沈 律1，2
(1.皖南医学院，芜湖，241002；2.中国管理科学研究院，北京，100036)
摘 要：生命的整个过程就是一个机体与内、外环境之间的物质、能量和信息交换以及生物体内物质、能量和信息的自我更新过程，这个过程就叫做新陈代谢。新陈代谢包括合成代谢（同化作用）和分解代谢（异化作用）。生物在新陈代谢过程中一方面表现出同化现象，另一方面表现出异化现象。同化现象表现为合成物质、吸收能量和信息的过程，而异化现象则表现为分解物质、释放能量和信息的过程。这两种现象促成了生物生命代谢的全部过程。它是生物的遗传与变异、进化和分化、生长和发育的直接驱动力，生物生命的整个过程就是一个伴随着同化作用与异化作用相互对立又相互统一的相对均衡过程。
关键词：新陈代谢；一般均衡理论；新陈代谢度；评价；生物计量学
General equilibrium theory of metabolism
-Biometric analysis of the evaluation of biological metabolic degree
SHEN Lu1，2
（1. Wannan Medical College, Wuhu, Anhui ,241002;2. Chinese Academy of Management Sciences, Beijing ,100036）
Abstract: The whole process of life is the exchange of material, energy and information between the organism and the internal and external environment, as well as the self-renewal process of material, energy and information in the organism. This process is called metabolism. Metabolism includes anabolism (assimilation) and catabolism (alienation). In the process of metabolism, organisms show assimilation on the one hand and alienation on the other. Assimilation is the process of synthesizing matter and absorbing energy and information, while dissimilation is the process of disintegrating matter and releasing energy and information. These two phenomena contribute to the whole process of biological life metabolism. It is the direct driving force of heredity and variation, evolution and differentiation, growth and development of organisms, and the whole process of biological life is a relatively balanced process with opposite and unified assimilation and dissimilation.
