熊江辉
多年来,一个问题始终困扰着医学界:为什么现代医学在技术如此发达的今天,面对慢性病和复杂疾病时仍然显得力不从心?为什么能精确测量无数生理指标,却常常找不到疾病的真正根源?
答案可能在于,主流医学一直在用错误的认识论框架来理解生命系统。
主流范式的局限:对结构的过度执着当今生物医学的主流思路是多学科交叉——引入物理学、化学、数学来"解构"生命的复杂性。这种思路的核心假设是:只要把生命系统的结构分析得足够细致、足够精确,就能理解生命,进而治疗疾病。
这是典型的结构决定论。从分子生物学的中心法则,到结构生物学对蛋白质三维构象的执着,再到系统生物学对复杂网络拓扑结构的研究——注意力始终聚焦在"是什么结构"和"结构如何相互作用"上。
但这种范式遗漏了生命系统最本质的东西。
范式转换:从结构观到信息观——复杂系统论的必然生命系统的本质不在于结构,而在于信息。或者更准确地说:结构是手段,信息是目的。
这一认识并非孤立的观点,而是复杂系统论在生命科学领域的自然延伸。复杂系统论告诉我们,生命体是典型的开放的复杂系统,具有以下核心特征:
开放性:生命系统必须与环境持续交换物质、能量和信息,才能维持自身存在
非线性:系统内部的相互作用呈现高度非线性,微小的扰动可能导致系统状态的剧烈变化
涌现性:整体表现出的性质无法简单归结为各部分的叠加
自组织与稳态维持:系统能够在动态变化中维持相对稳定的状态
而信息调控正是复杂系统维持稳态的核心机制。为什么?因为:
生命体面对的环境是动态变化的,结构的固定配置无法应对所有情况
系统需要根据环境信号,动态调整内部状态和资源分配
这种调整依赖于感知-决策-执行的信息流动,而非简单的物理化学反应
换个角度思考:
生命体的结构(无论是分子结构、细胞结构还是组织结构)不是固定不变的,而是可重塑的
这种重塑的方向不是随机的,而是由一个更高层级的东西指引的——那就是适应环境的能力,以及支撑这种能力的能力储备
而适应能力和能力储备,归根到底是以信息的形式存储和传递的
举个例子:肌肉组织的结构可以因为运动训练而增强,也可以因为长期不用而萎缩。决定肌肉重塑方向的不是肌肉当前的结构本身,而是存储在细胞核中的遗传与表观遗传信息——这些信息记录了"在什么环境压力下应该如何调整肌肉能力"的策略。
因此,生物医学的下一个重要突破不应该继续聚焦于物理、化学层面的结构解析,而应该来自信息学的引入。需要把生命系统理解为一个信息处理与适应系统,而不仅仅是一个物理化学反应网络。
根因分析三层结构:一个信息流框架正是基于这种信息观和复杂系统论,本文提出根因分析的三层结构。这不是一个简单的解剖学分层,而是一个信息流动和适应过程的层级模型。
第一层:根因层(信息层)——能力储备的编码这一层对应于细胞核内的遗传与表观遗传信息。它是整个系统的最内核,也是最根本的"根因"所在。
但请注意,这里说的不是基因决定一切,而是这一层存储的是生物体应对环境挑战的能力储备信息。这些信息包括:
哪些基因可以被激活来应对特定压力
这些基因的激活阈值和强度如何调控
过去的环境经历对这些调控机制留下的"记忆"(表观遗传修饰)
可以把它理解为生物体的**"战略数据库"**——它记录了可用的战术选项及其优先级。当这一层出现紊乱(比如关键基因的表观遗传沉默,或DNA损伤),整个系统的适应能力就会在源头受损。
这就是为什么称之为"根因层"——因为它决定了系统能力的可能性空间。
第二层:功能层——能力的实现与部署中间层是功能层,它负责将信息层编码的能力翻译成具体的生理功能。这一层又可以分为两个子层:
通用功能子层(如线粒体功能、干细胞储备、基础代谢):这是所有细胞类型共有的"基础设施",相当于城市的电力和水务系统
特化功能子层(如肝脏解毒、免疫防御、胰腺调节血糖):这是针对特定环境挑战的"专业部队"
从信息观来看,功能层是面向不同场景环境的功能适配。它根据信息层的指令,动态地分配资源、调整强度,以应对当前的环境压力。
例如:当进食高糖食物时,信息层的指令被激活,胰腺功能(特化功能)在线粒体功能(通用功能)的支持下,分泌胰岛素来处理血糖。这是一个信息驱动的功能执行过程。
第三层:表型层——环境互动的结果最外层是表型层——能观察到的所有生理指标和症状,比如血压、血糖、炎症标志物、疼痛、疲劳等。
从信息流的角度看,表型层是生物体与环境直接相互作用的界面。它不是简单的"输出",而是内在能力储备与外部环境压力博弈的动态结果。
具体来说:不同的环境压力(如营养、毒素、应激、病原体),与个体的内在能力储备(由信息层编码、功能层执行)相结合,会形成不同的表型模式(pattern)——这些模式,就是所谓的"疾病症状"。
比如:同样是高糖饮食(环境压力),有些人血糖控制良好(内在能力储备充足),有些人则出现高血糖和胰岛素抵抗(能力储备不足)。这不是简单的"基因好坏"问题,而是信息层-功能层-表型层整个系统的适应能力差异。
