生命本质和新型生物模式图的构建探讨

肖党生，方 辉，杨介钻（浙江大学医学院附属第一医院：干部科，急诊科，传染病诊治国家重点实验室，浙江 杭州 000）

生命现象是地球上一种常见的现象。虽然很容易将生命现象和非生命现象区分开，但要提出一个严谨的生命定义，或者探讨生命现象的本质特征，研究人员又将陷入迷茫之中。生命本质认识是医学和生物学界核心的问题。对这一问题清晰、严谨的认识将会给医学和生物学的研究带来新变革。在此，我们将结合半个多世纪以来的医学和生物学的研究成果探讨生命定义，并根据这些定义分别在细胞水平和人体水平构建新型模式图。

1 生命定义的提出

生命是什么？上世纪中叶，诺贝尔物理学奖获得者Schrödinger（薛定谔）在著作What is life?（生命是什么？）一书中提到这一问题，并指出，系统论和分子生物学方法是解释生命本质的重要途径[1]。经过数十年的发展，分子生物学领域获得了极大的突破和发展，如DNA和RNA被确定为遗传物质，遗传密码解读以及人类遗传图谱的绘制[2]。系统生物学领域也经历了热平衡系统研究、自组织系统研究和自生长系统研究三个阶段[3-5]。生物医学的发展没能形成被医学界广泛接受的生命定义。有学者统计出100多个关于生命的定义[6]，这些定义多为对生命现象的描述和总结。美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）也提出过关于生命的定义：生命是能够进行达尔文进化并自我维持的化学系统[7]。美国NASA的定义旨在探索外太空生命，但这一定义引起很多争议[8-9]。争议的焦点就在于这一定义并不能很好地界定生命体与非生命体之间的界限，存在很多例外现象。总体而言，这些定义没能应用于临床实践，指导临床疾病的分类与治疗。

从生命定义的角度来看，中医领域内的阴阳气血的概念应该视作对生命的定义与界定。阴阳气概念建立了生命体与非生命体之间的统一性，血的概念就构建了生命现象的特殊性。中医学中的生命认识观是以传统阴阳五行学说为基础，并将这些学说在生命领域内进行延伸和应用，形成了能够指导临床实践的理论和实践体系。中医的生命定义缺乏相应的生理学和分子生物学基础，也存在语言翻译上的困难，这就使得中医被西方学界更多地视作一种文化现象，而不是完整的医学体系[10-12]。能否将中医生命认识观同现代医学、生物学研究进行融合，形成新的生命定义？这一研究在十多年前已经展开，但未引起相应关注。在自然界中，生命体可以分为单细胞生物和多细胞生物，多细胞生物是以单细胞生物为基础进行生命现象的演化，这就形成两个关于生命的定义：在细胞中，生命本质是遗传信息指导下的能量代谢过程；在多细胞生命体中，生命本质是伴随干细胞分裂分化过程的能量代谢过程[13-15]。这两个定义进行英文修订后就形成如下表述：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]. 在多细胞生命体内，干细胞的分裂分化过程是由基因指导，并成为基因功能的外在表现，这是这两个定义之间的内在逻辑联系。这两个定义也成为构建新型生物模式图的基础。

2 新型生物模式图的构建

细胞是所有生命现象的基础。以细胞为基础，现代生物学和现代医学形成了细胞模型和解剖模型。阴阳五行学说是中医学的基础，以此为基础，中医构建了脏腑理论并形成相应的治则与治法。以阴阳五行学说为核心，结合现代细胞、解剖基础等诸多学科不仅能够提出新的生命定义，并且可以构建两个新型的生物学模式图（图1～2）。

图1 细胞内能量代谢模式图

图2 人体内能量代谢模式图

2.1 能量物质的代谢过程是生命现象的核心过程

任何生命体都是一个复杂的化学系统。能量物质是所有生命体代谢的起点，获取能量物质是所有生命体代谢的第一步（图1～2）。生命体需要的能量物质仅有单糖、脂肪酸和氨基酸三类。这些能量物质可以在细胞内氧化形成代谢终产物并释放大量热能。水和电解质在生命体内的代谢过程中不发生变化，维生素代谢过程仅能提供少量能量，这三类物质不能成为生命体所需要的能量物质。生命体也可以将蛋白质、脂蛋白和多糖等作为能量来源，这些大分子物质需要先降解形成能量物质后才能进行氧化代谢。

