段思凡，劉孟美，李亞旎，游頂云

（昆明醫(yī)科大學(xué)云南省公共衛(wèi)生與生物安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 &公共衛(wèi)生學(xué)院，云南 昆明 650500）

1865 年，德國(guó)物理學(xué)家克勞修斯首次定義了熵，熵是熱力學(xué)第二定律的闡釋，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是系統(tǒng)的熵總是在增加，并最終達(dá)到熵最大的狀態(tài)（即熱力學(xué)平衡）[1]。1972 年，玻爾茲曼進(jìn)行了熵的微觀解釋，即熵表示系統(tǒng)的混亂程度，熵越大越無(wú)序，熵越小越有序[2]。一個(gè)孤立系統(tǒng)若總是向無(wú)序、混亂的方向發(fā)展則會(huì)導(dǎo)致毀滅，即為熵增原理[2]。對(duì)于人體來(lái)說(shuō)，不斷熵增的結(jié)局就是生命的結(jié)束。1969 年，普里高津?yàn)榱藦?qiáng)調(diào)開(kāi)放系統(tǒng)中的非平衡自組織需要能量耗散提出“耗散結(jié)構(gòu)”，即遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非線性自組織有序結(jié)構(gòu)[3-4]，構(gòu)成耗散結(jié)構(gòu)需要符合4 個(gè)條件，一是開(kāi)放系統(tǒng)；二是遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡態(tài)；三是非線性作用；四是漲落作用[3-5]，耗散結(jié)構(gòu)能夠?qū)轨卦龀蔀楣沧R(shí)。

著名的理論物理學(xué)家薛定諤（E·Schrodinger 1887—1961）認(rèn)為“生命以負(fù)熵為食”，他在前人把新陳代謝解釋為物質(zhì)、能量交換的基礎(chǔ)上，參照熱力學(xué)定律引入了“負(fù)熵”的概念，并提出生命物質(zhì)、能量代謝的實(shí)質(zhì)就是通過(guò)“入”和“出”的交換從環(huán)境中攝取負(fù)熵。人體作為一個(gè)兼具生物和社會(huì)屬性的典型開(kāi)放系統(tǒng)，通過(guò)與外界進(jìn)行物質(zhì)、能量、信息的充分交換輸入負(fù)熵進(jìn)而對(duì)抗“熵增”[4，6-7]，維持身體的健康狀態(tài)。因此人體是一個(gè)復(fù)雜龐大的耗散結(jié)構(gòu)，由許多子系統(tǒng)組成，如人體的各個(gè)器官協(xié)同有序地完成生命活動(dòng)。目前耗散結(jié)構(gòu)理論已經(jīng)成為公認(rèn)的橫跨自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的理論工具[5]，本綜述嘗試對(duì)耗散結(jié)構(gòu)理論與人類健康開(kāi)展的理論及實(shí)證研究進(jìn)行系統(tǒng)梳理，展望并嘗試其在健康領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 人體機(jī)體調(diào)節(jié)中的耗散結(jié)構(gòu)

