人體結構與功能的四元數模型——人體設計是數學家的傑作嗎

人體結構與功能的四元數模型

摘要 長期以來，如何正確地理解「人」這個特殊的自然物種，已困擾人類數千年之久，直到近年來，隨著生命科學領域各項研究快速進展，為觸及該問題的答案提供了新的線索。隨著逐漸認識到人體是由人體和共生微生物尤其是腸道菌群組成的超級共生體，以及由飢餓源於菌群而引發的菌心說等科學發現，在數理分析與邏輯推理的引導下深入研究，提出人體結構和功能的「四元數」模型，從而為數學生物學尤其是其中的生物控制論以及數學醫學的新發展帶來新思路。「四元數」是愛爾蘭物理學家兼數學家哈密爾頓於1843年發現的複數擴展形式（超複數），並引發了代數學的革命，將其思路和原理以學科交叉的方式用於生命科學領域，結合基因組學、生物化學、微生物學、系統生物學、生理學、解剖學以及神經科學相關知識，從一個新的角度解析人體的結構與功能，有可能獲得新發現。具體地，將四元數模型用於解析人體的結構和功能，即，在結構上的對應關係是，在功能上的對應關係是，由此可獲得對人體結構與功能的新認識，尤其是將人體可視為向量（vector）而不是標量（scalar）進行看待，同時從作為微生物的腸道菌群對人體從飢餓信號起源的角度，以及同樣屬於微生物的線粒體對人體呼吸功能控制的角度，強調了人體共生微生物對涉及到生存與死亡所必須依賴的飢餓與呼吸這兩大生理功能的信號起源和生物控制原理，對於生物控制論的新發展提供了重要支持，對於醫學、生命科學中與「人」相關的研究具有參考價值，同時也將有助於推動中醫生命科學的研究與應用。

關鍵詞 四元數；飢餓源於菌群；呼吸源於線粒體；菌心說；雙腦論；中西醫結合；中醫生命科學

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Using the quaternion model of human body to conjecture the structure and function of human beings

Abstract Since the beginning of human life, how to correctly understand &34; as a special natural species has puzzled the scientific community for thousands of years. Until recent years, with the rapid development of biology and life science, it has provided new clues for the answers to address this question. With the gradual recognition that human body is a &34; composed of human body itself and symbiotic microorganisms, especially gut flora, and the discovery of &34; and so on, together with the guidance of mathematical and logical thinking, the &34; model of human body structure and function is proposed in this paper, which brings new ideas for the new development of mathematical biology, especially the biological cybernetics and mathematical medicine. Although &34; was discovered in 1843 by Hamilton, an Irish physicist and mathematician, which led to a mathematical revolution, it was used in the fields of biology, life science and medicine, especially in combination with physiology, biochemistry, microbiology, neurology, anatomy and other related knowledge. It can be used to analyze the structure and function of human body and is expected to obtain a series of new discoveries. In this paper, the quaternion model is used to analyze the structure and function of human body, i.e. . The corresponding relationship in structure is (human body vector) = (body scalar) + (gut flora vector) + (mitochondria vector) + (human brain vector). The corresponding relationship in function is (holistic human) = (human body for moving) + (gut flora for eating) + (mitochondrial for breathing) + (human brain for thinking). From this, we can get a new understanding of the structure and function of human body, especially regarding human body as vector rather than scalar based on the perspective of the origin of hunger sensation signal from gut flora as microorganism to human body and from the perspective of mitochondrial respiration to human body. The signal origin and biological control principle of symbiotic microorganism to human physiological function are emphasized, which provides important support for the new development of biological cybernetics. This model has reference value for the researches related to &34; in medicine and life science, and will also help to promote the research and application of new outlook on traditional Chinese medicine and life science.

Keywords Quaternion; hunger sensation comes from gut flora; respiration signal comes from mitochondria; gut flora-centric theory; two-brain model; integration of traditional Chinese and Western medicine; traditional Chinese medicine and life science

