生物信息材料學(xué)初探

摘要：生物信息材料學(xué)是融合醫(yī)學(xué)、信息學(xué)、材料學(xué)等多個學(xué)科的一門交叉學(xué)科，內(nèi)容涵蓋建立動態(tài)平衡的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型、生命結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的演化和生物信息材料的研制及其利用3個部分。首先，通過數(shù)學(xué)推理的方法論述了符合“陰陽五行模型”結(jié)構(gòu)系統(tǒng)所具有的動態(tài)平衡的特性；其次，論證了生命結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是從具體結(jié)構(gòu)主導(dǎo)的演化發(fā)展到抽象結(jié)構(gòu)主導(dǎo)的演化過程中誕生，進(jìn)而闡述了疾病與健康的統(tǒng)一理論，提出“以邪扶正”和“以正扶正”兩種治療疾病、維護(hù)健康的方法；最后，提出讓生物通過識別設(shè)計加工而成的材料中的結(jié)構(gòu)信息，通過調(diào)節(jié)基因表達(dá)的創(chuàng)新材料設(shè)計目標(biāo)的理論和方法，建立生物信息材料學(xué)?；诖耍\(yùn)用生物信息材料學(xué)中維護(hù)生命健康的理論和方法所研制出的功能性材料，可應(yīng)用于治療疾病的藥物、預(yù)防保健的功能食品，并拓展應(yīng)用到有益生命健康的化妝品、日用品等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：動態(tài)平衡；動態(tài)平衡的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型；自適應(yīng)；自組織；生物信息材料學(xué)；以邪扶正；以正扶正

疫苗的發(fā)現(xiàn)是人類醫(yī)學(xué)史上一件具有里程碑意義的事件。人體接種疫苗以后，會刺激機(jī)體發(fā)生反應(yīng)，引起免疫應(yīng)答生成相應(yīng)的抗體，使人體對此病原體具有免疫和防御作用［12］。但是，人體為何會對不攻擊人體的滅活疫苗產(chǎn)生反應(yīng)？因?yàn)樯锸且环N具有保持動態(tài)平衡功能的化學(xué)系統(tǒng)［3］，不但自身體內(nèi)的所有結(jié)構(gòu)都可以動態(tài)調(diào)節(jié)，而且還能生成調(diào)節(jié)外部結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，這是生物繁衍和生存必須具有的最基本功能。因此，滅活疫苗這種人體不需要的結(jié)構(gòu)在進(jìn)入人體后，機(jī)體為了維護(hù)動態(tài)平衡，就會生成相應(yīng)的制約性結(jié)構(gòu)——抗體。深入探索生物所具有的維持自身平衡的功能并加以利用，將極大地增強(qiáng)人類維護(hù)健康的能力。但要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，首先應(yīng)該研究和建立動態(tài)平衡結(jié)構(gòu)模型。

1動態(tài)平衡的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是內(nèi)在規(guī)定性和外在規(guī)定性的統(tǒng)一，通過結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系形成系統(tǒng)，再通過與外部結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系形成系統(tǒng)的功能，即結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)和功能的統(tǒng)一。生物學(xué)認(rèn)為，結(jié)構(gòu)與功能是相適應(yīng)的，結(jié)構(gòu)的演化是為了改善其功能，而功能反過來又會影響結(jié)構(gòu)的演化。生物的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的巨系統(tǒng)，不同生物具有不同的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，故而難以直接研究生物結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。需要通過構(gòu)建動態(tài)平衡的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型，研究結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的共性，進(jìn)而探索發(fā)現(xiàn)其所具有的規(guī)律與秩序，才能將復(fù)雜問題簡單化。

生物是一個動態(tài)平衡的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，意味著生物結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)是可以自主調(diào)節(jié)的。假設(shè)生物結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)為x，機(jī)體為了維持其動態(tài)平衡，根據(jù)需要x的量可增可減，即要有促進(jìn)x的結(jié)構(gòu)和制約x的結(jié)構(gòu)，而x在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中也具有促進(jìn)或制約其他結(jié)構(gòu)的作用。因此，在一個理想的結(jié)構(gòu)模型中，必然存在受x制約的結(jié)構(gòu)和制約x的結(jié)構(gòu)，即制約作用；同時，也必然存在受x促進(jìn)的結(jié)構(gòu)和促進(jìn)x的結(jié)構(gòu)，即促進(jìn)作用。加上它自身共5個結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了一個相互制約和相互促進(jìn)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，這與相生相克的“陰陽五行模型”相類似，符合“陰陽五行模型”的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有保持自身動態(tài)平衡的特性［4］，具體證明過程如下。

假設(shè)A、B、C、D、E是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的要素，見圖1。其中A促進(jìn)B，B促進(jìn)C，E制約B，B制約D，C促進(jìn)D，C制約E，A制約C，D促進(jìn)E，D制約A，E促進(jìn)A。設(shè)f（X）為系統(tǒng)的結(jié)果函數(shù)，在對應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)不同的元素