耗散結(jié)構(gòu)普遍存在于生物系統(tǒng)中，是所有生物的共有特征[8]，人體跳動(dòng)的心臟、大腦都被認(rèn)為是了不起的耗散結(jié)構(gòu)[5]，同時(shí)從神經(jīng)、心臟和代謝振蕩到生物鐘和細(xì)胞周期，生物組織的各個(gè)層面都存在的節(jié)律提供了生物系統(tǒng)中最豐富的耗散結(jié)構(gòu)實(shí)例[3]。何萍芬等[5]研究認(rèn)為人體通過(guò)輸入負(fù)熵，輸出正熵，保持高度有序的健康狀態(tài)。例如人體從外界環(huán)境攝入淀粉、O2相當(dāng)于輸入負(fù)熵，通過(guò)氧化反應(yīng)后向環(huán)境輸出CO2等小分子和熱能，即正熵，從而實(shí)現(xiàn)人體熵降低，環(huán)境熵增加的有序狀態(tài)。然而內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的中斷和與環(huán)境的能量交換的終止會(huì)導(dǎo)致耗散結(jié)構(gòu)的退化，并將其還原為無(wú)生命物質(zhì)（如水、氣體或固體），即生命迎來(lái)終止[8]。張岱等[9]在研究機(jī)體調(diào)節(jié)時(shí)提出人體“有序-無(wú)序-有序”的調(diào)節(jié)過(guò)程是機(jī)體調(diào)節(jié)的基本模式，當(dāng)內(nèi)外因素的影響使機(jī)體耗散結(jié)構(gòu)功能出現(xiàn)障礙，負(fù)熵減少，無(wú)序度增大，即出現(xiàn)熵增時(shí)，機(jī)體便會(huì)出現(xiàn)疾病狀態(tài)。熵增是人類健康惡化和衰老進(jìn)程加速的根源，人類天生就具備由自組織、自我防御、自我修復(fù)和防磨損系統(tǒng)組成的低熵防護(hù)機(jī)制[10]。同時(shí)，由于人體是認(rèn)知系統(tǒng)，必須考慮信息熵的產(chǎn)生[11]，大腦作為人體處理各類信息的開(kāi)放系統(tǒng)，腦與外界不僅需要進(jìn)行物質(zhì)能量的交換，而且必須進(jìn)行信息的交流，遵循以信息為主導(dǎo)的“信息、能量、物質(zhì)”三維耗散結(jié)構(gòu)[7，12]，已有證據(jù)表明教育與成年人全因死亡風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)劑量依賴關(guān)系，18～49 歲者每多讀1 a 書(shū)，死亡風(fēng)險(xiǎn)平均降低2.9%[13]，不難看出通過(guò)學(xué)習(xí)能夠達(dá)到機(jī)體與環(huán)境的信息充分交換。

綜上，耗散結(jié)構(gòu)與生命健康息息相關(guān)，基于耗散結(jié)構(gòu)筆者認(rèn)為人體維持健康是通過(guò)“物質(zhì)-能量-信息”3 條通路與外界環(huán)境進(jìn)行充分交換，如通過(guò)飲食、運(yùn)動(dòng)、學(xué)習(xí)、工作、社交等方式從環(huán)境中不斷輸入負(fù)熵，經(jīng)過(guò)人體充分交換后以排泄（糞便、尿液、汗液等）、學(xué)習(xí)工作成果匯報(bào)、建立社交圈等方式向環(huán)境中輸出正熵，維持人體的低熵狀態(tài)，見(jiàn)圖1。

圖1 耗散結(jié)構(gòu)與健康關(guān)聯(lián)示意圖Fig.1 Schematic diagram of dissipative structure and health association

2 耗散結(jié)構(gòu)理論與疾病、衰老等生命現(xiàn)象的研究現(xiàn)狀

人體是一個(gè)經(jīng)典的耗散結(jié)構(gòu)，人體的生命活動(dòng)如生老病死，在耗散結(jié)構(gòu)理論體系內(nèi)能夠得到較好的解釋。耗散結(jié)構(gòu)起源于熱力學(xué)領(lǐng)域，目前在人體健康與疾病方面的研究尚且局限，筆者嘗試梳理了相關(guān)理論及實(shí)證研究（表1），主要集中在中醫(yī)疾病治療、腫瘤、衰老等方面的探討，且實(shí)證研究極少。耗散結(jié)構(gòu)理論中開(kāi)放系統(tǒng)的負(fù)熵化機(jī)制與中醫(yī)對(duì)疾病本質(zhì)的認(rèn)識(shí)高度一致[14]，從耗散結(jié)構(gòu)理論出發(fā)能夠?yàn)橹嗅t(yī)臨床診療、中西醫(yī)結(jié)合提供新的思路。同時(shí)耗散結(jié)構(gòu)理論能夠從宏觀角度解釋腫瘤的發(fā)生和人類衰老的本質(zhì)，熵可以被定量，如腫瘤信號(hào)熵值可以被定量作為預(yù)后指標(biāo)[15]，或許從熵產(chǎn)生角度出發(fā)干預(yù)患者的生活方式，能夠?yàn)槟[瘤及其他疾病的治療、人體健康的恢復(fù)提供新的思路。然而前人基于耗散結(jié)構(gòu)理論的研究絕大多數(shù)都停留在理論和邏輯推理上對(duì)所研究疾病或生命現(xiàn)象進(jìn)行解釋，很少有人依據(jù)耗散結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)證研究。

表1 耗散結(jié)構(gòu)與生命現(xiàn)象（疾病、衰老等）相關(guān)研究梳理Tab.1 A compendium of research related to dissipative structures and life phenomena（disease，aging，etc.）

