生命本質(zhì)和新型生物模式圖的構(gòu)建探討

肖黨生，方 輝，楊介鉆（浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院：干部科，急診科，傳染病診治國家重點實驗室，浙江 杭州 000）

生命現(xiàn)象是地球上一種常見的現(xiàn)象。雖然很容易將生命現(xiàn)象和非生命現(xiàn)象區(qū)分開，但要提出一個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)纳x，或者探討生命現(xiàn)象的本質(zhì)特征，研究人員又將陷入迷茫之中。生命本質(zhì)認(rèn)識是醫(yī)學(xué)和生物學(xué)界核心的問題。對這一問題清晰、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼J(rèn)識將會給醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的研究帶來新變革。在此，我們將結(jié)合半個多世紀(jì)以來的醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的研究成果探討生命定義，并根據(jù)這些定義分別在細(xì)胞水平和人體水平構(gòu)建新型模式圖。

1 生命定義的提出

生命是什么？上世紀(jì)中葉，諾貝爾物理學(xué)獎獲得者Schr?dinger（薛定諤）在著作What is life?（生命是什么？）一書中提到這一問題，并指出，系統(tǒng)論和分子生物學(xué)方法是解釋生命本質(zhì)的重要途徑[1]。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，分子生物學(xué)領(lǐng)域獲得了極大的突破和發(fā)展，如DNA和RNA被確定為遺傳物質(zhì)，遺傳密碼解讀以及人類遺傳圖譜的繪制[2]。系統(tǒng)生物學(xué)領(lǐng)域也經(jīng)歷了熱平衡系統(tǒng)研究、自組織系統(tǒng)研究和自生長系統(tǒng)研究三個階段[3-5]。生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展沒能形成被醫(yī)學(xué)界廣泛接受的生命定義。有學(xué)者統(tǒng)計出100多個關(guān)于生命的定義[6]，這些定義多為對生命現(xiàn)象的描述和總結(jié)。美國航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）也提出過關(guān)于生命的定義：生命是能夠進行達爾文進化并自我維持的化學(xué)系統(tǒng)[7]。美國NASA的定義旨在探索外太空生命，但這一定義引起很多爭議[8-9]。爭議的焦點就在于這一定義并不能很好地界定生命體與非生命體之間的界限，存在很多例外現(xiàn)象?？傮w而言，這些定義沒能應(yīng)用于臨床實踐，指導(dǎo)臨床疾病的分類與治療。

從生命定義的角度來看，中醫(yī)領(lǐng)域內(nèi)的陰陽氣血的概念應(yīng)該視作對生命的定義與界定。陰陽氣概念建立了生命體與非生命體之間的統(tǒng)一性，血的概念就構(gòu)建了生命現(xiàn)象的特殊性。中醫(yī)學(xué)中的生命認(rèn)識觀是以傳統(tǒng)陰陽五行學(xué)說為基礎(chǔ)，并將這些學(xué)說在生命領(lǐng)域內(nèi)進行延伸和應(yīng)用，形成了能夠指導(dǎo)臨床實踐的理論和實踐體系。中醫(yī)的生命定義缺乏相應(yīng)的生理學(xué)和分子生物學(xué)基礎(chǔ)，也存在語言翻譯上的困難，這就使得中醫(yī)被西方學(xué)界更多地視作一種文化現(xiàn)象，而不是完整的醫(yī)學(xué)體系[10-12]。能否將中醫(yī)生命認(rèn)識觀同現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、生物學(xué)研究進行融合，形成新的生命定義？這一研究在十多年前已經(jīng)展開，但未引起相應(yīng)關(guān)注。在自然界中，生命體可以分為單細(xì)胞生物和多細(xì)胞生物，多細(xì)胞生物是以單細(xì)胞生物為基礎(chǔ)進行生命現(xiàn)象的演化，這就形成兩個關(guān)于生命的定義：在細(xì)胞中，生命本質(zhì)是遺傳信息指導(dǎo)下的能量代謝過程；在多細(xì)胞生命體中，生命本質(zhì)是伴隨干細(xì)胞分裂分化過程的能量代謝過程[13-15]。這兩個定義進行英文修訂后就形成如下表述：A living cell is a chemical system capable of undergoing metabolism of energy agents and gene expression for energy conversions；a living multicellular organism is a chemical system capable of undergoing the metabolisms of energy agents and stem cell proliferation and differentiation for the energy conversions[16-17]. 在多細(xì)胞生命體內(nèi)，干細(xì)胞的分裂分化過程是由基因指導(dǎo)，并成為基因功能的外在表現(xiàn)，這是這兩個定義之間的內(nèi)在邏輯聯(lián)系。這兩個定義也成為構(gòu)建新型生物模式圖的基礎(chǔ)。