能量物质进入细胞后将形成四条基本代谢通路（图3）：第一条是基础代谢通路，包括：糖酵解、β氧化、脱氨基、三羧酸循化和电子氧化。这条代谢通路的终点就是水、二氧化碳和含氮有机物（尿酸、尿酸和肌酐）。在这条通路中，能量物质所携带的化学能转化成为热能，热能蒸腾水液，促使水液离开细胞从而推动代谢终产物排泄，或者说代谢终产物携带热能离开细胞实现了热能的散失。热能的散失和代谢终产物的排泄是细胞内代谢的最后一步，也是推动整个代谢过程顺利进行的原动力。这一原动力使得细胞内能量代谢过程总体趋势是将能量物质氧化形成代谢终产物。在这一通路处于饱和状态时，细胞将衍生出其他代谢通路。

图3 细胞内能量流动模式图

第二条代谢通路就是化学能向机械能和电势能的转化。在糖酵解和线粒体中氧化磷酸化过程中生成了大量腺嘌呤核苷三磷酸（adenosine-triphosphate,ATP），这些ATP或作用于细胞膜上的离子交换过程，建立细胞膜电位，并成为动作电位形成的生理基础；或作用细胞内的肌纤维蛋白，实现ATP和机械运动之间的偶联；或作用于蛋白质上氨基酸残基，推动蛋白质的磷酸化和去磷酸化，形成蛋白质催化功能周期性波动，实现细胞内信号传导；或推动细胞内大分子物质的合成，如DNA、RNA和蛋白质等。在上述代谢过程中，储存于ATP中的化学能也将转化成为热能后散失。这条通路构建了细胞内外的调控机制。

第三条通路是细胞内各种化学物质的合成，如乳酸、乙醇、神经递质、激素以及大分子的蛋白质、细胞因子等。这些有机分子的合成通路都起源于第一条代谢通路，有机分子合成后或将释放到细胞外，成为细胞功能的表现形式，如分泌功能等；或将替换细胞内失活的有机分子，实现细胞结构更新和功能稳定；或将成为细胞内能量的存储形成。在多数情况下，这些有机分子将回归第一条通路而被氧化形成代谢终产物。由此，细胞内所有的代谢通路将形成一个环状。细胞所需要的有机分子都获取于这条代谢通路。遗传信息将部分参与这条通路，如蛋白质、DNA和RNA合成。

第四条通路就是细胞分裂。在第三条通路的基础上，细胞可以合成大量DNA、RNA和蛋白质，这些生命大分子积累到一定数量后，细胞将进行分裂，最终形成两个子代细胞。细胞是由有机物组成，细胞分裂可以看作母细胞以子细胞的形式释放化学能量，细胞分裂也就成为了一种特殊的化学能转化过程。在这一过程中，遗传信息占据主导地位。在人体内，细胞的这一代谢通路成为了干细胞分裂分化过程的基础，并维持人体内组织器官结构和代谢的稳定。子代细胞可以吸收能量物质后继续成熟和分裂，也可能因为多种原因死亡降解后转变成为能量物质后进入第一条代谢通路而被氧化成终产物。

几乎所有的生命体都具有上述代谢通路。少数厌氧菌不具备电子氧化过程，这些生物可以通过释放小分子的有机物推动能量物质的氧化过程，缺乏电子氧化过程就成为这些生物的特征。含有叶绿体的细胞可以通过光合作用合成葡萄糖，从而将光能转化成为化学能以供生物圈利用。在海底火山口也可能存在某些可以将热能转化成为化学能的生物[18-19]。少数生物可以将化学能转变成为光能（如萤火虫）或者电能等。生物的这些特异性代谢途径仍以上述四条代谢途径为基础进行衍生。

