張成崗

(北京中醫(yī)藥大學 生命科學學院, 北京, 102488)

很難知道為什么地球上會有生命以及為什么會有人類出現(xiàn)，即便是達爾文在通過進化論試圖回答生命起源與進化過程中也遇到了不少困難[1]。一旦將生命科學的問題映射到人性、人類以及社會層面，就會遇到各種各樣的復雜問題，如倫理、道德、科學、宗教、信仰以及慢病、犯罪和戰(zhàn)爭等[2]。只有弄清楚“人是什么”“為什么會有人類”等復雜而又基本的問題之后，才有可能科學預測人類的未來發(fā)展趨勢[3], 這就需要社會科學及自然科學(尤其是生命科學領域)科技工作者的共同努力。作者試圖將生命科學、生物學、醫(yī)學與數(shù)學等相關知識通過學科交叉的方式進行綜合考慮，為應用數(shù)學中的相關模型定量表征“什么是人”提供新的思路。

1 使用“四元數(shù)”矢量模型表征“人”

1.1 關于“四元數(shù)”即的初步介紹

回顧數(shù)學發(fā)展史可知，代數(shù)學的真正革命是四元數(shù)的發(fā)明，為線性代數(shù)理論的發(fā)展鋪平了道路，引起了數(shù)學領域的一系列變革，尤其是直接導出了向量分析。哈密爾頓對四元數(shù)給予厚望，認為四元數(shù)能夠與微積分相媲美，成為物理學、力學等學科的重要工具。四元數(shù)對代數(shù)學發(fā)展的影響猶如日心說在天文學發(fā)展的影響，成為代數(shù)學的真正變革[4-5]。

1.2 使用“四元數(shù)”表征“人”的原因及合理性分析

數(shù)學和生物學均屬理學門類下面的一級學科。雖然在生物學和生命科學領域大量使用數(shù)學知識，但尚未見到使用四元數(shù)來表征“人”的相關研究。

眾所周知，數(shù)千年來人們對于“人”的認識，不外乎由“人體(肉體)”和“大腦(人腦)”組成，前者負責存活，后者負責思考。然而，隨著時代發(fā)展和科技進步，關于合成生物學、基因編輯、換頭術、人工智能、腦機接口、意識能否獨立于肉體而存在以及利己和利他之間的矛盾等復雜問題[6-9], 迫使人們對“人”的理解進行深入思考。此外，慢性病高發(fā)問題、老齡化問題、抑郁、自殺、精神病、老年癡呆等也迫使人們反思: “人為什么活著？人活著的目的和意義究竟是什么？如何遠離慢性病而獲得健康？如何避免痛苦與磨難而走向幸福與快樂？是人的肉體更重要，還是人的思想與精神更重要？”在慢病高發(fā)面前，醫(yī)學界、倫理學界以及社會科學界都面臨巨大壓力，其中的核心問題[10]是: 21世紀，人類如何走向共同健康、共同和平、共同幸福？與數(shù)學發(fā)展史類似，當現(xiàn)有知識體系難以回答新問題的時候，就需要發(fā)展新知識，形成新的思路來解決問題，因為使用“舊地圖”不可能找到“新大陸”。

首先，向傳統(tǒng)的人體模型中引入人體共生微生物尤其是腸道菌群這個變量，并使用矢量進行表征。引入該矢量的理論基礎是因為近年來的科學發(fā)展使人們認識到人是由人體和共生微生物組成的超級共生體[13-14], 結(jié)合本文作者實驗室關于饑餓源于菌群的系列研究，能夠比較科學、合理地解釋為什么腸道菌群在人體共生存在的重要意義[15-25]。簡而言之，在人體饑餓信號與攝食需求方面，菌群矢量可能既是人體饑餓信號的原始來源與始動因素，也是調(diào)控人體攝食欲望沖動的生物開關，是在胎兒出生后，由自然界將腸道菌群主動接種到人體胃腸道而形成的特殊微生物“器官”[16, 20-21]。

圖1 人體結(jié)構(gòu)與功能的四元數(shù)矢量模型(QM)