2 新型生物模式圖的構(gòu)建

細(xì)胞是所有生命現(xiàn)象的基礎(chǔ)。以細(xì)胞為基礎(chǔ)，現(xiàn)代生物學(xué)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)形成了細(xì)胞模型和解剖模型。陰陽五行學(xué)說是中醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)，以此為基礎(chǔ)，中醫(yī)構(gòu)建了臟腑理論并形成相應(yīng)的治則與治法。以陰陽五行學(xué)說為核心，結(jié)合現(xiàn)代細(xì)胞、解剖基礎(chǔ)等諸多學(xué)科不僅能夠提出新的生命定義，并且可以構(gòu)建兩個新型的生物學(xué)模式圖（圖1～2）。

圖1 細(xì)胞內(nèi)能量代謝模式圖

圖2 人體內(nèi)能量代謝模式圖

2.1 能量物質(zhì)的代謝過程是生命現(xiàn)象的核心過程

任何生命體都是一個復(fù)雜的化學(xué)系統(tǒng)。能量物質(zhì)是所有生命體代謝的起點，獲取能量物質(zhì)是所有生命體代謝的第一步（圖1～2）。生命體需要的能量物質(zhì)僅有單糖、脂肪酸和氨基酸三類。這些能量物質(zhì)可以在細(xì)胞內(nèi)氧化形成代謝終產(chǎn)物并釋放大量熱能。水和電解質(zhì)在生命體內(nèi)的代謝過程中不發(fā)生變化，維生素代謝過程僅能提供少量能量，這三類物質(zhì)不能成為生命體所需要的能量物質(zhì)。生命體也可以將蛋白質(zhì)、脂蛋白和多糖等作為能量來源，這些大分子物質(zhì)需要先降解形成能量物質(zhì)后才能進行氧化代謝。

能量物質(zhì)進入細(xì)胞后將形成四條基本代謝通路（圖3）：第一條是基礎(chǔ)代謝通路，包括：糖酵解、β氧化、脫氨基、三羧酸循化和電子氧化。這條代謝通路的終點就是水、二氧化碳和含氮有機物（尿酸、尿酸和肌酐）。在這條通路中，能量物質(zhì)所攜帶的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成為熱能，熱能蒸騰水液，促使水液離開細(xì)胞從而推動代謝終產(chǎn)物排泄，或者說代謝終產(chǎn)物攜帶熱能離開細(xì)胞實現(xiàn)了熱能的散失。熱能的散失和代謝終產(chǎn)物的排泄是細(xì)胞內(nèi)代謝的最后一步，也是推動整個代謝過程順利進行的原動力。這一原動力使得細(xì)胞內(nèi)能量代謝過程總體趨勢是將能量物質(zhì)氧化形成代謝終產(chǎn)物。在這一通路處于飽和狀態(tài)時，細(xì)胞將衍生出其他代謝通路。