能量物质是细胞内所有代谢过程的初始底物，第一和第二条代谢通路是能量物质的基础性代谢通路。第三、第四条代谢通路的初始底物也是能量物质，通路中的大多数产物最终回归到第一条代谢通路进行氧化代谢，这两条代谢通路就成为能量物质在细胞内的中间代谢过程，能量物质只有在第一、第二条代谢通路处于饱和状态时才会进入第三、第四条通路。一旦前两条代谢通路出现增强，充足的能量物质会促使第三、第四条能量代谢通路增强，而能量物质供应不足则会导致第三、第四条通路受到抑制。

人体是多细胞生命体，人体内能量代谢过程总体趋势也是将能量物质氧化形成代谢终产物，获取能量物质是人体内各种代谢的第一步，而热能推动水液即代谢终产物的排泄也是人体内代谢过程的最后一步。人体内的细胞基本都存在上述代谢通路（红细胞除外），而且人体内的所有代谢也可以按照细胞内代谢形式划分出相应的四条代谢通路。人体内的代谢通路也更为复杂，体内细胞也出现结构和功能的分化，如消化系统是为机体获取能量物质，泌尿系统的功能在于排泄代谢终产物。从能量代谢角度来看，这两大系统分别处于能量代谢过程的起始端和终末端，这是中医将胃、胆囊、小肠、大肠和膀胱归为腑器官的原因。虽然现代生理学在各个领域已研究得非常细致、深入，但仍然存在很多盲点。以代谢终产物排泄为例，代谢终产物的排泄器官包括了泌尿系统，呼吸系统和皮肤。将热能散失同终产物排泄合并一起考虑时，人体终产物的排泄过程就比现代医学的认识更复杂、更为有趣。在所有生命体中，热能散失同终产物排泄相伴而行。由于这一现象存在，人体由低到高形成四个排泄平面：足底平面（排泄的起始平面）；肾脏平面（水溶性终产物排泄平面）；呼吸道平面（二氧化碳排泄平面）和头顶平面（排泄的终末平面）。这些排泄平面的形成同太阳经走行和太阳经上腧穴的分布密切相关。

2.2 基因表达过程是生命体内特有特征

细胞是一个复杂的化学反应体系，大量蛋白质存在使得细胞内生化反应在温和的环境中持续进行。细胞内有相应的蛋白质，就可以形成相应的代谢通路，并维持相应的生理功能和表观特征。细胞内的蛋白质完成生理功能后会失活。失活后的蛋白质将降解形成能量物质，并进入第一条代谢途径氧化形成代谢终产物。此时，细胞将按照中心法则重新合成蛋白质以替代失活蛋白。这就是细胞内的蛋白质更新过程（图4）。这一过程是以中心法则为核心，纳入了蛋白质发挥生理功能以及蛋白质降解两个过程。通过蛋白质更新过程，细胞将合成自身所需要的所有蛋白质并构建自身结构，维持生化反应，修复内外因素导致的细胞损伤，存储能量物质，适应外界环境变化。这一过程底物是能量物质，RNA和蛋白质都是中间产物，并会降解成能量物质。蛋白质更新过程可以视作能量物质代谢的中间过程，应该归属于第三和第四条代谢通路中。这条通路的特殊性在于以中心法则为核心的基因表达过程是这条代谢通路的核心，蛋白质失活降解就意味着一个周期的基因表达过程的终结，细胞将启动新一轮的基因表达过程用以合成并替代失活蛋白质。基因表达过程是细胞内不可缺少的代谢过程，并同细胞内能量物质的代谢过程一起构成细胞内在的核心过程。

图4 细胞内蛋白质更新过程

人体是多细胞生命体，是由一个受精卵发育而来。受精卵是全能干细胞，能够发育成为一个生命个体。当人体发育成熟以后，机体骨髓内还存留有全能干细胞，这些干细胞不仅能分裂分化形成血细胞，还能迁徙到特定组织形成定向干细胞，并最终分裂分化形成体细胞。这些体细胞将进行特定的代谢，执行特定生理功能。机体内多数体细胞在完成生理功能后死亡降解成为能量物质后再氧化成终产物。人体内仅有神经细胞的生命周期同人体寿命相一致。体细胞死亡就意味着一个周期的干细胞分裂分化过程的结束，人体通过新一轮的干细胞分裂分化过程生成体细胞以替代死亡细胞。人体内干细胞分裂分化过程的生理作用就包括：发育成为成熟的生命个体；完成组织器官内体细胞更替，从而维持组织器官功能的稳定；在机体遭受损伤时完成受损组织和器官的修复；以细胞的形式实现对能量物质的存储[20-21]。在人体内，干细胞分裂分化过程是以能量物质作为底物，即能量代谢过程推动干细胞分裂分化形成体细胞，而体细胞死亡后再次降解形成能量物质后进入氧化过程。这就意味着在人体中，干细胞分裂分化过程是能量物质代谢的中间过程，这一过程有遗传信息的参与。干细胞分裂分化过程就是成为多细胞生物内微观信息与宏观表现之间的桥梁，并同能量物质代谢过程一起成为人体内的核心生理过程。