三层结构的本质:信息的层级流动与反馈现在可以清晰地看到,这个三层结构的本质是一个信息流动与适应的层级系统:
信息向下流动:信息层(能力储备编码)→ 功能层(能力实现)→ 表型层(能力表现)。这是一个从"可能性"到"现实性"的具现化过程
信息向上反馈:表型层(长期的环境压力结果)→ 功能层(功能疲劳或重塑)→ 信息层(表观遗传修饰)。这是一个从"现实经验"到"能力更新"的学习过程
最关键的是,这不是一个静态结构,而是一个动态循环。长期的不良表型(如慢性炎症、代谢紊乱),会通过表观遗传机制,反向重塑信息层,导致能力储备的持久损伤。这就是为什么慢性病往往难以逆转——因为它已经从表象深入到了信息层。
适用边界:慢性病与急性病的根因差异需要明确的是,这个信息流框架主要适用于慢性病和复杂疾病的根因分析,如糖尿病、高血压、自身免疫病等。这类疾病的核心特征是适应能力的渐进性耗竭,信息调控紊乱是长期累积的结果。
但对于急性病(如细菌感染、急性心梗、严重创伤),情况有所不同:
结构损伤往往是直接且主导的原因:细菌毒素导致细胞裂解、冠脉血栓导致心肌缺血坏死、外伤导致组织破裂——这些都是结构层面的急性损害
紧急干预必须优先修复结构:使用抗生素杀菌、溶栓药物打通血管、外科手术修复创伤——这些结构层面的干预是挽救生命的第一要务
信息层调控在结构修复后介入:当急性威胁解除后,信息层的调控才显现出价值,如调节免疫记忆防止再感染、修复表观遗传损伤促进组织再生等
因此,不能将"信息观"泛化到所有疾病。准确地说:
对于慢性病和功能性疾病,信息层是根因,应从信息流动和适应能力的角度进行根因分析
对于急性病和结构性损伤,结构修复是首要任务,信息层调控是后续康复的重要手段
这种区分并不削弱信息观的价值,反而使其更加精准和实用。
根因分析的本质:从表象反推信息理解了这个信息流框架,就能明白什么是真正的根因分析了:
根因分析不是简单地找到"哪个结构坏了",而是要从可观测的表型层,反推出信息层和功能层的内在变化,并依据这些内在变化来精准干预。
具体步骤是:
观察表型层的模式(症状、指标的组合特征)
推测功能层的哪些能力出现了不足或失调
进一步追溯到信息层的哪些调控机制可能发生了紊乱
在识别出的最深层级(优先是信息层,其次是功能层)进行干预
这与传统医学的"对症治疗"有本质区别。对症治疗只在表型层做文章(比如降压药降血压),而根因分析要深入到能力储备的层面——恢复或重建系统应对环境压力的内在能力。
为什么是信息学而非物理化学?回到最初的问题:为什么认为生物医学的突破应该来自信息学,而不是物理化学的进一步交叉?
因为物理化学范式的核心是结构和能量,而生命的核心是信息和适应。
物理化学能告诉我们分子如何相互作用,但无法告诉我们系统为什么选择这样的相互作用模式。而后者,恰恰是理解疾病根因的关键——需要知道:
系统当前的"决策逻辑"是什么(信息层)
这个逻辑为何失效或被扭曲
如何重新校准这个逻辑
这些问题属于信息论、控制论、系统论的范畴,而不是传统物理化学能回答的。
"信息"作为核心范式的高明之处在于:它是一个比"结构"更具统摄力的概念。它成功地将视角从"是什么"转向了"为什么"和"如何适应",将DNA、表观遗传标记等视为"能力储备的编码",将生理功能视为"信息的实现与部署",将症状视为"信息与环境博弈的结果"。这是一个非常有力的隐喻框架,它强调了生命的目的性(适应环境)、历史性(表观遗传记忆)和整体性(各层级的动态循环)。
当然,结构依然重要。结构是信息的载体,是功能的物质基础。但必须认识到:在生命系统中,结构是手段,信息才是主导。结构可以被重塑、被替换,只要信息层的指令正确。
结语:一场认识论的革命根因分析的三层结构,本质上代表了一种认识论的转变:从结构观转向信息观,从静态拆解转向动态适应,从线性因果转向层级反馈。
这不仅仅是一个医学诊断工具,更是一个重新理解生命系统的哲学框架。它揭示:
疾病不是结构的简单损坏,而是适应能力的系统性失衡
健康不是某个指标的正常,而是信息-功能-表型循环的动态平衡
治疗不应只修补结构,更要重建能力储备
当真正从信息流和复杂系统的角度理解生命、理解疾病时,将开启精准医学和根因医学的新时代。这不需要等待更强大的显微镜或更快的测序仪,而需要一场思维方式的革命。
这场革命已经开始。
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自熊江辉科学网博客。
链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-508476-1506641.html?mobile=1
收藏