圖3 細(xì)胞內(nèi)能量流動模式圖

第二條代謝通路就是化學(xué)能向機械能和電勢能的轉(zhuǎn)化。在糖酵解和線粒體中氧化磷酸化過程中生成了大量腺嘌呤核苷三磷酸（adenosine-triphosphate,ATP），這些ATP或作用于細(xì)胞膜上的離子交換過程，建立細(xì)胞膜電位，并成為動作電位形成的生理基礎(chǔ)；或作用細(xì)胞內(nèi)的肌纖維蛋白，實現(xiàn)ATP和機械運動之間的偶聯(lián)；或作用于蛋白質(zhì)上氨基酸殘基，推動蛋白質(zhì)的磷酸化和去磷酸化，形成蛋白質(zhì)催化功能周期性波動，實現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)；或推動細(xì)胞內(nèi)大分子物質(zhì)的合成，如DNA、RNA和蛋白質(zhì)等。在上述代謝過程中，儲存于ATP中的化學(xué)能也將轉(zhuǎn)化成為熱能后散失。這條通路構(gòu)建了細(xì)胞內(nèi)外的調(diào)控機制。

第三條通路是細(xì)胞內(nèi)各種化學(xué)物質(zhì)的合成，如乳酸、乙醇、神經(jīng)遞質(zhì)、激素以及大分子的蛋白質(zhì)、細(xì)胞因子等。這些有機分子的合成通路都起源于第一條代謝通路，有機分子合成后或?qū)⑨尫诺郊?xì)胞外，成為細(xì)胞功能的表現(xiàn)形式，如分泌功能等；或?qū)⑻鎿Q細(xì)胞內(nèi)失活的有機分子，實現(xiàn)細(xì)胞結(jié)構(gòu)更新和功能穩(wěn)定；或?qū)⒊蔀榧?xì)胞內(nèi)能量的存儲形成。在多數(shù)情況下，這些有機分子將回歸第一條通路而被氧化形成代謝終產(chǎn)物。由此，細(xì)胞內(nèi)所有的代謝通路將形成一個環(huán)狀。細(xì)胞所需要的有機分子都獲取于這條代謝通路。遺傳信息將部分參與這條通路，如蛋白質(zhì)、DNA和RNA合成。

第四條通路就是細(xì)胞分裂。在第三條通路的基礎(chǔ)上，細(xì)胞可以合成大量DNA、RNA和蛋白質(zhì)，這些生命大分子積累到一定數(shù)量后，細(xì)胞將進行分裂，最終形成兩個子代細(xì)胞。細(xì)胞是由有機物組成，細(xì)胞分裂可以看作母細(xì)胞以子細(xì)胞的形式釋放化學(xué)能量，細(xì)胞分裂也就成為了一種特殊的化學(xué)能轉(zhuǎn)化過程。在這一過程中，遺傳信息占據(jù)主導(dǎo)地位。在人體內(nèi)，細(xì)胞的這一代謝通路成為了干細(xì)胞分裂分化過程的基礎(chǔ)，并維持人體內(nèi)組織器官結(jié)構(gòu)和代謝的穩(wěn)定。子代細(xì)胞可以吸收能量物質(zhì)后繼續(xù)成熟和分裂，也可能因為多種原因死亡降解后轉(zhuǎn)變成為能量物質(zhì)后進入第一條代謝通路而被氧化成終產(chǎn)物。

幾乎所有的生命體都具有上述代謝通路。少數(shù)厭氧菌不具備電子氧化過程，這些生物可以通過釋放小分子的有機物推動能量物質(zhì)的氧化過程，缺乏電子氧化過程就成為這些生物的特征。含有葉綠體的細(xì)胞可以通過光合作用合成葡萄糖，從而將光能轉(zhuǎn)化成為化學(xué)能以供生物圈利用。在海底火山口也可能存在某些可以將熱能轉(zhuǎn)化成為化學(xué)能的生物[18-19]。少數(shù)生物可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成為光能（如螢火蟲）或者電能等。生物的這些特異性代謝途徑仍以上述四條代謝途徑為基礎(chǔ)進行衍生。