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很難知道為什麼地球上會有生命，同時也很難知道地球上為什麼會有人類出現，即便是達爾文進化論在試圖回答生命的起源和進化等關於生命科學的基本問題時也遇到不少困難[1]。更進一步，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複雜問題，諸如倫理、道德、科學、宗教、信仰以及慢病、犯罪和戰爭等[2-4]。然而，人類天然具有社會性的特點，只要有人的地方，就有合作競爭，就有矛盾妥協，就有家庭關係和複雜的社會關係以及國家之間的合作與矛盾。這一問題，隨著200萬年前人類祖先的出現，從有歷史紀元的一萬年之前，直到現代社會的今天，也依然存在，並不會隨著人類的發展而消失，這是因為人性畢竟是與人相伴一生的過程[5-7]。因此，除非我們能夠弄清楚「人是什麼」以及「為什麼會有人類」等複雜而又基本的問題之後，才有可能為人類的未來發展趨勢進行科學合理的預測[8]。這一點既是社會科學研究者的努力方向，同時也需要自然科學尤其是生命科學領域的科技工作者的研究支持。

隨著人類社會進入21世紀，科學技術的快速發展使得我們有可能繼續深入思考、探究、辯證和剖析事關「什麼是人」以及「人的本質」這樣的基本問題[9, 10]。當前，21世紀已經過去了1/5。鄒承魯先生曾經指出，21世紀將是統一生物學的世紀，也將是生命科學的世紀[11-14]。現在距離21世紀結束還剩下80年的時間。我們是否有可能在本世紀剩下的4/5時間中，弄清楚關於「人」的基本問題呢？顯然存在不小的難度，因為這是一個與人類歷史相伴而來的亙古難題。然而，如果能夠繼承人類以前以及當前的科學發展積累下來的知識進行綜合分析，在人類智慧的努力下進行深入思考，未必不會對觸及、探知和揭曉該問題的答案提供有價值、有興趣的科學線索。本文即為在此方面的嘗試，擬將生物學、醫學、數學等方面的知識進行整合，試圖為使用數學來「定量」表徵「什麼是人」提供參考依據。

1. 使用「四元數」模型（）實現對「人」的表徵

1.1 關於「四元數」即的初步介紹

在數學發展的歷史長河中，數的擴充曾是一個十分重要的內容[15]。從整數到分數，從正數到負數再到0的出現，從有理數到無理數例如的出現，雖然一路坎坷然而卻在不斷發展完善。在-1難以開平方即難以求解的情況下，人們引入了虛數I，隨後複數a+bi的引入則是實數的有序偶（a, b）。愛爾蘭物理學家兼數學家哈密爾頓的貢獻之一則是通過定義有序偶的運算，把複數邏輯地建立在實數的基礎上，從而實現了複數的加、減、乘、除，消除了複數運算的神秘性。然而，四元數的引入則與複數的引入不同，四元數是通過考慮用向量表示力而引入的[16-18]。

在1830年左右，複數用於表示平面上的向量已是眾所周知的事實，但是複數a+bi或(a, b)只能表示平面上的受力情況，無法表示不在一個平面上的幾個力的受力情況，因此需要拓展，即面臨尋找三維複數及其代數運算的能力。哈密爾頓當時也在深入思考該問題，亦未能成功，究其原因在於當時所有的數，從自然數到複數都具有乘法交換性。此問題困擾哈密爾頓長達15年而一無所獲。直到1843年10月16日黃昏，哈密爾頓攜夫人步行到布洛翰（Brougham）橋時，關於四元數的靈感忽然出現，他立刻把最重要的四元數乘法公式用小刀刻在了布洛翰橋上。哈密爾頓的頓悟指出，如果要使用新數來表示空間向量，必須做出兩點讓步：一是新數必須含有四個分量（1, i, j, k），而不是以前的三維複數含有三個；二是必須犧牲乘法交換律。哈密爾頓把這種新的數（a, b, c, d為實數）稱為四元數，而且可將其寫成有序偶形式（a, b, c, d）。同時他給出了其加法和乘法，不過他同時明確指出四元數的乘法交換律不成立[16]。

回顧數學發展史可以發現，代數學的真正革命是四元數的發明，為線性代數理論的發展鋪平了道路，引起了數學上的一系列變革，尤其是在向量分析的發展中起了重要作用，直接導出了向量分析。哈密爾頓本人對四元數給予了無限的希望，認為四元數能夠與微積分相媲美，成為物理學、力學等學科的重要工具。四元數對代數學發展的影響猶如日心說在天文學發展的影響，成為代數學的真正變革[15, 16]。

1.2 使用「四元數」表徵「人」的原因及合理性分析

按照通常分類，數學和生物學均屬於理學門類下面的一級學科。雖然在生物學中大量使用數學相關知識，但是，使用四元數的方式來表徵生物學中的「人」，還是尚未見到的，這也是本文需要重點闡述的內容之一，因為這一點構成了本文的基石，而且本文並不只是針對人體慢病與健康等醫學相關問題來討論的，而是將基於人體結構與功能的四元數模型的新認識，期望能夠獲得對於「什麼是人」的新理解。