圖1結(jié)構(gòu)系統(tǒng)作用模型

時會轉(zhuǎn)化，則若f（E1）和f（A1）已知，E作為起點(diǎn)，根據(jù)結(jié)構(gòu)之間的促進(jìn)作用和制約作用：

f（E1）=f（E1），f（A1）=f（A1），f（B1）=f（A1）-f（E1），f（C1）=f（B1）-f（A1），f（D1）=f（C1）-f（B1），f（E2）=f（D1）-f（C1），f（A2）=f（E2）-f（D1），f（B2）=f（A2）-f（E2）……

f（En）=f（Dn-1）-f（Cn-1），f（An）=f（En）-f（Dn-1），f（Bn）=f（An）-f（En），f（Cn）=f（Bn）-f（An），f（Dn）=f（Cn）-f（Bn），f（En+1）=f（Dn）-f（Cn），f（An+1）=f（En+1）-f（Dn）……，其中n＞2

則f（En）+f（An）+f（Bn）+f（Cn）+f（Dn）+f（En+1）=f（Dn）-f（Cn-1）

f（Cn-1）-f（Dn）=f（Bn-1）-f（An-1）-f（Cn）+f（Bn），

其中f（Cn）=f（Bn）-f（An）

因此，f（Cn-1）-f（Dn）=f（Bn-1）+f（An）-f（An-1），

其中f（An）=f（En）-f（Dn-1）=f（Dn-1）-f（Cn-1）-f（Dn-1）=-f（Cn-1）

因此，f（Cn-1）-f（Dn）=f（Bn-1）-f（Cn-1）-f（An-1）=f（Bn-1）-f（An-1）-f（Cn-1），

其中f（Cn-1）=f（Bn-1）-f（An-1）

因此，f（Cn-1）-f（Dn）=0，即f（Dn）=f（Cn-1），同理可以證明在系統(tǒng)的動態(tài)變化過程中要素之間的關(guān)系。

所以，f（En）+f（An）+f（Bn）+f（Cn）+f（Dn）+f（En+1）=f（Dn）-f（Cn-1）=0，f（An）+f（Bn）+f（Cn）+f（Dn）+f（En）+f（En+1）=0，而不是f（An）+f（Bn）+f（Cn）+f（Dn）+f（En）=0，因此這樣的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能保持動態(tài)平衡。f（Dn）=f（Cn-1）說明在這個動態(tài)平衡系統(tǒng)之中，某個數(shù)值會在相互作用的要素中周期性地依次出現(xiàn)，例如當(dāng)f（E1）=10、f（A1）=15時，見圖2。這個數(shù)值代表該要素功能屬性的能力、強(qiáng)度等。

圖2結(jié)構(gòu)系統(tǒng)周期律

動態(tài)平衡系統(tǒng)中的要素在受到外部干擾時，只要沒有超出要素本身的闕閾值，系統(tǒng)仍然能夠保持動態(tài)平衡的特性，而且由于要素之間的相互作用，外部干擾會傳遞給系統(tǒng)中的每個要素。例如當(dāng)擾動量△T對要素A產(chǎn)生干擾時，雖然f（A2）發(fā)生了變化，但系統(tǒng)仍保持穩(wěn)定，并將△T在各要素間傳遞，見圖3。

圖3結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)平衡

因?yàn)?，f（En）=f（Dn-1）-f（Cn-1），則f（Cn-1）=f（Dn-1）-f（En）；

而且，f（An）=f（En）-f（Dn-1）；

因此，f（An）+f（Cn-1）=0。

同理可以證明：f（Bn）+f（Dn-1）=0，f（En）+f（B）=0等。每個要素都代表了一個復(fù)合結(jié)構(gòu)，包含了促進(jìn)結(jié)構(gòu)和制約結(jié)構(gòu)，在循環(huán)往復(fù)相互作用的動態(tài)變化之中，都有其互補(bǔ)作用的出現(xiàn)，能自動調(diào)節(jié)從而維持結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)平衡。

以上結(jié)果表明，相生相克的“陰陽五行結(jié)構(gòu)模型”是一種動態(tài)平衡的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，是簡單與復(fù)雜的統(tǒng)一，這也是所有生命結(jié)構(gòu)系統(tǒng)所具有的結(jié)構(gòu)特性。“陰陽五行結(jié)構(gòu)模型”揭示了由簡單系統(tǒng)向復(fù)雜系統(tǒng)演化的最基本的機(jī)理。

（1） “陰陽五行結(jié)構(gòu)模型”中的每個要素都與其他4個要素發(fā)生相互作用，其中既有生它的又有克它的，既有它生的又有它克的。生使其強(qiáng)度增大，克使其強(qiáng)度減小，循環(huán)往復(fù)，自我調(diào)節(jié)，并形成“五行勝復(fù)”的反饋機(jī)制。若有一行過于亢盛，按相克次序依次制約，以制約其偏盛，使之復(fù)歸于平衡，反之同理。