能量物質(zhì)是細(xì)胞內(nèi)所有代謝過程的初始底物，第一和第二條代謝通路是能量物質(zhì)的基礎(chǔ)性代謝通路。第三、第四條代謝通路的初始底物也是能量物質(zhì)，通路中的大多數(shù)產(chǎn)物最終回歸到第一條代謝通路進行氧化代謝，這兩條代謝通路就成為能量物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的中間代謝過程，能量物質(zhì)只有在第一、第二條代謝通路處于飽和狀態(tài)時才會進入第三、第四條通路。一旦前兩條代謝通路出現(xiàn)增強，充足的能量物質(zhì)會促使第三、第四條能量代謝通路增強，而能量物質(zhì)供應(yīng)不足則會導(dǎo)致第三、第四條通路受到抑制。

人體是多細(xì)胞生命體，人體內(nèi)能量代謝過程總體趨勢也是將能量物質(zhì)氧化形成代謝終產(chǎn)物，獲取能量物質(zhì)是人體內(nèi)各種代謝的第一步，而熱能推動水液即代謝終產(chǎn)物的排泄也是人體內(nèi)代謝過程的最后一步。人體內(nèi)的細(xì)胞基本都存在上述代謝通路（紅細(xì)胞除外），而且人體內(nèi)的所有代謝也可以按照細(xì)胞內(nèi)代謝形式劃分出相應(yīng)的四條代謝通路。人體內(nèi)的代謝通路也更為復(fù)雜，體內(nèi)細(xì)胞也出現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能的分化，如消化系統(tǒng)是為機體獲取能量物質(zhì)，泌尿系統(tǒng)的功能在于排泄代謝終產(chǎn)物。從能量代謝角度來看，這兩大系統(tǒng)分別處于能量代謝過程的起始端和終末端，這是中醫(yī)將胃、膽囊、小腸、大腸和膀胱歸為腑器官的原因。雖然現(xiàn)代生理學(xué)在各個領(lǐng)域已研究得非常細(xì)致、深入，但仍然存在很多盲點。以代謝終產(chǎn)物排泄為例，代謝終產(chǎn)物的排泄器官包括了泌尿系統(tǒng)，呼吸系統(tǒng)和皮膚。將熱能散失同終產(chǎn)物排泄合并一起考慮時，人體終產(chǎn)物的排泄過程就比現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的認(rèn)識更復(fù)雜、更為有趣。在所有生命體中，熱能散失同終產(chǎn)物排泄相伴而行。由于這一現(xiàn)象存在，人體由低到高形成四個排泄平面：足底平面（排泄的起始平面）；腎臟平面（水溶性終產(chǎn)物排泄平面）；呼吸道平面（二氧化碳排泄平面）和頭頂平面（排泄的終末平面）。這些排泄平面的形成同太陽經(jīng)走行和太陽經(jīng)上腧穴的分布密切相關(guān)。

2.2 基因表達過程是生命體內(nèi)特有特征

細(xì)胞是一個復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)體系，大量蛋白質(zhì)存在使得細(xì)胞內(nèi)生化反應(yīng)在溫和的環(huán)境中持續(xù)進行。細(xì)胞內(nèi)有相應(yīng)的蛋白質(zhì)，就可以形成相應(yīng)的代謝通路，并維持相應(yīng)的生理功能和表觀特征。細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)完成生理功能后會失活。失活后的蛋白質(zhì)將降解形成能量物質(zhì)，并進入第一條代謝途徑氧化形成代謝終產(chǎn)物。此時，細(xì)胞將按照中心法則重新合成蛋白質(zhì)以替代失活蛋白。這就是細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)更新過程（圖4）。這一過程是以中心法則為核心，納入了蛋白質(zhì)發(fā)揮生理功能以及蛋白質(zhì)降解兩個過程。通過蛋白質(zhì)更新過程，細(xì)胞將合成自身所需要的所有蛋白質(zhì)并構(gòu)建自身結(jié)構(gòu)，維持生化反應(yīng)，修復(fù)內(nèi)外因素導(dǎo)致的細(xì)胞損傷，存儲能量物質(zhì)，適應(yīng)外界環(huán)境變化。這一過程底物是能量物質(zhì)，RNA和蛋白質(zhì)都是中間產(chǎn)物，并會降解成能量物質(zhì)。蛋白質(zhì)更新過程可以視作能量物質(zhì)代謝的中間過程，應(yīng)該歸屬于第三和第四條代謝通路中。這條通路的特殊性在于以中心法則為核心的基因表達過程是這條代謝通路的核心，蛋白質(zhì)失活降解就意味著一個周期的基因表達過程的終結(jié)，細(xì)胞將啟動新一輪的基因表達過程用以合成并替代失活蛋白質(zhì)?；虮磉_過程是細(xì)胞內(nèi)不可缺少的代謝過程，并同細(xì)胞內(nèi)能量物質(zhì)的代謝過程一起構(gòu)成細(xì)胞內(nèi)在的核心過程。