Key words: Metabolism；General equilibrium theory； Metabolic degree；Evaluation； Biometrics
引 言
生命的整个过程就是一个机体与机体内环境之间的物质、能量和信息交换以及生物体内物质、能量和信息的自我更新过程，这个过程就叫做新陈代谢。新陈代谢包括合成代谢（同化作用）和分解代谢（异化作用）。生物在新陈代谢过程中一方面表现出同化现象，另一方面表现出异化现象。同化现象表现为合成物质、吸收能量和信息的过程，而异化现象则表现为分解物质、释放能量和信息的过程。这两种现象促成了生物生命代谢的全部过程[1][2]。是生物的遗传与变异、进化和分化、生长和发育的直接驱动力。同化作用与异化作用是两个相互对立又相互统一的过程，在这个过程之中必然存在着一种相对平衡状态，从微观上讲，一方面简单分子吸收能量合成碳水化合物、脂质、蛋白质、核酸完成同化作用，另一方面，则又分解释放能量转化为简单分子，完成异化作用。这个过程在某个特定时期必然达到均衡状态；这是一个动态变化过程，是一个从平衡状态走向非均衡状态然后又走向均衡状态的过程。这个过程，从宏观上看，随着胎儿的形成与人体老化的形成，都在向均衡化方向发展。这是一种从非常规均衡走向另一种是常规均衡过程，反映在生物的新陈代谢上的规律就是一般均衡规律。人体就是这样通过非常规均衡到常规均衡再到非常规均衡以至不断进步发展。
图1 生物新陈代谢基本过程示意图
人体新陈代谢度往往与其同化和异化之间具有一定的相关性。这种相关性主要表现为同化作用越大，其代谢指数越大，异化作用越大其代谢指数越小。也就是同化率越大，其代谢度越大；异化率越大，其代谢度越小。因此，在数学坐标系里，同化率曲线和异化率曲线之间必然存在一个交叉点，并在一定的状态下形成一种均衡。这个均衡点即为的生物新陈代谢均衡点，这个均衡状态即为生物新陈代谢的一般均衡状态[3][4]。反映在生物新陈代谢上的规律就可以称之为生物新陈代谢一般均衡规律。据此，我们可以根据这个均衡点确定生物新陈代谢度。生物新陈代谢一般均衡现象是生物一般生命现象。生物一般均衡现象都可以看成是一种非常规均衡走向常规均衡再走向非常规均衡，循环往复，以至无穷。对生物新陈代谢度的研究是一个创新性工作。过去人们对生物新陈代谢的评价主要是从定性的角度进行研究，并为此已做了大量的工作。但从定量的角度评价新陈代谢还只是刚刚开始的事情。现在人们对生物新陈代谢评价主要是从新陈代谢的定性描述上进行。对新陈代谢的评价不能只停留在定性之上，在定量方面也可以大做文章。并寻找更新的评价体系和评价模型，只有这样才能更好地揭示生物新陈代谢的本质及其变化规律。我们根据生物新陈代谢的同化率和异化率的相互关系及其形成的均衡状态，提出生物新陈代谢的一般均衡理论。生物系统的目的性就是一方面保持自身系统的相对独立与稳定，另一方面保持与外界动态平衡。这两个方面就是建立一般均衡理论的核心内容。生物的新陈代谢、遗传、进化、发育等等生命过程中无不体现着这种相对平衡。这种相对平衡一旦被打破，就会出现异常，甚至是疾病。但生命过程中一旦出现异常也会出现自我修复和自我修正的过程。不能修复，那就要靠医学治疗来解决了。生物的新陈代谢一般均衡现象贯穿于生物的整个生命周期过程。也就是说整个生命过程都是处于动态平衡之中。
该理论不仅把生物新陈代谢的同化率纳入生物新陈谢的评价体系和评价模型，而且还把生物新陈代谢的异化率纳入生物新陈谢的评价体系和评价模型，并找到它们之间的相互均衡关系。从生物计量学角度研究生物新陈代谢的一般均衡现象尽管是一项非常复杂而艰难的科研工作，但从某种意义上讲，它更能全面的把握生物新陈代谢全过程。因此，我们认为从生物新陈代谢的一般均衡现象入手，揭示生物新陈代谢的本质及其变化发展规律，将成为未来生物新陈代谢问题研究的一个非常重要的研究方向。只有沿着这个方向认识下去，才能更准确、更全面地把生物新陈代谢的本质及其变化发展规律。这对正确评价和确定生物新陈代谢具有一定的重要意义。