（2） 但如果模型中的要素異于5，那么與每個要素發(fā)生相互作用的要素不是少于4個就是多于4個。①如果多于4個，仍然可以根據(jù)“陰陽五行結(jié)構(gòu)模型”中“其他要素促進(jìn)它的結(jié)構(gòu)與其他要素制約它的結(jié)構(gòu)、它促進(jìn)其他要素的結(jié)構(gòu)與它制約其他要素的結(jié)構(gòu)”這一原則進(jìn)行要素之間的組合，最終仍然可以歸結(jié)為4種要素；②如果少于4個，則在這個模型中，一定有一個要素缺少一種促進(jìn)它或者制約它的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)模型就不能保持持久的動態(tài)平衡。以上通過數(shù)學(xué)推理的方法論證了按照“陰陽五行結(jié)構(gòu)模型”所構(gòu)建的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有動態(tài)平衡的特性，而且這個動態(tài)平衡是結(jié)構(gòu)內(nèi)部相互作用產(chǎn)生的結(jié)果。

2生命結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的演化

宇宙是由物質(zhì)、能量、信息構(gòu)成的。物質(zhì)是由能量構(gòu)成的，能量結(jié)構(gòu)化為長時間存在的狀態(tài)，即為目前科學(xué)認(rèn)知的物質(zhì)，因此物質(zhì)的秩序本質(zhì)是能量秩序，而秩序?qū)儆谛畔ⅰＲ虼?，物質(zhì)屬于具體結(jié)構(gòu)，能量則屬于抽象結(jié)構(gòu)，而信息屬于更加抽象的結(jié)構(gòu)，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息本質(zhì)上是能量結(jié)構(gòu)信息。

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的演化就是在動態(tài)平衡的基礎(chǔ)上構(gòu)建新的動態(tài)平衡。量子力學(xué)表明，人類觀察的世界越細(xì)微就越不穩(wěn)定，構(gòu)成一塊石頭的基本粒子是一群在微觀上轉(zhuǎn)瞬即逝相互作用的事件。在一個時間尺度內(nèi)宏觀上看似靜止的物質(zhì)，其實(shí)本質(zhì)上都是一個多層次的動態(tài)平衡系統(tǒng)，即在動態(tài)平衡的基礎(chǔ)上構(gòu)建新的動態(tài)平衡，從而形成了相對穩(wěn)定的宏觀物質(zhì)?，F(xiàn)代科學(xué)可以在瞬間制造出巨大的能量，比如通過日內(nèi)瓦的大型強(qiáng)子對撞機(jī)，無數(shù)粒子從能量的海洋中噴薄而出。不同能量（抽象結(jié)構(gòu)）相互作用，形成了動態(tài)平衡，從而生成具體結(jié)構(gòu)（物質(zhì)），為具體結(jié)構(gòu)主導(dǎo)的結(jié)構(gòu)演化提供了基礎(chǔ)。地球溫度逐步下降以后，在極其漫長的時間內(nèi)，由非生命物質(zhì)的具體結(jié)構(gòu)主導(dǎo)了系統(tǒng)演化過程，然后一步一步演變?yōu)橛沙橄蠼Y(jié)構(gòu)主導(dǎo)的系統(tǒng)演化，最后產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，最終誕生了生命。

2.1具體結(jié)構(gòu)主導(dǎo)的演化

現(xiàn)在研究一個持續(xù)演化的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)C，用S表示C的具體結(jié)構(gòu)，A表示C的抽象結(jié)構(gòu)。

（1） 由能量之間的相互作用形成動態(tài)平衡結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)化的能量，從而生成了粒子s11，s11的結(jié)構(gòu)信息為a11，C（S1，A1），其中，S1（s11），A1（a11）。

（2） 粒子之間相互作用，在動態(tài)平衡結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上形成更高級的動態(tài)平衡結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

（3） C（S2，A2），其中S2（s11，s12……s1n），A2（a11，a12，……a1n），A2包含了描述s11和s12等子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)信息，也包含了s11和s12等子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)相互作用形成的更高級動態(tài)平衡結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的信息。A2要把C的具體結(jié)構(gòu)信息描述出來，需要描述S2中所有的結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

（4） C繼續(xù)演化，在上述動態(tài)平衡結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上相互作用，形成更高級的動態(tài)平衡結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，隨著結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中要素的增加和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)層次的增加，子系統(tǒng)之間（這個級別的子系統(tǒng)設(shè)為Sk）除了共價鍵之間的相互作用形成的動態(tài)平衡系統(tǒng)Sn，不同子系統(tǒng)之間以非共價鍵相互作用，形成了更高級的動態(tài)平衡結(jié)構(gòu)Sn+1、Sn+2……。即在穩(wěn)定的低級結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上形成了更高級的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，這個更高級結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，也就是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)本身不同部分之間的相互作用形成新的更具有適應(yīng)性的動態(tài)平衡結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，只有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)成為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的控制性結(jié)構(gòu)，從而決定其更高級的適應(yīng)性結(jié)構(gòu)，特別是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的線性結(jié)構(gòu)信息就可以定義這個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，可以把這種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的信息稱之為定義性結(jié)構(gòu)信息。這種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有簡單與復(fù)雜的統(tǒng)一、穩(wěn)定性與適應(yīng)性的統(tǒng)一，則可以成為生物大分子結(jié)構(gòu)，演化為更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。把C的具體結(jié)構(gòu)信息描述出來，只需要描述結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中Sn這個級別的線性的結(jié)構(gòu)信息，也就是上述的定義性結(jié)構(gòu)信息，就可以確定C。