圖4 細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)更新過程

人體是多細(xì)胞生命體，是由一個受精卵發(fā)育而來。受精卵是全能干細(xì)胞，能夠發(fā)育成為一個生命個體。當(dāng)人體發(fā)育成熟以后，機體骨髓內(nèi)還存留有全能干細(xì)胞，這些干細(xì)胞不僅能分裂分化形成血細(xì)胞，還能遷徙到特定組織形成定向干細(xì)胞，并最終分裂分化形成體細(xì)胞。這些體細(xì)胞將進行特定的代謝，執(zhí)行特定生理功能。機體內(nèi)多數(shù)體細(xì)胞在完成生理功能后死亡降解成為能量物質(zhì)后再氧化成終產(chǎn)物。人體內(nèi)僅有神經(jīng)細(xì)胞的生命周期同人體壽命相一致。體細(xì)胞死亡就意味著一個周期的干細(xì)胞分裂分化過程的結(jié)束，人體通過新一輪的干細(xì)胞分裂分化過程生成體細(xì)胞以替代死亡細(xì)胞。人體內(nèi)干細(xì)胞分裂分化過程的生理作用就包括：發(fā)育成為成熟的生命個體；完成組織器官內(nèi)體細(xì)胞更替，從而維持組織器官功能的穩(wěn)定；在機體遭受損傷時完成受損組織和器官的修復(fù)；以細(xì)胞的形式實現(xiàn)對能量物質(zhì)的存儲[20-21]。在人體內(nèi)，干細(xì)胞分裂分化過程是以能量物質(zhì)作為底物，即能量代謝過程推動干細(xì)胞分裂分化形成體細(xì)胞，而體細(xì)胞死亡后再次降解形成能量物質(zhì)后進入氧化過程。這就意味著在人體中，干細(xì)胞分裂分化過程是能量物質(zhì)代謝的中間過程，這一過程有遺傳信息的參與。干細(xì)胞分裂分化過程就是成為多細(xì)胞生物內(nèi)微觀信息與宏觀表現(xiàn)之間的橋梁，并同能量物質(zhì)代謝過程一起成為人體內(nèi)的核心生理過程。

3 影響生命體內(nèi)能量代謝過程和基因表達（干細(xì)胞分裂分化過程）的因素

在細(xì)胞內(nèi)和人體內(nèi)，能量物質(zhì)氧化成為代謝終產(chǎn)物的過程是生命體內(nèi)的代謝總趨勢。根據(jù)氧化反應(yīng)的化學(xué)方程式，細(xì)胞內(nèi)的氧化過程和人體內(nèi)的氧化過程都可以歸結(jié)成為圖5。圖5中顯示，能量物質(zhì)的氧化過程中存在五個基本因素：能量物質(zhì)、氧氣、代謝終產(chǎn)物、能量和催化劑[22]。在細(xì)胞內(nèi)每個因素都形成相應(yīng)的代謝通路：能量物質(zhì)的吸收和存儲；無氧氧化和有氧氧化；代謝終產(chǎn)物的釋放；能量的釋放（包括細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)通路）和基因表達[17]。在細(xì)胞中有相應(yīng)的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)執(zhí)行于相應(yīng)的代謝過程。在細(xì)胞中，能量物質(zhì)的代謝過程和遺傳信息表達過程是兩個核心生理過程，這兩個核心生理過程是受到五個基本代謝通路的影響，這五個通路可以同五行相對應(yīng)，并可以通過五行學(xué)說論述相互關(guān)系以及作用規(guī)律。