1评价生物新陈代谢的两大重要指标体系
1.1生物新陈代谢同化及其同化率定理
我们知道，生物在新陈代谢的过程中，并就此对生物新陈代谢同化进行评估。如果通过生物新陈代谢同化率大，就说明其新陈代谢度小，反之则大。所谓生物新陈代谢同化率就是指生物新陈代谢同化速率即变化率。生物新陈代谢同化的新陈代谢程度（P）。因此，生物新陈代谢同化率的确定对评价生物新陈代谢度无疑是一个非常重要的生物计量学指标。生物新陈代谢度（P）与生物新陈代谢同化率有非常重要的相关关系。这种关系表现为生物新陈代谢同化率越大，其新陈代谢度越大，生物新陈代谢同化率越小，其新陈代谢度越小；新陈代谢度与生物新陈代谢同化表现出正相关关系曲线。新陈代谢度与生物新陈代谢同化之间表现出来的这种普遍规律现象我们称之为生物新陈代谢同化率定理。生物代谢同化率（A）是指单位时间（t）内生物新陈代谢合成和吸收的物质、能量和信息的数量（Q）。
生物同化率（A）（Biological assimilation rate）=新陈代谢合成和吸收物质、能量和信息的数量(Q)/单位时间（t）
图2 生物新陈代谢度与同化率的关系示意图
以纵轴OP表示生物新陈代谢度，横轴OQ表示代谢的物质、能量和信息数，新陈代谢同化率曲线AA就是按照不同新陈代谢度下相对应的物质、能量和信息数而描绘出来的曲线。曲线上的各点都表示在不同新陈代谢度下的新陈代谢同化变化率。例如新陈代谢同化率曲线上的E点就是表示，当生物新陈代谢度为Pe时，物质、能量和信息数为
。
1.2生物新陈代谢异化率及其异化率定理
我们知道，为了了解生物新陈代谢度还可以从生物新陈代谢异化率上考虑。通过对生物新陈代谢异化分析，就可以了解生物新陈代谢异化率。如果生物新陈代谢异化速度越大，就说明其异化率大，如果生物新陈代谢异化少，就说明异化率小。生物新陈代谢异化率的确定，就是通过对生物新陈代谢异化率的统计分析得出的，生物新陈代谢异化程度。所谓生物新陈代谢异化率是指生物在新陈代谢过程中某个时期异化变化速率。生物新陈代谢异化率。生物新陈代谢异化率在某种意义上讲代表了生物的新陈代谢程度，也反映了生物新陈代谢度的大小。因此，其无疑也是确定生物新陈代谢度的一个非常重要的科学计量学指标。新陈代谢度与生物新陈代谢异化率有一定的相关性，这种相关性表现为生物新陈代谢异化率越大，其生物新陈代谢度越小，其生物新陈代谢异化率越低，其新陈代谢度越大。生物新陈代谢度与生物新陈代谢异化率之间表现出负相关性，如下曲线。生物新陈代谢度与生物新陈代谢异化率之间表现出来的这种普遍规律现象我们称之为生物新陈代谢异化率定理[3][4]。
图3 生物新陈代谢度与异化率的关系示意图
生物异化率（D）（Biological dissimilation rate）=新陈代谢分解和释放物质、能量和信息的数量（Q）/单位时间（t）
纵轴OP表示生物新陈代谢度，横轴OQ表示物质、能量和信息数。异化率曲线DD就是根据在每一新陈代谢度下相应的物质、能量和信息数而描绘出来的曲线。曲线上的各点表示在这一新陈代谢度上的物质、能量和信息的数量。例如，异化率曲线上的E点就是表示，当新陈代谢度为Pe时，物质、能量和信息的数量为。
2 生物新陈代谢均衡的形成
2.1生物新陈代谢均衡概念
生物新陈代谢均衡是一种生物新陈代谢同化率与异化率之间相一致时的生物新陈代谢度。用图形来表示就是这同化率曲线与异化率曲线相交之点的生物新陈代谢度（图4）。在图中，纵轴OP表示生物新陈代谢度，横轴OQ表示物质、能量和信息的数量。曲线DD代表论文异化率曲线，曲线SS代表同化率曲线。同化率曲线与异化率曲线的相交点E就是均衡点。E点所确定的生物新陈代谢度Pe就是该生物的均衡新陈代谢度。而E点所确定的物质、能量和信息数量就是该生物达到均衡状态的均衡物质、能量和信息数。因此，E这个均衡点既确定了均衡生物新陈代谢度，也确定了均衡物质、能量和信息数。