（5） 假設(shè)定義的具體結(jié)構(gòu)為Sm，其結(jié)構(gòu)信息為Am；被定義的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)為Sn，其結(jié)構(gòu)信息為An。從而結(jié)構(gòu)系統(tǒng)C表示為：C［（Sm，Sn），（Am，An）］。假設(shè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)E包含的結(jié)構(gòu)信息恰好對應(yīng)于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)C的Am，即一個具體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)信息定義了另外一個具體結(jié)構(gòu)，而且E在和另外的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)B相互作用下合成了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)C，即B促進(jìn)了C，而B這個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)也是由E包含的具體結(jié)構(gòu)信息所定義的。同理，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)A促進(jìn)了B，而A的存在又制約了C的合成；C的存在又促進(jìn)了D，而D又促進(jìn)E的合成，而B的存在制約了D。如此發(fā)展下去，在某處就產(chǎn)生了A、B、C、D、E相互作用動態(tài)平衡的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，而且A、B、C、E都是D所包含的結(jié)構(gòu)信息所定義的，從而形成了一個能夠自我維持的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，A、B、C、D、E都是這個自我維持結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，也就是要素。這個自我維持的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的本質(zhì)是具體結(jié)構(gòu)與抽象結(jié)構(gòu)相互作用形成的動態(tài)平衡結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，更能夠適應(yīng)環(huán)境而存在，那么結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的演化就由具體結(jié)構(gòu)主導(dǎo)的演化發(fā)展為由抽象結(jié)構(gòu)主導(dǎo)的演化。

2.2抽象結(jié)構(gòu)主導(dǎo)的演化

上述自我維持結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不斷演化發(fā)展，在動態(tài)平衡的基礎(chǔ)上形成了更高級的動態(tài)平衡系統(tǒng)，但是其中的結(jié)構(gòu)都是由自身的抽象結(jié)構(gòu)所定義的，而且只是抽象結(jié)構(gòu)所能定義的子集，這種更高級的動態(tài)平衡系統(tǒng)本質(zhì)上是抽象結(jié)構(gòu)演化的結(jié)果。這種自我維持的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在環(huán)境變化的時候，通過系統(tǒng)中具體結(jié)構(gòu)和抽象結(jié)構(gòu)的相互作用，調(diào)節(jié)具體結(jié)構(gòu)合成的量，或者合成那些不同的具體結(jié)構(gòu)，甚至通過抽象結(jié)構(gòu)的重組，合成新的結(jié)構(gòu)，既能維持自身的動態(tài)平衡，又能適應(yīng)環(huán)境的變化，也就是具有了自適應(yīng)、自組織、維持動態(tài)平衡的功能。

從生物大分子物質(zhì)組成多分子體系，也就是具體結(jié)構(gòu)和抽象結(jié)構(gòu)相互作用，構(gòu)成了動態(tài)平衡的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，具有了自適應(yīng)、自組織、保持自身動態(tài)平衡的功能。然后結(jié)構(gòu)演化就進(jìn)入了抽象結(jié)構(gòu)主導(dǎo)演化的階段，特別是多分子體系演變?yōu)榫哂行玛惔x、能夠自我復(fù)制的原始生命體，就進(jìn)入了生物演化的階段。一旦自我維生作用確保了原始生命的生存，而自我繁殖能保證它可以繁衍后代時，在面對外來的嚴(yán)重侵?jǐn)_時，它們會使用物質(zhì)和能量，機(jī)動且成功地保持自身完整性，生命就開始了它的生物進(jìn)化旅程［5］。

生物的核酸蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)與抽象結(jié)構(gòu)相互依存、互為因果的相互關(guān)系和相互作用的建立，是生命起源的最關(guān)鍵之處。核酸編碼規(guī)定了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的遺傳信息，即核酸記錄了蛋白質(zhì)的抽象結(jié)構(gòu)；蛋白質(zhì)是一切生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，是構(gòu)成細(xì)胞的基本有機(jī)物，是生命活動的主要承擔(dān)者；核酸的合成和復(fù)制要由蛋白質(zhì)（酶）來催化。也就是蛋白質(zhì)的具體結(jié)構(gòu)催化核酸，核酸的編碼和功能靠蛋白質(zhì)來表達(dá)。蛋白質(zhì)和核酸的相互作用是核酸復(fù)制、基因組有序表達(dá)與染色體高層次構(gòu)建及動態(tài)結(jié)構(gòu)變化的核心。因此，這兩類生物分子缺一不可，形成了抽象結(jié)構(gòu)和具體結(jié)構(gòu)統(tǒng)一的復(fù)合體，作為遺傳信息載體與表達(dá)系統(tǒng)，在生物結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的功能中起到支配性作用，不僅是形成第一個細(xì)胞生物的基礎(chǔ)，也使得生物自身依靠遺傳、變異和選擇而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，進(jìn)化出了整個生物界，是生物的核心結(jié)構(gòu)。