眾所周知，數千年來人們對於「人」的認識，不外乎由「肉體（人體）」和「大腦（人腦）」組成，前者負責存活，後者負責思考。這樣傳統而又經典的認識，古今中外，概莫能外。然而，時代在發展，科學在進步，合成生物學、基因編輯、換頭術、人工智慧、腦機接口、意識能否獨立於肉體而存在以及利己和利他之間的矛盾等複雜的道德與倫理問題[19-32]，不斷地讓人們對關於「人」的定義進行深入思考。究竟什麼是人？一個人的思想是否能夠獨立於他的肉體而存在？如果將一個人例如癌症患者的肉體冷凍，等50-100年之後人類能夠攻克癌症再解凍而救活，那麼，這個人還是這個人嗎？除了這些複雜問題之外，更現實地，當前人類社會面臨的慢病高發問題、老齡化問題、抑鬱、自殺、精神病、老年痴呆等，迫使公眾和科學界不斷地反思這個問題：人，為什麼活著？活著的目的和意義究竟是什麼？是為了慢病還是為了健康？是為了痛苦和磨難還是為了快樂而愉悅？是人的肉體更重要，還是人的思想與精神更重要？以典型的慢病高發問題為例，當前不僅醫學界面臨巨大壓力，倫理學界以及社會科學界也面臨巨大壓力，其中的共同問題和難題是：21世紀的今天，人類如何走向共同健康、共同和平、共同幸福？[33, 34]

顯然，公眾的提問和質疑以及當前社會發展面臨的種種問題，必然會投射、映射並折射到科學界，尤其是醫學界，期望能夠通過基於生物醫學和生命科學的深入研究、思考和進步，促進人們的身心健康和社會發展。鑑於對人是由肉體和大腦組成這樣的傳統認識，已經難以有效回答和解決困擾人類的很多問題，因此，「病則思變」，對於「什麼是人」就需要面臨新的提問和思考。

和數學發展史類似，當現有的知識體系難以回答新問題的時候，就需要發展新的知識，形成新的思路了，因為從來就沒法使用舊地圖找到新大陸[35]。歷史總是驚人地相似，當前，這一幕也正在生命科學領域上演著，雖然絕大多數人可能還沒有意識到這些快速發展的新研究，有可能會為人類帶來認知上的巨大進步和科學思想上的巨大衝擊。

為了便於理解「人體結構與功能的四元數模型」，我們將引入兩個非常重要的、已經具有較多研究基礎的科學假說，其一是「飢餓源於菌群」，其二是「呼吸源於線粒體」[36-38]。由於在自然生活狀態下，（腸道）菌群和線粒體都是人體不可或缺的微生物生命體，因此，本文將突破「人是純粹的真核生物」這個傳統知識與常規理解，參考並借用四元數概念和內涵的發展過程，從向人體補充「類虛數」和「類向量」的角度，提出人體結構與功能的四元數模型，即「整體的人人的肉體菌群*+線粒體*人的大腦*」，在形式上則同樣參考使用四元數模型「」。在功能上而言，「人」對應整體的人向量，肉體對應生理標量，菌群對應飢餓向量，線粒體對應呼吸向量，大腦對應思維向量。後續將予以詳細解釋。

首先，我們向傳統的人體模型中引入了人體共生微生物尤其是腸道菌群這個變量，並使用向量進行表徵。之所以引入這個向量，是因為近年來的科學進步，使得人們認識到人是由人和共生微生物組成的超級共生體[39, 40]，結合我們實驗室基於相關知識以及大量研究而獲得的重要發現「飢餓源於菌群」，比較科學、合理地解釋了為什麼腸道菌群在人體存在的重要性與必要性。鑑於此方面我們實驗室已經發表系列相關論文[41-55]，為節約篇幅，此處不再贅述。簡而言之，在人體飢餓信號與攝食動機方面，向量既是人體飢餓信號的原始來源和始動因素，同時也是人體攝食慾望衝動的生物開關，是在胎兒出生後，由自然界將腸道菌群主動接種到人體胃腸道而形成的一個特殊的微生物器官[42, 47, 49]。