图4 生物新陈代谢的一般均衡曲线
2.2 生物新陈代谢度均衡的形成
生物新陈代谢的一般均衡是生物新陈代谢同化率曲线和异化率曲线的相互作用及生物新陈代谢本身的波动而形成的。这可以从以下两方面来理解。
一方面，新陈代谢度过高的情形。如果新陈代谢度过高，其同化率就会减少，而其异化率则会增加。物质、能量和信息异化数量就会多于物质、能量和信息的同化数量。出现同化率大于异化率。这样新陈代谢就会越来越增强。随着后继者的不断同化，后继者的同类研究将会增加，随之同化率就会不断上升，这样就必然导致新陈代谢度下降，最后降至一个新的均衡状态。
另一方面，新陈代谢度过低的情形。当新陈代谢度过低时，其新陈代谢同化率就会增加，而其异化率则会减少。物质、能量和信息的同化数量就会少于异化数量，出现异化率大于同化率。这样该新陈代谢就会出现新的平衡。从而促进其新陈代谢度不断上升，最后升至一个新的均衡状态。
从以上两种情况的分析，无论是新陈代谢度过高的情况，还是新陈代谢度过低落情况，都有动力导致新陈代谢度趋向新的均衡。因此，新陈代谢度的一般均衡过程的形成是具有其内在必然规律的，这种内在必然规律我们称之为新陈代谢一般均衡定律。
图5所示，纵轴OP表示新陈代谢度的大小，横轴OQ表示异化物质、能量和信息数的多少。DD'和AA'分别是异化率曲线和同化率曲线。
图5 生物新陈代谢均衡的动态变化示意图
第一种情形是：当新陈代谢度为P1时，物质的吸收同化数为Q1，而物质的异化数为Q2，形成同化率大于异化率。即OQ1>OQ2。因此，从均衡理论上讲，这必然导致新陈代谢度下降的压力增大。（如由P1下降到Pe）促使同化率和异化率趋向均衡和新陈代谢度趋向均衡点E。形成均衡新陈代谢度Pe和均衡物质、能量和信息数量。
第二种情形是：当新陈代谢度为P2时，物质的异化数为Q3，而物质的同化数为Q4，形成异化率大于同化率。即OQ3>OQ4。因此，从均衡理论上讲，这必然导致新陈代谢度上升的压力增大。（如由P2上升到Pe）促使同化率和异化率趋向均衡和新陈代谢度趋向均衡点E;形成均衡新陈代谢度Pe和均衡物质、能量和信息数量。
根据以上生物新陈代谢的一般均衡曲线我们可以看出以下几种情况：
第一、从一般均衡曲线上我们可以看到，E点以上部位的物质、能量和信息，由于其异化率小、同化率大，因此，其新陈代谢就强，生物价值就大。而在E点的以下部位，由于其异化率大、同化率小，因此，其新陈代谢性就弱，生物价值就小。
第二、当某物质、能量和信息异化率为零时，其同化率即反映出其新陈代谢程度；当某物质、能量和信息同化率为零时，其某物质、能量和信息异化率即反映出其新陈代谢程度。
第三、当某物质、能量和信息异化率和同化率都为零时，表明此新陈代谢度为零。
第四、衡量生物新陈代谢度的大小既取决于其异化率大小，也取决于其同化率大小。异化率和同化率可以看成是生物新陈代谢非常重要的两种基本力量它们的相互作用决定了新陈代谢的大小。因此，新陈代谢度不仅自动调节和控制着生物的方向，同时也促进着生物资源的不断优化配置。
总之，在我们看来，新陈代谢均衡的形成具有其本身的内在动力机制。这种内在动力机制是生物新陈代谢本身发展规律的反映。生物新陈代谢均衡现象的发生与发展无时不受新陈代谢发展规律的控制和调节。根据异化率曲线和同化率曲线相互作用关系，我们发现，生物新陈代谢程度与其生物异化率和生物同化率有确定性的相关性。这种相关性表现在异化率越大，其新陈代谢度越小，同化率越小，新陈代谢度越大；反之同样。异化率和同化率曲线之间也同样存在确定性的交叉联系现象，并在彼此之间的交叉点上形成一种均衡，我们把这种均衡称之为生物新陈代谢的一般均衡。而将这一均衡理论称之为新陈代谢的一般均衡理论[3][4]。