在核酸蛋白質(zhì)系統(tǒng)中，核酸轉(zhuǎn)錄翻譯蛋白質(zhì)，一段核酸復(fù)制并不直接影響另一段核酸的復(fù)制，而是通過它所編碼的蛋白酶去發(fā)生反應(yīng)，形成催化循環(huán)。核酸蛋白質(zhì)的這種催化反應(yīng)讓化學(xué)物質(zhì)循環(huán)性地發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)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(chǎn)物的關(guān)系。當(dāng)某種信使與相應(yīng)的翻譯產(chǎn)物包括反映翻譯產(chǎn)物組成和結(jié)構(gòu)環(huán)境之間出現(xiàn)相互促進(jìn)的協(xié)同作用時［6］，簡單的、低級的、相互關(guān)聯(lián)的、彼此互補(bǔ)的反應(yīng)循環(huán)便組成復(fù)雜的、高級的大循環(huán)系統(tǒng)，即超循環(huán)系統(tǒng)［7］。催化循環(huán)可以進(jìn)行自復(fù)制，超循環(huán)則具有選擇的能力，形成了具有自適應(yīng)、自組織等功能的開放的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通過不斷地與外界交換物質(zhì)、能量和信息，能夠?qū)ν饨绲母蓴_產(chǎn)生反應(yīng)，維持它們內(nèi)部的一致性和自身的整體性。在這個超循環(huán)過程中，圍繞更有利于生存、繁衍的目的，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)以具體結(jié)構(gòu)和抽象結(jié)構(gòu)相互作用為核心，利用自適應(yīng)、自組織等能力不斷建立與周圍結(jié)構(gòu)環(huán)境的平衡，甚至不斷地內(nèi)化外部結(jié)構(gòu)，更新系統(tǒng)的物質(zhì)、能量和信息，由原來低級有序轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時間上、空間上和功能上的高級有序，在動態(tài)平衡結(jié)構(gòu)系統(tǒng)之上形成更高級的動態(tài)平衡結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，螺旋演化發(fā)展，這就是生命的螺旋，是所有已知生命生存、繁衍和進(jìn)化的基礎(chǔ)。

通過生物自身的自適應(yīng)、自組織、構(gòu)建動態(tài)平衡的功能，調(diào)節(jié)自身的結(jié)構(gòu)，理論上不但可以治療疾病、維護(hù)健康，還可以預(yù)先設(shè)計出特定結(jié)構(gòu)或者未來環(huán)境具有的結(jié)構(gòu)，讓生物識別其結(jié)構(gòu)信息，從而提前演化出相應(yīng)的有利于生存或健康的結(jié)構(gòu)，變被動適應(yīng)為主動提前演化。

3生物信息材料

中醫(yī)是通過陰陽五行來研究和維護(hù)人體的動態(tài)平衡［8］，并提出了通過調(diào)整人體的陰陽平衡，可以增強(qiáng)人體自我修復(fù)和抵抗能力，達(dá)到恢復(fù)健康目的的扶正理論［9］。而上述動態(tài)平衡的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型則是中醫(yī)陰陽五行和現(xiàn)代生物學(xué)在基礎(chǔ)理論上的融合，如果再結(jié)合扶正理論，建立一個調(diào)節(jié)自身結(jié)構(gòu)的、將疾病與健康統(tǒng)一的通用理論，就可以依據(jù)這個理論來設(shè)計、研發(fā)、加工能通過促進(jìn)機(jī)體合成或調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)來恢復(fù)平衡的材料。這種通用理論和局限于免疫系統(tǒng)的疫苗不同，能研發(fā)出針對生物的不同細(xì)胞、組織、器官、系統(tǒng)等恢復(fù)結(jié)構(gòu)平衡的各種材料，其也被稱為生物信息材料。