3 基于耗散結(jié)構(gòu)理論對(duì)信息交換的初探

3.1 耗散結(jié)構(gòu)理論中“物質(zhì)、能量、信息”交換的間接流行病學(xué)證據(jù)

人體作為一個(gè)典型的耗散結(jié)構(gòu)，需要與外界環(huán)境進(jìn)行“物質(zhì)、能量、信息”的充分交換，輸入負(fù)熵，維持身體的健康狀態(tài)。雖然基于耗散結(jié)構(gòu)的醫(yī)學(xué)研究罕見(jiàn)報(bào)道，但現(xiàn)有大量流行病學(xué)證據(jù)間接證明了該理論的正確性和可驗(yàn)證性。眾所周知，適度運(yùn)動(dòng)、健康飲食等物質(zhì)、能量代謝過(guò)程有益于人體健康，能夠改善心腦血管功能和新陳代謝。已有證據(jù)表明每天 15 min 或每周 90 min的中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)能夠降低全因死亡率，延長(zhǎng)預(yù)期壽命[26]；針對(duì)老年人記憶力下降和健康問(wèn)題，健康飲食、主動(dòng)的認(rèn)知活動(dòng)、主動(dòng)社交以及規(guī)律的體育鍛煉均有積極的影響[27-28]；通過(guò)生活方式及日常運(yùn)動(dòng)的干預(yù)，能夠?qū)χ卸戎林囟纫钟舭Y和焦慮癥以及其他疾病提供相當(dāng)大的益處[29]，同時(shí)運(yùn)動(dòng)對(duì)大腦有保護(hù)作用，對(duì)神經(jīng)發(fā)育和記憶有積極影響[30]。飲食與心理健康和壓力有相互作用，在一定程度上健康的飲食可以改善精神障礙患者的精神狀態(tài)[31-32]，同時(shí)飲食是預(yù)防與年齡有關(guān)的疾病和在衰老過(guò)程中保持整體健康狀況的可改變因素之一[33]。

3.2 耗散結(jié)構(gòu)理論中信息交換值得重點(diǎn)關(guān)注

綜上筆者推測(cè)人體作為一個(gè)耗散結(jié)構(gòu)，能夠通過(guò)合適的運(yùn)動(dòng)積極與環(huán)境進(jìn)行能量、物質(zhì)的充分交換（如呼吸、流汗、外出運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的互動(dòng)交流等），通過(guò)健康的飲食，攝入食物（水分、營(yíng)養(yǎng)素等）經(jīng)過(guò)體內(nèi)充分交換之后將體內(nèi)的高熵排出（尿液、糞便），從而對(duì)抗熵增。但是如同以上研究，人們常常關(guān)注物質(zhì)和能量，而忽略了信息交換的重要性，“信息交換”作為一個(gè)較易被干預(yù)的維度值得重點(diǎn)關(guān)注。人的本質(zhì)是社會(huì)關(guān)系的總和[34]，社會(huì)關(guān)系即屬于信息維度。日常的工作、學(xué)習(xí)等作為信息交換的主要載體，在現(xiàn)代社會(huì)中扮演著至關(guān)重要的角色，對(duì)于個(gè)人成長(zhǎng)和社會(huì)進(jìn)步都有著深遠(yuǎn)的影響。學(xué)習(xí)與健康方面，一項(xiàng)使用日本最新的全國(guó)性調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，高教育水平與更好的健康相關(guān)行為或狀態(tài)相關(guān)[35]；此外受教育程度對(duì)心血管健康具有保護(hù)作用[36]。工作與健康方面，有研究顯示新冠肺炎疫情期間，80.6%的醫(yī)療保健專業(yè)人員報(bào)告了心理困擾，但其工作參與度越高，其心理困擾程度越低[37]；2018 年日本的一項(xiàng)研究顯示，護(hù)士為促進(jìn)自我發(fā)展而自愿加班對(duì)幸福感具有積極影響[38]，以上研究同樣也間接證明了信息交換對(duì)人體健康有重要意義。