圖5 能量物質(zhì)氧化過程模式圖

人體內(nèi)能量物質(zhì)的氧化過程、人體內(nèi)生理代謝過程也受到能量物質(zhì)、氧氣、代謝終產(chǎn)物、能量和催化劑等五個因素的影響。這五個因素在人體內(nèi)形成相應(yīng)的代謝過程通路：能量物質(zhì)的獲取和存儲；無氧氧化和有氧氧化；代謝終產(chǎn)物排泄；能量釋放（包括人體內(nèi)神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)對機體內(nèi)代謝的調(diào)控）；以及干細(xì)胞分裂分化[23]。在人體中，干細(xì)胞分裂分化過程是基因表達的結(jié)果，是基因在人體內(nèi)的體現(xiàn)形式，在此就干細(xì)胞分裂分化過程取代基因表達過程從而顯示多細(xì)胞生命體的特殊性。這五個生理過程可以同五行相對應(yīng)，并通過五行學(xué)說來闡述相互之間的關(guān)系及作用規(guī)律。

4 展望

生命是什么？文中的生命定義和新型模式圖或許提供了一個新視角以認(rèn)識生命現(xiàn)象。生命定義清晰界定了生命現(xiàn)象和非生命現(xiàn)象之間的界限。這里需要說明的就是，病毒不能進行獨立的能量代謝過程和基因表達過程，也無法形成相應(yīng)的四條代謝通路，病毒就成為一種特殊的生命現(xiàn)象，也是生命現(xiàn)象和非生命物質(zhì)之間的分界線。另外，細(xì)菌芽孢、凍存的細(xì)胞以及儲藏的種子不具備生命運行的核心過程，但這些生命體在特定條件下可以恢復(fù)內(nèi)在能量代謝過程和基因表達及干細(xì)胞分裂分化過程，應(yīng)該視作靜默的生命體。就任何一個生命體而言，它的生命現(xiàn)象都是以內(nèi)在能量物質(zhì)代謝和基因表達間交互作用為核心進行演化。

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和現(xiàn)代生物學(xué)獲得了巨大的發(fā)展，但仍存在很多盲點，這兩個新型模式圖將有助于認(rèn)識盲點、研究盲點。如前文中提到的熱能散失的過程，這一過程就同代謝終產(chǎn)物的排泄相伴而行，在人體中，這種相伴而行就形成了相應(yīng)的四個排泄平面。這四個排泄平面是物理規(guī)律的必然結(jié)果，而且相應(yīng)的四個排泄平面對疾病的形成、發(fā)展和預(yù)防都有非常重要的指導(dǎo)意義。以新型模式圖為基礎(chǔ)，結(jié)合相應(yīng)的物理化學(xué)理論，很多被漠視的現(xiàn)象也能得到相應(yīng)的解釋。

不可否認(rèn)，新型模式圖的形成受到了傳統(tǒng)中醫(yī)中陰陽五行學(xué)說的啟發(fā)，并將陰陽五行學(xué)說的核心理論應(yīng)用于細(xì)胞和人體之中，如模式圖中的基因表達過程和干細(xì)胞分裂分化過程可以歸屬于陰，而能量代謝過程則可以歸屬于陽。以能量物質(zhì)氧化為基礎(chǔ)的五個基本因素以及其在細(xì)胞和人體內(nèi)的代謝通路就可以進行五行歸屬劃分。這就為傳統(tǒng)中醫(yī)理論找到現(xiàn)代生理學(xué)基礎(chǔ)，也將有利于傳統(tǒng)中醫(yī)的進一步發(fā)展。