3.1疾病與健康的統(tǒng)一理論

生物為了維持自身的動態(tài)平衡，通過識別外部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)信息調(diào)節(jié)自身的基因表達(dá)，實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)量的調(diào)節(jié)。假設(shè)和結(jié)構(gòu)x構(gòu)建動態(tài)平衡，x的量要可以調(diào)節(jié)，那么就需要有促進(jìn)性結(jié)構(gòu)，可以讓x的量變多，也就是“生”的結(jié)構(gòu)；也需要有制約性結(jié)構(gòu)，可以讓x的量變少，也就是“克”的結(jié)構(gòu)。制約性結(jié)構(gòu)和促進(jìn)性結(jié)構(gòu)的多少，取決于x是否是生物所需要的結(jié)構(gòu)，即是否有益于生物結(jié)構(gòu)系統(tǒng)自身的動態(tài)平衡。比如滅活疫苗進(jìn)入人體后，雖然對人體沒有攻擊性，但是人體的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中并沒有與其構(gòu)成動態(tài)平衡的結(jié)構(gòu)，即并不需要它，所以人體就會大量產(chǎn)生抗體，也就是制約性的結(jié)構(gòu)。

對于一個給定的組織或者器官，假定平衡健康的狀態(tài)下其結(jié)構(gòu)組成的集合為A，和A中每個結(jié)構(gòu)相互作用而形成平衡的結(jié)構(gòu)所組成的集合為A′。假設(shè)A中的結(jié)構(gòu)x和A′中的結(jié)構(gòu)x′相互作用形成平衡，當(dāng)機(jī)體識別到x′的結(jié)構(gòu)信息后，如果x缺失，因?yàn)槿梭w具有自適應(yīng)、自組織構(gòu)建平衡的功能，就會自我調(diào)高x結(jié)構(gòu)相關(guān)的基因表達(dá)合成結(jié)構(gòu)x，從而恢復(fù)x與x′之間的平衡。那么因?yàn)槿笔而對健康產(chǎn)生的影響就能夠消除，從而恢復(fù)健康。如果一次性服用含有A′中所有結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，理論上A結(jié)構(gòu)中不同失衡所造成的各種對健康的影響都能夠消除，這就是從健康的角度而不是從疾病的角度去維護(hù)健康。這種方法可以用于治療各種內(nèi)源性疾病、慢性病、退行性疾病等，如果這個疾病具有遺傳性，那么如果x′的信息量足夠大，則x的相應(yīng)基因表達(dá)的基因修飾甚至可以遺傳給后代，從而不再把這種病遺傳給后代。假設(shè)A′中新增了結(jié)構(gòu)x′，機(jī)體本身沒有表達(dá)x結(jié)構(gòu)的基因，機(jī)體識別了x′的結(jié)構(gòu)信息，就會通過基因重組創(chuàng)造出x來維護(hù)機(jī)體的動態(tài)平衡，如最常見的就是疫苗，其中x′是病毒結(jié)構(gòu)，x就是對應(yīng)的抗體。

疾病和健康是生物結(jié)構(gòu)系統(tǒng)兩種不同的狀態(tài)，從疾病的角度或者健康的角度都可以恢復(fù)健康，所依據(jù)的都是生物自身所具有的自適應(yīng)、自組織、構(gòu)建動態(tài)平衡的功能，其本質(zhì)都是中醫(yī)的扶正思想。人體分為多個系統(tǒng)，然后再細(xì)分為器官、組織、細(xì)胞，甚至更微觀的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，可以將從宏觀到微觀健康的各級結(jié)構(gòu)系統(tǒng)都稱之為“正”。從疾病的角度治療疾病，可以稱之為“以邪扶正”；從健康的角度治療疾病，可以稱之為“以正扶正”［10］。

3.1.1以邪扶正

把生物結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中失衡的結(jié)構(gòu)（稱之為“內(nèi)邪”）或者讓生物接觸之后產(chǎn)生疾病的外部結(jié)構(gòu)（稱之為“外邪”）統(tǒng)稱為“邪”，將治療生物疾病的復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為建立“邪”與“正”之間結(jié)構(gòu)平衡的簡單問題，具體方法是：將“邪”作為外部結(jié)構(gòu)作用于生物的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，生物的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)通過對所述“邪”的結(jié)構(gòu)信息的識別和傳遞，通過自身的自適應(yīng)、自組織等功能，調(diào)節(jié)和“邪”相關(guān)結(jié)構(gòu)的基因或者基因表達(dá)，建立和“邪”之間的結(jié)構(gòu)平衡，從而預(yù)防和治療因?yàn)椤靶啊彼鸬募膊?。這種方法就是“以邪扶正”。上述A中的結(jié)構(gòu)X和A′中的結(jié)構(gòu)X′相互作用形成平衡，如果X缺失，就不能和X′建立平衡，X′對機(jī)體就會產(chǎn)生危害，就是“邪”。那么讓機(jī)體識別X′的結(jié)構(gòu)信息，機(jī)體就會調(diào)節(jié)和X相關(guān)的基因表達(dá)，重新恢復(fù)平衡。

“以邪扶正”的關(guān)鍵是找到“邪”，這個“邪”是針對具體某個個體而言的，所有引起某個個體產(chǎn)生疾病的結(jié)構(gòu)，相對這個個體而言就是“邪”。比如花生，對于絕大多數(shù)人而言是營養(yǎng)豐富的食品，不會引起疾病，但是對于花生過敏的人而言，引起的過敏反應(yīng)有致命的危險。