2.3生物新陈代谢均衡对生物自身代谢资源配置的调节
生物新陈代谢均衡的形成过程表明，生物新陈代谢均衡是生物发展的必然趋势和正常的发展状态。而脱离均衡点的生物新陈代谢必然导致生物新陈代谢过强或过弱、过热或过冷的失衡状态。通过生物新陈代谢度的形成，促进生物新陈代谢不断地由失衡状态转向均衡状态。形成生物新陈代谢的均衡协调进步的机制。这就是生物发展过程中的生物新陈代谢均衡机制。通过这种均衡生物新陈代谢状态的形成过程，生物竞争的机制对生物代谢资源的配置发挥着积极有效的调节作用。
首先，生物新陈代谢均衡的形成是异化率与同化率波动的结果，同时也是生物新陈代谢给予两者双方的控制信号，是用来调节异化率与同化率之间相互关系的杠杆。当生物新陈代谢处于失衡状态时，表明生物体系出现了生物新陈代谢过强或过弱的状况，这样就会对生物同化者或异化者的行为产生影响。使他们对生物新陈代谢过程中产生的调控信号做出相应的反应。并调整各自的行为，进而促使异化数和同化数以及生物新陈代谢向均衡状态转变。
其次，生物新陈代谢过强或过弱，过热或过冷都意味着生物资源配置的不合理。存在着异化率和同化率过度现象。造成生物代谢资源的浪费或利用不足。通过生物新陈代谢均衡的形成过程，生物新陈代谢机制对于代谢资源的配置不合理的状态可以发挥有效的调节作用。使生物的发展趋势向生物新陈代谢的均衡状态转化，实现生物代谢资源的合理配置。
同化率和异化率是生物新陈代谢过程中两大基本力量，它们的相互作用决定了生物新陈代谢均衡的形成。而生物新陈代谢均衡则是生物新陈代谢的基本调节信号和杠杆，调节着同化率和异化率的平衡，促进着生物资源的优化配置的实现。同化率和异化率以及生物新陈代谢度的变化相互依存，相互影响，构成了生物进化发展过程中的核心机制——生物新陈代谢调节机制，这一机制贯穿于整个生物进化发展的始终。这一机制就像一个无形之手，控制和调节着生物新陈代谢的整个过程。但这个无形之手也不是万能的，医学与防疫有形之手也将对其进行适当补充和调节。就像经济市场规律一样，供给与需求曲线均衡不是万能的，这个无形之手，调节控制着市场，但也要受到政府之有形之手的干预和控制。
综上所述，我们认为生物新陈代谢度与其异化率和同化率是具有一定的相关性。这种相关性主要表现为异化率越大，生物新陈代谢度越小，异化率越小，生物新陈代谢度越大；同化率越大，生物新陈代谢度越大，同化率越小，其生物新陈代谢度越小。因此，异化率曲线和同化率曲线之间坐标系里必然存在一个交叉点，并形成一定的均衡状态。这个均衡点即为生物新陈代谢的均衡点，这个均衡状态即为生物新陈代谢的一般均衡状态。据此，从生物计量学上，我们可以根据这个均衡点和均衡状态评价生物新陈代谢的程度。生物新陈代谢均衡的形成对我们更好地揭示生物新陈代谢的本质及其发展规律具有十分重要的意义。生物新陈代谢问题是一个非常重要的学术问题。近年来引起了很多学者的高度关注，但大部分的研究主要还是从定性方面进行描述，而进行定量分析则是近十多年来随着生物计量学、生物数学的兴起而出现[3][4]。
3 生物新陈代谢评价指标体系的构建
3.1生物新陈代谢度定律
根据生物新陈代谢的一般均衡规律，生物新陈代谢度与其异化率和同化率之间具有一定的相关性。这种相关性主要表现为异化越大，其生物新陈代谢度越小；异化率越小，其生物新陈代谢度越大。同化率越大，其生物新陈代谢度越大；同化率越小，其生物新陈代谢度越小。根据这个规律,我们提出：生物新陈代谢度定律(The law of biological metabolism）。就是：“生物新陈代谢度(P)与同化率(A)成正比；与异化率(D)成反比”。用数学公式表述如下：