其次，我們向傳統的人體模型中引入了本質上也屬於微生物的線粒體這個變量，並使用向量進行表徵。之所以引入這個向量，有四個重要原因。第一，人體所有細胞中除過成熟的紅細胞之外，都含有線粒體這個細胞器，而且線粒體負責呼吸，是人體細胞中負責能量代謝的動力工廠（power house）。如果沒有線粒體，那麼人體所有細胞（包括精子）將由於缺少能量來源而失去活力。第二，線粒體本質上屬於微生物、而不屬於人類，其基因組DNA僅有16,569bp或16570bp，並非人類基因組DNA的組成部分。線粒體基因組DNA是通過人類的卵細胞以母系遺傳的方式垂直傳播，而且其在人體細胞中的複製屬於半自主複製，即一個細胞內的線粒體基因組DNA的數量是可變的，可根據細胞的能量需求和代謝狀態進行動態調節，少的可以有幾十個，多的可達上千個，而在幹細胞和卵母細胞中，線粒體的數量甚至可以達到數萬個或幾十萬個之多[56-58]。第三，線粒體作為細胞器在細胞中的複製行為，和病毒（virus）具有一定相似性，都是大量使用人類細胞的遺傳物質翻譯和複製系統，來複製自己的後代，只不過人類線粒體終生生活在人類細胞中，能夠形成和人類細胞共生共存、互惠互利、合作共贏的機制。線粒體為人類細胞通過有氧代謝提供能量，而人類細胞則為線粒體的存活、複製和遺傳提供環境和土壤。相反，病毒則是在利用宿主細胞的環境複製自身遺傳物質的過程破壞宿主細胞，無法與細胞共生共存。第四，也是最重要的，即呼吸源於線粒體。眾所周知，吃飯雖然很重要，然而呼吸比吃飯更重要。雖然人體需要吃飯，但是我們此前的研究已發現實際上飢餓信號源於腸道菌群繁殖自身後代的客觀衝動，通過靶向腸道菌群進行調控即可消除人體飢餓感，人體啟動自身能量消耗過程。一開始我們並沒有去認真思考人體呼吸的客觀原因和生物學物質基礎，只是近期在「飢餓源於菌群」思路的啟發下，結合線粒體對於人體細胞的極端重要性，我們隨後強烈地意識到，不妨可以適當突破此前的傳統認識，突出「呼吸源於線粒體」的新理解，就有可能對人體結構與功能獲得新認識。

第三，也是在並不意外和並不例外的情況下，我們向傳統的人體模型中突出了「人類大腦」這個最重要、也是最特殊的變量，並使用向量進行表徵。這一點其實並不難理解，因為就人體本身而言，大腦和肉體是相對可以進行獨立分隔和理解的。但是，之所以參考哈密爾頓的四元數模型，從這個新向量的角度進行理解和表徵，是為了突破傳統的維度概念的，即「」三者都是「物質的」、「實在的」、「客觀的」、「可見的」，而「」則是「意識的」、「符號的」、「邏輯的」、「概念的」、「虛擬的」。這樣的理解，也是為了便於將「肉體的人」向「意識的人」、「思想的人」和「精神的人」的角度進行升華而進行的必要準備。

綜上可見，在參考四元數概念提出與內涵發展的基礎上，將傳統的人體設定為標量、將人腦設定為向量，並向人體中引入兩個新的向量，分別是引導人體飢餓感的菌群向量即，以及引導人體呼吸功能的線粒體向量即，從而可將人體和人腦從基本的定義「一個標量（肉體）一個向量（人腦）」，擴展為「一個標量新向量（菌群，微生物）新向量（線粒體，微生物）一個向量（人腦）」的新定義，此即為人體結構和功能的四元數模型（The quaternion model of human body to conjecture the structure and function of human beings，簡稱為QM），見圖1。

圖1、人體結構和功能的四元數模型

Figure 1. The quaternion model (QM) of human body to conjecture the structure and function of human beings.

2. 使用「四元數」模型表徵人體結構與功能的科學意義

在數學中，四元數不僅具有形式上的直觀與優美，而且具有內涵上的邏輯性與科學價值。在哈密爾頓的努力下，四元數推動了代數學的革命性發展[16]。將四元數概念以學科交叉應用的方式引入生命科學和生物醫學領域，不僅是一種形式上的借鑑，更重要的則是內涵方面的擴展，具有重要的理論價值和應用前景。