3.1.2以正扶正

“正”（即人體的各級結(jié)構(gòu)系統(tǒng)）由于各種原因缺失了某個或某些結(jié)構(gòu)，比如所對應(yīng)基因由于基因修飾而不表達(dá)合成“正”中的某個結(jié)構(gòu)，從而造成“正”的失衡，產(chǎn)生了疾病。把發(fā)生失衡結(jié)構(gòu)的“正”所對應(yīng)的與其構(gòu)建平衡的結(jié)構(gòu)作為外部結(jié)構(gòu)，作用于生物的機(jī)體，機(jī)體能夠?qū)λ鐾獠拷Y(jié)構(gòu)信息進(jìn)行識別和傳遞，通過自身的自適應(yīng)、自組織、構(gòu)建動態(tài)平衡的功能，會根據(jù)所述外部結(jié)構(gòu)中每個結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)信息，調(diào)節(jié)與其相互作用結(jié)構(gòu)的基因表達(dá)，因此所述失衡的結(jié)構(gòu)自然就能恢復(fù)平衡，達(dá)到預(yù)防和治療疾病的目的。這種方法可以稱為“以正扶正”。假設(shè)發(fā)生了失衡結(jié)構(gòu)的“正”是上述的A，A′中的結(jié)構(gòu)能夠和A中的結(jié)構(gòu)相互作用而形成動態(tài)平衡，A的失衡會造成A和A′的相互作用失去動態(tài)平衡。那么讓機(jī)體識別A′所包含的結(jié)構(gòu)信息，機(jī)體通過自身的自適應(yīng)、自組織功能調(diào)節(jié)自身的基因表達(dá)，從而和A′構(gòu)建動態(tài)平衡。而和A′中的結(jié)構(gòu)能相互作用構(gòu)成動態(tài)平衡的結(jié)構(gòu)，恰好在A中，因此會調(diào)節(jié)與A中結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的基因表達(dá)，從而A也恢復(fù)了平衡。

“以正扶正”的關(guān)鍵是找到發(fā)生了結(jié)構(gòu)失衡的“正”，無論是衰老造成的結(jié)構(gòu)失衡，還是病毒引起的結(jié)構(gòu)失衡，或者其他病變引起的結(jié)構(gòu)失衡，首先要找到失衡所在的“正”，而可以不用探究結(jié)構(gòu)失衡的具體情況，然后通過“以正扶正”恢復(fù)健康。從健康的角度，“正”都是一樣的，針對每個結(jié)構(gòu)都有促進(jìn)性結(jié)構(gòu)和制約性結(jié)構(gòu)，在相互作用下達(dá)到了動態(tài)平衡，而失衡各有各的不同，不但產(chǎn)生不同的疾病，更會產(chǎn)生各種不同的癥狀，讓辨證論治和辨病論治變得非常復(fù)雜。以“正”的角度研究疾病及疾病的診斷和治療，以非常少、非常模糊的疾病信息，就可以精準(zhǔn)地治療疾病，不但能治當(dāng)下的疾病，也能治未來的疾病，是有限和無限的統(tǒng)一，而且是以簡單方法解決了復(fù)雜的問題。用來“以邪扶正”和“以正扶正”的物質(zhì)可以稱為“生物信息材料”。

3.2生物信息材料的研制

研制用于扶正的生物信息材料，首先確定是“以邪扶正”還是“以正扶正”。對于容易發(fā)現(xiàn)和獲得的“邪”，用“以邪扶正”的方法進(jìn)行治療，把“邪”作為原料加工成用于扶正的生物信息材料；對于不容易發(fā)現(xiàn)或者不容易獲得的“邪”，用“以正扶正”的方法來防治疾病，首先要分析計算用于扶正的結(jié)構(gòu)信息對應(yīng)的結(jié)構(gòu)存在于哪些原料中。生物中的結(jié)構(gòu)都是由編碼基因表達(dá)合成的，不同物種之間的編碼基因差別不大，而物種之間的差異主要體現(xiàn)在非編碼基因上，比如人類基因中非編碼基因占比高達(dá)98%，因此用于扶正的結(jié)構(gòu)信息對應(yīng)的結(jié)構(gòu)基本上都存在于動物和植物之中，可以將其作為原料加工和提純?yōu)橛糜诜稣纳镄畔⒉牧稀?/p>

