构系统的内外动态平衡，即具体结构与抽象结构的动态平衡，是人体健康的本质。

外部环境对人体总负荷引起的结构系统失衡是产生疾病的根本原因。从生物模型的角度分析，外部结构环境引起机体结构系统的失衡，通常表现为表观、架构、关系、秩序、功能的失衡。比如外伤主要对应表观，是具体结构的改变。外伤以外的疾病，往往是在具体结构和抽象结构相互作用下，引起的表观、架构、关系、秩序和功能的失衡。

具体结构的时空秩序处于正常状态才能形成其功能，所以架构的失衡也会引起结构系统的失衡，比如骶髂关节错缝导致的行动不便。内分泌系统和神经系统的相关疾病，主要是分子信号传导过程中出现障碍所导致的关系紊乱。肿瘤的形成则是破坏细胞生长秩序使其过度增殖，细胞表现出失序状态，从而形成癌症。其中，表观的失衡主要是具体结构的量变；而架构、关系、秩序的失衡主要是抽象结构的质变；功能失衡则是结构失衡后的总体表现，同时又反作用于结构。

“生命赖以负熵为生”[8]。根据耗散结构理论研究系统演化的公式：dS=deS+diS，如果提高结构系统的有序程度，总熵要降低，即dS＜0，也就是从外界引入足够的负熵，系统就可以自发地组织起来，形成有序结构。对于生物结构系统而言，从外界引入的结构信息就是负熵，可以调控其抽象结构，如调控基因的表达，恢复结构系统的平衡或者建立同外界结构系统之间的平衡，从而恢复健康，也可以引入其它结构系统的特性，更有利于结构系统健康地生存和繁衍。

根据螺旋论[9-，10]，首先应该给生物模型建立防治疾病的宏观秩序。生物模型的核心要素是结构和功能，因此要建立结构和功能之间的秩序，经过排列组合，包括以下4种：1）直接干预结构；2）直接干预功能；3）通过功能来干预结构；4）通过结构来干预功能。

生物模型的核心结构为具体结构和抽象结构的统一，相互作用产生了表观、架构、关系、秩序4个要素。单纯从结构的角度建立宏观秩序，也包括4种：1）直接干预具体结构；2）直接干预抽象结构；3）通过抽象结构干预具体结构；4）通过具体结构干预抽象结构。

根据螺旋论，生物模型中结构的宏观秩序，要在结构和功能的宏观秩序的约束下建立。生物模型最基本的功能是自适应、自组织功能。结构信息医学的重点在于通过功能干预结构，针对3）通过抽象结构干预具体结构，可以推导出：用抽象结构通过机体的自组织功能进行整合后生成具体结构，然后具体结构同机体的抽象结构相互作用，调控抽象结构（如改变基因或调控基因的表达），从而生成或调控具体结构；针对4）通过具体结构干预抽象结构，可以推导出：用具体结构通过机体的自适应的识别功能转化为结构信息，然后由结构信息通过机体的自适应、自组织功能调控机体的抽象结构（如改变基因或调控基因的表达）。具体结构和抽象结构本身就是相互作用、相互转化、相互统一的，上述两种秩序，在医学上既可以单独使用，也可以配合使用。

4.总结与展望

所有的生物都配备了“神医”，就是自身的诊断、防御和修复系统，其基础是所有生物结构系统都具有的自适应、自组织，保持结构系统稳定的功能。只有人类有专门的职业—-医生，生命能繁衍几十亿年，靠的是“神医”。那么从医学的角度，是协助“神医”？是取代“神医”？还是要和“神医”对抗？建立生物模型就是为了研究从理论和方法上如何协助“神医”，防治疾病，保持人类健康。