人体结构与功能的四元数矢量数学模型构想

张成岗

(北京中医药大学 生命科学学院, 北京, 102488)

很难知道为什么地球上会有生命以及为什么会有人类出现，即便是达尔文在通过进化论试图回答生命起源与进化过程中也遇到了不少困难[1]。一旦将生命科学的问题映射到人性、人类以及社会层面，就会遇到各种各样的复杂问题，如伦理、道德、科学、宗教、信仰以及慢病、犯罪和战争等[2]。只有弄清楚“人是什么”“为什么会有人类”等复杂而又基本的问题之后，才有可能科学预测人类的未来发展趋势[3], 这就需要社会科学及自然科学(尤其是生命科学领域)科技工作者的共同努力。作者试图将生命科学、生物学、医学与数学等相关知识通过学科交叉的方式进行综合考虑，为应用数学中的相关模型定量表征“什么是人”提供新的思路。

1 使用“四元数”矢量模型表征“人”

1.1 关于“四元数”即的初步介绍

回顾数学发展史可知，代数学的真正革命是四元数的发明，为线性代数理论的发展铺平了道路，引起了数学领域的一系列变革，尤其是直接导出了向量分析。哈密尔顿对四元数给予厚望，认为四元数能够与微积分相媲美，成为物理学、力学等学科的重要工具。四元数对代数学发展的影响犹如日心说在天文学发展的影响，成为代数学的真正变革[4-5]。

1.2 使用“四元数”表征“人”的原因及合理性分析

数学和生物学均属理学门类下面的一级学科。虽然在生物学和生命科学领域大量使用数学知识，但尚未见到使用四元数来表征“人”的相关研究。

众所周知，数千年来人们对于“人”的认识，不外乎由“人体(肉体)”和“大脑(人脑)”组成，前者负责存活，后者负责思考。然而，随着时代发展和科技进步，关于合成生物学、基因编辑、换头术、人工智能、脑机接口、意识能否独立于肉体而存在以及利己和利他之间的矛盾等复杂问题[6-9], 迫使人们对“人”的理解进行深入思考。此外，慢性病高发问题、老龄化问题、抑郁、自杀、精神病、老年痴呆等也迫使人们反思: “人为什么活着？人活着的目的和意义究竟是什么？如何远离慢性病而获得健康？如何避免痛苦与磨难而走向幸福与快乐？是人的肉体更重要，还是人的思想与精神更重要？”在慢病高发面前，医学界、伦理学界以及社会科学界都面临巨大压力，其中的核心问题[10]是: 21世纪，人类如何走向共同健康、共同和平、共同幸福？与数学发展史类似，当现有知识体系难以回答新问题的时候，就需要发展新知识，形成新的思路来解决问题，因为使用“旧地图”不可能找到“新大陆”。

首先，向传统的人体模型中引入人体共生微生物尤其是肠道菌群这个变量，并使用矢量进行表征。引入该矢量的理论基础是因为近年来的科学发展使人们认识到人是由人体和共生微生物组成的超级共生体[13-14], 结合本文作者实验室关于饥饿源于菌群的系列研究，能够比较科学、合理地解释为什么肠道菌群在人体共生存在的重要意义[15-25]。简而言之，在人体饥饿信号与摄食需求方面，菌群矢量可能既是人体饥饿信号的原始来源与始动因素，也是调控人体摄食欲望冲动的生物开关，是在胎儿出生后，由自然界将肠道菌群主动接种到人体胃肠道而形成的特殊微生物“器官”[16, 20-21]。

图1 人体结构与功能的四元数矢量模型(QM)

2 使用“四元数”模型表征人体结构与功能具有重要意义

图2 人体的生命过程理解为肉体标量a在菌群饥饿矢量bi、线粒体呼吸矢量cj和人脑思维矢量dk维度空间的投射图

由此可见，上述关于人体结构与功能的四元数模型并非只是形式美的体现，而是融合了生物学、生理学、解剖学、生命科学以及医学知识的具有内容的、内涵的、结构的、功能的美学描述，同时具有科学性与合理性，该模型的详细解析结果见表1。

表1 基于人体结构与功能的四元数模型对人体标量和矢量的解析

3 使用“四元数”模型表征人体结构与功能的科学依据

之所以使用该模型，是在前期研究基础上逐渐发展形成的。作者实验室于2013年发现“饥饿源于菌群”并提出“菌心说”学说，相当于在突出“一元”，指人体围绕着肠道菌群赋予的饥饿感而摄食[25, 33-35]。此后意识到需将“菌脑”和“人脑”分开，因而在2019年形成了“双脑论”观点，即“菌脑主吃、人脑主思”的“二元”理解[16, 20, 36]。将人体本身的功能即“人体主动”综合考虑，就构成了“三体观”的理念即“三元”。然而，在该“三体观”和“三元”模型中，开始感觉到比较难以确定线粒体的位置，因为线粒体虽然伴随着卵细胞和受精卵的发育，伴随着人类寿命的终生，但是其本质上是微生物。受新型冠状病毒肺炎疫情影响，作者在2020年初居家隔离期间深入思考，意识到人体的呼吸行为与呼吸功能应该是由线粒体这个从受精卵开始就被嵌入到人体细胞中的微生物来源的细胞器在负责引导，从而萌发出寻找“四元”相关概念的想法，很快就检索到了哈密尔顿关于“四元数”的相关资料，将其与生命科学的新发现进行映射和对接，意识到人体共生微生物相当于“虚数”，人体相当于“实数”，就能够建立良好的对应关系，于是就自然而然地形成了人体结构与功能的“四元数”矢量模型。事实上，在近年来的研究中，作者一直在探究参考虚数和复数(a+bi)的表述，试图将人体描述成“人=人体+肠道菌群*i”的方式，其中嵌合上“人体=肉体+大脑*i”, 但是一直未能找到数学上的合理表征，直到发现哈密尔顿四元数模型后，才意识到数学和生物学可以对接并进行符合逻辑的科学理解。

4 总结与展望

近年来，作者实验室在从研究人的慢病到研究“人”的过程中，先后经历了从“菌心说”学说到“双脑论”观点、再到“三体观”理念并发展到“四元数”模型的逐步发展过程。菌心说突出强调了“饥饿源于菌群”; 双脑论(双脑模型)强调了“菌脑”负责人体的物质记忆，而人脑则负责人的符号记忆和思想与精神，体现出“菌脑主吃、人脑主思”，加上“人体主动”，就形成了三体观的理解方式。新近则类似于从实数到虚数再到复数的发展过程，在找到四元数模型并将其用于统摄统揽菌心说、双脑论、三体观之后，尤其是结合“呼吸源于(微生物)线粒体”并将其简化为“粒脑主吸”，初步确立了人体结构与功能的四元数矢量模型，形成了使用数学解释生物学和生命科学的新尝试。目前而言，这样的解释具有一定的科学性与合理性，但仍需通过后续深入研究、论证和验证，期望能够有助于推动生物学、生物医学以及生命科学的新发展，尤其是要在“元宇宙”的宏观背景下认识世界、解释世界。