2 使用“四元數(shù)”模型表征人體結(jié)構(gòu)與功能具有重要意義

圖2 人體的生命過程理解為肉體標量a在菌群饑餓矢量bi、線粒體呼吸矢量cj和人腦思維矢量dk維度空間的投射圖

由此可見，上述關于人體結(jié)構(gòu)與功能的四元數(shù)模型并非只是形式美的體現(xiàn)，而是融合了生物學、生理學、解剖學、生命科學以及醫(yī)學知識的具有內(nèi)容的、內(nèi)涵的、結(jié)構(gòu)的、功能的美學描述，同時具有科學性與合理性，該模型的詳細解析結(jié)果見表1。

表1 基于人體結(jié)構(gòu)與功能的四元數(shù)模型對人體標量和矢量的解析

3 使用“四元數(shù)”模型表征人體結(jié)構(gòu)與功能的科學依據(jù)

之所以使用該模型，是在前期研究基礎上逐漸發(fā)展形成的。作者實驗室于2013年發(fā)現(xiàn)“饑餓源于菌群”并提出“菌心說”學說，相當于在突出“一元”，指人體圍繞著腸道菌群賦予的饑餓感而攝食[25, 33-35]。此后意識到需將“菌腦”和“人腦”分開，因而在2019年形成了“雙腦論”觀點，即“菌腦主吃、人腦主思”的“二元”理解[16, 20, 36]。將人體本身的功能即“人體主動”綜合考慮，就構(gòu)成了“三體觀”的理念即“三元”。然而，在該“三體觀”和“三元”模型中，開始感覺到比較難以確定線粒體的位置，因為線粒體雖然伴隨著卵細胞和受精卵的發(fā)育，伴隨著人類壽命的終生，但是其本質(zhì)上是微生物。受新型冠狀病毒肺炎疫情影響，作者在2020年初居家隔離期間深入思考，意識到人體的呼吸行為與呼吸功能應該是由線粒體這個從受精卵開始就被嵌入到人體細胞中的微生物來源的細胞器在負責引導，從而萌發(fā)出尋找“四元”相關概念的想法，很快就檢索到了哈密爾頓關于“四元數(shù)”的相關資料，將其與生命科學的新發(fā)現(xiàn)進行映射和對接，意識到人體共生微生物相當于“虛數(shù)”，人體相當于“實數(shù)”，就能夠建立良好的對應關系，于是就自然而然地形成了人體結(jié)構(gòu)與功能的“四元數(shù)”矢量模型。事實上，在近年來的研究中，作者一直在探究參考虛數(shù)和復數(shù)(a+bi)的表述，試圖將人體描述成“人=人體+腸道菌群*i”的方式，其中嵌合上“人體=肉體+大腦*i”, 但是一直未能找到數(shù)學上的合理表征，直到發(fā)現(xiàn)哈密爾頓四元數(shù)模型后，才意識到數(shù)學和生物學可以對接并進行符合邏輯的科學理解。

4 總結(jié)與展望

近年來，作者實驗室在從研究人的慢病到研究“人”的過程中，先后經(jīng)歷了從“菌心說”學說到“雙腦論”觀點、再到“三體觀”理念并發(fā)展到“四元數(shù)”模型的逐步發(fā)展過程。菌心說突出強調(diào)了“饑餓源于菌群”; 雙腦論(雙腦模型)強調(diào)了“菌腦”負責人體的物質(zhì)記憶，而人腦則負責人的符號記憶和思想與精神，體現(xiàn)出“菌腦主吃、人腦主思”，加上“人體主動”，就形成了三體觀的理解方式。新近則類似于從實數(shù)到虛數(shù)再到復數(shù)的發(fā)展過程，在找到四元數(shù)模型并將其用于統(tǒng)攝統(tǒng)攬菌心說、雙腦論、三體觀之后，尤其是結(jié)合“呼吸源于(微生物)線粒體”并將其簡化為“粒腦主吸”，初步確立了人體結(jié)構(gòu)與功能的四元數(shù)矢量模型，形成了使用數(shù)學解釋生物學和生命科學的新嘗試。目前而言，這樣的解釋具有一定的科學性與合理性，但仍需通過后續(xù)深入研究、論證和驗證，期望能夠有助于推動生物學、生物醫(yī)學以及生命科學的新發(fā)展，尤其是要在“元宇宙”的宏觀背景下認識世界、解釋世界。