首先，從數學的形式來說，將「人」這個整體科學、合理地「拆分」為雖然表面上不同、然而內容上卻十分密切相關的四個部分，符合從整體到局部、從局部到整體的科學邏輯。在QM模型即「」的表徵形式下，通常意義上的肉體即這個標量，是人們可見的人本身，是表象，是表現，是表觀。在這個肉體標量的基礎上，同時承載著構成這個人的三個向量，即菌群（飢餓）向量、線粒體（呼吸）向量和大腦（思維）向量。具體地，以承載著這個人的飢餓與攝食慾望即向量為例來說，也就是此前我們所說的「菌腦」概念，以腸道菌群微生態的方式，通過生物化學為載體和過程，承載了這個人對於攝食及食物需求的直接記憶[42, 47, 51, 53]。換言之，本文所述的QM模型認為，一個人的飢餓信號與攝食動機的客觀起源，是其肉體標量承載著的向量的功能表現，或者說其肉體標量在其菌群空間的投射的結果，或者說這個人的菌群向量向其肉體標量的投射，體現在這個人的飲食結構和飲食習慣中，即菌群向量引導著這個人的飢餓信號與攝食動機。

其次，線粒體向量引導著這個人的呼吸信號與呼吸動機和呼吸需求，或者說這個人的肉體標量在線粒體向量空間中的投射，是這個人呼吸行為和呼吸過程的來源。人體從空氣中吸入的氧氣，絕大多數用於線粒體氧化磷酸化過程，用於為人體日常活動製造能量，使用線粒體作為形成細胞內的動力工廠而存在[59-63]。

第三，大腦思維向量或稱意識向量引導著這個人的意識與思維、思想與精神、意志和信仰等高級活動。對於一個完整的人來說，這個向量無疑是最重要的，因為其影響並決定了這個人的思想，而標量只是肉體存在的表現，同時向量和向量只是分別決定這個人的肉體的飢餓和呼吸需求，然而思維向量一方面通過神經系統指揮人體完成滿足和的生理過程，另一方面更重要的則是思考關於人的高級問題，例如思想、精神、意志和信仰等。

根據以上討論，進一步宏觀地看待「人」這個整體，就可以比較科學、合理地將肉體標量理解為在由三個向量、和坐標軸上的投影（圖2），即菌群向量驅動肉體標量產生飢餓感，向人體產生飢餓引力和壓力、線粒體向量驅動肉體標量形成呼吸需求，向人體產生呼吸引力和壓力、而意識和思維向量則驅動肉體標量完成這些基本的生理過程，並同時以思想和精神來提升肉體標量存在的意義和價值，從而形成以向量表徵的完整的人。

圖2、人體的生命過程可以理解為一個肉體標量在三個向量（菌群與飢餓向量、線粒體與呼吸向量和人腦思維向量）維度空間的投射

Figure 2. The life process of human body can be understood as the projection of the body scalar in three dimensions including the gut flora for hunger vector , mitochondria for respiration vector and human brain for thinking vector .

為了便於定義正向的引力和壓力，與負向（即不利於身心健康）的引力和壓力相對應進行區分，可將肉體標量「圍繞」向量的順時針旋轉定義為「正向量」即>0、將肉體標量「圍繞」向量的順時針旋轉定義為「正向量」即>0、將肉體標量「圍繞」向量的順時針旋轉定義為「正向量」即>0，其中>0指的是好菌群即有益於健康的菌群，>0指的是健康正常的線粒體，而>0則指的是正能量的思想和意識（圖3）。相反，<0指的是致病菌等不利於人體健康的微生物、<0指的是病毒類（在細胞內複製而破壞細胞）、<0指的是負能量的思想如犯罪、反社會、反人類和非正義的戰爭等。顯然，越接近於向量，就越接近於社會生物學以及社會科學的相關問題。此方面將另文進行專題討論。

圖3、人體結構與功能的四元數模型中的引力作用（正向影響力以順時針表示為，負向影響力即破壞力以逆時針表示為）

Figure 3. The power factor in the quaternion model of human structure and function, where the positive force is represented by clockwise and negative force is represented by anticlockwise.