3 影响生命体内能量代谢过程和基因表达（干细胞分裂分化过程）的因素

在细胞内和人体内，能量物质氧化成为代谢终产物的过程是生命体内的代谢总趋势。根据氧化反应的化学方程式，细胞内的氧化过程和人体内的氧化过程都可以归结成为图5。图5中显示，能量物质的氧化过程中存在五个基本因素：能量物质、氧气、代谢终产物、能量和催化剂[22]。在细胞内每个因素都形成相应的代谢通路：能量物质的吸收和存储；无氧氧化和有氧氧化；代谢终产物的释放；能量的释放（包括细胞内信号传导通路）和基因表达[17]。在细胞中有相应的亚细胞结构执行于相应的代谢过程。在细胞中，能量物质的代谢过程和遗传信息表达过程是两个核心生理过程，这两个核心生理过程是受到五个基本代谢通路的影响，这五个通路可以同五行相对应，并可以通过五行学说论述相互关系以及作用规律。

图5 能量物质氧化过程模式图

人体内能量物质的氧化过程、人体内生理代谢过程也受到能量物质、氧气、代谢终产物、能量和催化剂等五个因素的影响。这五个因素在人体内形成相应的代谢过程通路：能量物质的获取和存储；无氧氧化和有氧氧化；代谢终产物排泄；能量释放（包括人体内神经内分泌系统对机体内代谢的调控）；以及干细胞分裂分化[23]。在人体中，干细胞分裂分化过程是基因表达的结果，是基因在人体内的体现形式，在此就干细胞分裂分化过程取代基因表达过程从而显示多细胞生命体的特殊性。这五个生理过程可以同五行相对应，并通过五行学说来阐述相互之间的关系及作用规律。

4 展望

生命是什么？文中的生命定义和新型模式图或许提供了一个新视角以认识生命现象。生命定义清晰界定了生命现象和非生命现象之间的界限。这里需要说明的就是，病毒不能进行独立的能量代谢过程和基因表达过程，也无法形成相应的四条代谢通路，病毒就成为一种特殊的生命现象，也是生命现象和非生命物质之间的分界线。另外，细菌芽孢、冻存的细胞以及储藏的种子不具备生命运行的核心过程，但这些生命体在特定条件下可以恢复内在能量代谢过程和基因表达及干细胞分裂分化过程，应该视作静默的生命体。就任何一个生命体而言，它的生命现象都是以内在能量物质代谢和基因表达间交互作用为核心进行演化。

现代医学和现代生物学获得了巨大的发展，但仍存在很多盲点，这两个新型模式图将有助于认识盲点、研究盲点。如前文中提到的热能散失的过程，这一过程就同代谢终产物的排泄相伴而行，在人体中，这种相伴而行就形成了相应的四个排泄平面。这四个排泄平面是物理规律的必然结果，而且相应的四个排泄平面对疾病的形成、发展和预防都有非常重要的指导意义。以新型模式图为基础，结合相应的物理化学理论，很多被漠视的现象也能得到相应的解释。

不可否认，新型模式图的形成受到了传统中医中阴阳五行学说的启发，并将阴阳五行学说的核心理论应用于细胞和人体之中，如模式图中的基因表达过程和干细胞分裂分化过程可以归属于阴，而能量代谢过程则可以归属于阳。以能量物质氧化为基础的五个基本因素以及其在细胞和人体内的代谢通路就可以进行五行归属划分。这就为传统中医理论找到现代生理学基础，也将有利于传统中医的进一步发展。