3.2.1生物信息材料的制造

如何對上述原料進(jìn)行加工才能制造出用于扶正的生物信息材料呢？通過結(jié)構(gòu)信息激發(fā)人體自身自適應(yīng)、自組織的結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)功能，最常見的是疫苗的應(yīng)用。從疫苗的發(fā)展歷程來看，早期直接用病毒（如人痘、牛痘）作為疫苗進(jìn)行接種，就是識別病毒的全部結(jié)構(gòu)，到后來的滅活疫苗，人體識別失去生物活性的結(jié)構(gòu)信息仍然能夠產(chǎn)生抗體?，F(xiàn)在雖然滅活疫苗還在使用，但已經(jīng)深入到了微觀的生物大分子層面，通過分析病毒的特異性結(jié)構(gòu)，再利用生物技術(shù)人工合成疫苗，人體只需要識別這些特異性結(jié)構(gòu)，就可以產(chǎn)生相應(yīng)的抗體。因此，人體的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)通過自我結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)和外部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)建平衡，并不需要識別外部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的所有結(jié)構(gòu)信息，只需要識別其特異性結(jié)構(gòu)即可，也就是存在于前文所論述的定義性結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)信息，所以可以將原料中這樣的結(jié)構(gòu)信息作為生物信息材料用于扶正的結(jié)構(gòu)信息。為了保持生物信息材料的穩(wěn)定性，不會被生物體消耗吸收，同時又能夠?qū)τ糜诜稣慕Y(jié)構(gòu)進(jìn)行提純，可以采用高溫裂解提純的工藝對原料進(jìn)行加工處理。

3.2.2生物信息材料的應(yīng)用

下面以研制針對過敏性疾病快速脫敏的生物信息材料為例進(jìn)行說明。世界衛(wèi)生組織認(rèn)為“脫敏治療是唯一可能根治過敏性疾病的方法”。現(xiàn)有脫敏的方法是用具有生物活性的過敏原，小劑量地持續(xù)刺激人體，不斷增加耐受，來實(shí)現(xiàn)脫敏，因此存在脫敏周期長、副作用大、有效率低等問題。過敏是人體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與過敏原之間的失衡，脫敏就是恢復(fù)它們之間的平衡。對于過敏患者而言，過敏就是“邪”，因此通過“以邪扶正”就可以治療過敏性疾病。

過敏是人體結(jié)構(gòu)失衡造成的，和疫苗誘發(fā)人體產(chǎn)生本來不存在的抗體不同，失衡的結(jié)構(gòu)都是人體本身已經(jīng)存在的結(jié)構(gòu)，只是某些結(jié)構(gòu)過?；蛘呷笔?，理論上脫敏時間應(yīng)該遠(yuǎn)比疫苗誘發(fā)人體產(chǎn)生之前所沒有的抗體的時間要短，關(guān)鍵是如何讓人體能在短時間內(nèi)識別足夠量過敏原的結(jié)構(gòu)信息。這就是生物信息材料學(xué)所要解決的問題，基本的解決思路是：首先深入到過敏原生物大分子的內(nèi)部，分析計算其特異性結(jié)構(gòu)的物理、化學(xué)特性，然后通過加工工藝對用于扶正的這種特異性結(jié)構(gòu)進(jìn)行提純，從而加工成為生物信息材料作為脫敏物質(zhì)。

該方法解決了最關(guān)鍵的幾個問題：（1） 信息量大。通過工藝提純的生物信息材料，可以讓人體短時間內(nèi)識別大量的過敏原結(jié)構(gòu)信息，保證信息量足夠大。（2） 信息穩(wěn)定性。由于生物信息材料不會被人體消化吸收，故能作為信息源穩(wěn)定存在。（3） 安全性。由于采用高溫裂解的加工工藝，避免了機(jī)體對原有過敏原的過敏反應(yīng)，解決了副作用問題，保證了安全性。該方法可以將脫敏周期由現(xiàn)有3年左右縮短為30 min以內(nèi)，有效率提高到了95%以上，并且安全無副作用。2018年在滄州人民醫(yī)院使用生物信息材料對52名過敏患者進(jìn)行了184個過敏原的脫敏，針對每個過敏原口服相應(yīng)的脫敏物質(zhì)，30 min后用過敏原激發(fā)試驗(yàn)均無過敏反應(yīng)。在后續(xù)3年的隨訪中，復(fù)發(fā)率不到4%。用上述方法研制的快速脫敏制劑，獲得了科技部組織的2021年全國顛覆性創(chuàng)新技術(shù)大賽優(yōu)秀獎。

4結(jié)語

探索了生物的演化機(jī)理，并在融合醫(yī)學(xué)、信息學(xué)、材料學(xué)等多個學(xué)科的基礎(chǔ)上提出了生物信息材料學(xué)。生物信息材料可以用于醫(yī)藥、功能食品、化妝品等領(lǐng)域，未來還可以延伸至日用品方面，涉及人類生活的方方面面，可以有效地維護(hù)生命健康，從而為醫(yī)藥健康事業(yè)做出更大貢獻(xiàn)。根據(jù)上述對動態(tài)平衡的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)演化的研究，以及所建立的生物信息材料學(xué)的理論和方法，可以將其應(yīng)用于其他領(lǐng)域，比如信息領(lǐng)域、人工智能等。

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作者簡介：董福田，男，河北滄州人，執(zhí)行院長，本科，研究方向：GIS理論方法，中西醫(yī)理論融合，信息、生物與材料的交叉融合。