3.3 基于耗散結(jié)構(gòu)對(duì)孕產(chǎn)婦人群信息交換的初步實(shí)證研究

目前尚沒(méi)有研究利用該理論對(duì)人體的日常信息交換活動(dòng)進(jìn)行實(shí)證研究從而量化評(píng)估人體的健康狀態(tài)。為了初步探索信息交換度對(duì)健康的影響程度，筆者基于耗散結(jié)構(gòu)理論“信息充分交換可對(duì)抗熵增”這一論斷嘗試開(kāi)發(fā)信息交換量表，并提出“信息交換指數(shù)”進(jìn)行量化。由于孕產(chǎn)婦面臨激素水平的劇烈變化以及生活行為方式和工作環(huán)境的改變，使該人群成為一個(gè)相對(duì)脆弱人群，因此筆者選擇孕產(chǎn)婦作為調(diào)查對(duì)象。筆者猜想孕婦在懷孕及產(chǎn)后之所以面臨多種疾病的威脅，可能與“信息充分交換”的下降相關(guān)，基于此假設(shè)，開(kāi)發(fā)了孕期信息交換量表（Cronbach's α>0.9）并進(jìn)行了預(yù)調(diào)查。調(diào)查結(jié)果顯示“信息交換指數(shù)”與焦慮和體重明顯相關(guān)，信息交換指數(shù)與孕期焦慮分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)（r=-0.35，P<0.001，圖2）。與焦慮的OR 值可達(dá)0.26（95%CI：0.08～0.80）（表2），人群歸因危險(xiǎn)度達(dá)到32.67%。同時(shí)還利用了團(tuán)隊(duì)前期1 475 份的孕產(chǎn)婦隊(duì)列數(shù)據(jù)，分析了社交回避及苦惱量表（Social Avoidance and Distress Scale，SADS）和社會(huì)支持評(píng)定量表（Social Support Rating Scale，SSRS）與孕期焦慮之間的關(guān)聯(lián)性，結(jié)果表明初步開(kāi)發(fā)的信息交換指數(shù)與焦慮相關(guān)性要強(qiáng)于這2 個(gè)成熟量表（圖3），進(jìn)一步佐證了信息交換指數(shù)的重要性及初步開(kāi)發(fā)的信息交換量表的信效度。

表2 信息交換指數(shù)與孕期焦慮的單因素多因素分析Tab.2 Information exchange index and univariate-multivariate analysis of prenatal anxiety

圖2 信息交換指數(shù)與孕期焦慮的相關(guān)關(guān)系Fig.2 Correlation between the information exchange index and anxiety during pregnancy

4 小結(jié)

耗散結(jié)構(gòu)是對(duì)抗熵增的有利方式。人體通過(guò)與環(huán)境進(jìn)行熵的輸入和輸出，維持一個(gè)非線性的熵平衡狀態(tài)。本綜述基于耗散結(jié)構(gòu)從宏觀角度探討了機(jī)體調(diào)節(jié)模式，將耗散結(jié)構(gòu)理論與健康相關(guān)聯(lián)，“物質(zhì)-信息-能量”是人體實(shí)現(xiàn)耗散結(jié)構(gòu)的3條通路。通過(guò)梳理前人基于耗散結(jié)構(gòu)開(kāi)展的與人體生命現(xiàn)象相關(guān)的理論研究，發(fā)現(xiàn)或許耗散結(jié)構(gòu)理論能夠成為如癌癥、衰老及其他一些疾病治療的突破口。再有，基于耗散結(jié)構(gòu)“物質(zhì)-信息-能量”的3 條途徑，物質(zhì)和能量有大量間接證據(jù)，而信息維度的佐證相對(duì)較少。因此筆者針對(duì)孕產(chǎn)婦人群信息交換進(jìn)行了初步探索，結(jié)果也表明信息交換度越高，孕期焦慮患病風(fēng)險(xiǎn)則越低。若基于耗散結(jié)構(gòu)開(kāi)展實(shí)證研究，有望提出新的疾病預(yù)防策略，打破以往預(yù)防醫(yī)學(xué)研究范式，提供全新的視角和理論方法。

最后，耗散結(jié)構(gòu)與人類的生命息息相關(guān)，在當(dāng)前醫(yī)學(xué)研究百花齊放的時(shí)期，基于耗散結(jié)構(gòu)理論開(kāi)展實(shí)證研究能夠從生命整體出發(fā)，量化人體日常生活產(chǎn)生的負(fù)熵，將以往的運(yùn)動(dòng)、飲食、心理、社交等提升到物質(zhì)、能量和信息維度，進(jìn)一步闡釋影響人體健康的各種因素，提升人類對(duì)于疾病本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。而這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，需要大量有著相同研究志趣科研人員的共同努力，筆者也期待這一天的早日到來(lái)。