新陈代谢度计算:譬如一名65公斤，身高170cm的成年男性， 体温36.8度 ， 当日摄入饮食中的能量折合2200 kcal ， 自身通过运动和呼吸消耗了 1800kCal , 排出的汗液，尿液和粪便中含有280kCal 的残余热量。当日体重增加25克。
同化率
异化率，体重增加：25g
这个定律是“生物新陈代谢一般均衡规律”的数学化表达，它对我们充分认识生物新陈代谢创新一般均衡具有一定的重要作用和意义。根据这个定律，我们还可以分析生物新陈代谢度的大小，建立生物新陈代谢指数(Metabolic index ，MI)生物评价指标体系。
3.2 生物新陈代谢指数及其计算公式
生物新陈代谢指数（Metabolic index ，MI)，又叫代谢指数。什么是生物新陈代谢指数(Metabolic index ，MI)?所谓生物新陈代谢指数，简单说就是指生物新陈代谢过程中，生物新陈代谢度的大小与同化率成正比；与异化率成反比。这样就形成了一个比值，这个比值再乘一个100%所形成的一个数值就是生物新陈代谢指数。用数学公式表述如下：
Metabolic index（MI）表示新陈代谢指数;
说明:即首先确定时间,然后将这个基点时间所有的同化代谢物质、能量和信息数相加，形成这个基点时间数总和。例如：一年有12个月，即将每月生物体合成代谢吸收的“物质、能量和信息数量”（
）相加求和，然后取平均值。
说明:即首先确定时间,然后将这个基点时间所有的异化代谢物质、能量和信息数相加，形成这个基点时间数总和。例如：一年有12个月，即将每月生物体分解代谢释放的“物质、能量和信息数量”（
）相加求和，然后取平均值。
在生物体内1克葡萄糖彻底氧化可产生约18kj/g的能量；1克脂肪彻底氧化可产生38kj/g的能量；1克蛋白质彻底氧化可产生19kj/g的能量。由此，可以得出物质与能量相互转化的数据。
新陈代谢指数（MI）对新陈代谢度是相对准确的数值。这个指数就是将同化率指标体系与异化率指标体系进行均衡处理，形成一个均衡指标体系。但这个指数数据不是一成不变的,他可以形成波动。正是这种波动性，表明其动态性，持续性，发展性[3][4]。
4 结 论
总之，我们认为，同化率和异化率是新陈代谢过程中两大基本力量，它们的相互作用决定了新陈代谢均衡的形成。而新陈代谢均衡则是新陈代谢的基本调节信号和杠杆，调节着同化率和异化率的平衡，促进着生物自身资源的优化配置的实现。同化率和异化率以及新陈代谢度的变化相互依存，相互影响，促使新陈代谢过程从均衡走向非均衡再走向新的均衡。从而构成了生物进化发展过程中的核心调控机制，即新陈代谢均衡调控机制，这一调控机制则贯穿于整个生物进化发展的始终。这一调控机制的揭示对生物研究事业的发展，特别是对新陈代谢的评价以及生物自身资源的合理配置具有非常重要的指导意义。这个调节机制好似“无形之手”，不断地控制和调节着新陈代谢的进行，但这个无形之手也不是万能的，它也将受到来自医学和防疫“有形之手”的干预和调节。作者认为新陈代谢度与其异化率和同化率之间具有一定的相关性。这种相关性主要表现为异化率越大，其新陈代谢度越小，异化性越小，其新陈代谢度越大；同化率越大，其新陈代谢度越大，同化率越小，其新陈代谢度越小。因此，异化率曲线和同化率曲线之间在数学坐标系里必然存在一个交叉点，并形成一定的均衡状态。这个交叉点即为新陈代谢的均衡点，这个均衡状态即为新陈代谢的一般均衡状态。据此，从生物计量学上，我们可以根据这个均衡点和均衡状态评价新陈代谢的程度。新陈代谢度评价问题不仅是一个非常重要的学术理论问题，而且也是一个非常重要的实践问题。
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