由此可見，上述關於人體結構與功能的四元數模型，並非只是形式上的美的體現，而是融合了大量生物學、生理學、解剖學、生命科學以及醫學知識的具有內容的、內涵的、結構的、功能的美學描述，同時具有科學性與合理性，對該模型進行詳細解析的結果詳見表1。通過深入理解和領會這個四元數模型及其所蘊含的生物意義和科學價值，有望獲得對人體結構和功能認識的新進步。

表1、基於人體結構與功能的四元數模型對人體標量和向量進行解析

Table 1. Analysis of one scalar and three vectors of human body based on the quaternion model on structure and function of the human beings

項目

性質

肉體標量()

菌群向量、

飢餓向量()

線粒體向量、

呼吸向量()

人腦向量、

思維向量()

基因組信息系統

23對染色體，30億鹼基對，編碼2萬個基因，由父母垂直遺傳給後代

成人腸道菌群總重量1-2kg，含有1000-2000種菌群，編碼300萬-1000萬個基因，通過環境向後代橫向傳遞

環狀DNA，長度為16,569bp或16,570bp，編碼37個基因，通過卵細胞進行母系遺傳

通過學習、教育向後代傳承知識，並發展思維能力

參考作業系統分類

人類第一基因組（OS/1）

人類第二基因組（OS/2）

線粒體基因組系統，簡記為OS/2.01

可理解為人類語言和知識作業系統，簡記為OS/3

進化史上出現的年代

約200萬年以前

約36億年前

約24億年前（伴隨真核細胞出現）

約200萬年前（伴隨肉體而出現，不考慮動物大腦情況下）

在成人體內的數量

約1013個人體細胞

約1014個微生物細胞（以細菌為主，同時還有少量真菌等）

約1015個線粒體

約1010個神經細胞，約1013個神經突觸

對酸甜苦辣鹹的感知

√（通過神經而感知）

×

×

√（通過神經電信號而感知）

對氧氣的需求

需氧

厭氧

需氧、耗氧

高度耗氧

對飢餓的感知

不直接感知（由菌群傳遞感知）

√（直接負責）

√（表現為乏力而並非飢餓）

不直接感知，通過神經而感知

對呼吸的感知

不直接負責（由線粒體調控）

×

√（直接負責）

不直接負責，通過神經而感知

對氧氣的需求

√

×

√

√

通常所說的人

√

×（未考慮、不包括）

×（未強調）

√

屬於微生物

×

√

√

×

是否屬於物質

√

√

√

√（高於物質）

是否具有意識

×

×

×

√

對肉體作用力

—

產生飢餓信號與攝食慾望並向人體傳遞

產生呼吸需求信號並向人體傳遞

以思想、精神、信仰引領人體行為

對肉體否定後

—

分解肉體導致腐敗、腐爛和死亡

呼吸窘迫、缺氧、窒息而死亡

心理崩潰、精神失常而自殺

正向發展功能

—

正常的生理需求：飢餓與攝食，不危害肉體，與人體協同共生

正常的生理需求：呼吸，不危害肉體，與人體協同共生

正能量、積極上進、團結合作、精神愉悅等

負向發展結果

—

壞菌群、致病菌群等，導致慢病、傳染病

壞病毒，如天花病毒、HIV、SARS、MERS等導致慢病、傳染病

負能量、思想陰暗、精神萎靡、疑神疑鬼等

是否可調控

√

√

×

√

調控方法手段

體育鍛鍊等

微生態調控技術

呼吸調控技術

學習、教育

異常後的結果

疾病（慢病、外傷等）

自閉症、糖尿病、老年性痴呆、炎症等

線粒體（功能）缺陷性疾病、炎症等

心理病、精神病等

功能表現

人體主動

菌腦主吃

粒腦主吸

（線粒體管呼吸）

人腦主思

發展方向

健康

攝食

呼吸

知識、邏輯、科學、哲學

為了便於理解本文所述的四元數QM模型，有必要討論為什麼一定要使用四元數而不是一元數、二元數、三元數等方式來表徵人體結構與功能模型呢？之所以選用這個QM模型，應該說是在經歷了一個十分複雜而又漫長的發展過程而逐漸形成起來的。我們實驗室早在2013年提出了「菌心說」學說，相當於當時在強調「一元」，指的是人體圍繞著腸道菌群賦予的飢餓感而攝食[55, 64-66]，此後由於意識到需要將「菌腦」和「人腦」進行拆分定義，因此在2019年形成了「雙腦論」觀點，即「菌腦管吃（菌腦主吃），人腦管思（人腦主思）」，相當於「二元」[42, 47]。加上人體本身的功能即「人體管動（人體主動）」綜合在一起，就構成了「三體觀」的理念，相當於「三元」。然而，針對這個「三體觀」模型繼續進行深入思考的過程中，似乎總覺得不容易分配和定義線粒體的合理位置，因為線粒體雖然伴隨著卵細胞和受精卵的發育，伴隨著人類壽命的終生，但是其本身畢竟是微生物，並非人類基因組DNA系統的組成部分。在2019年歲末，隨著新冠病毒肺炎疫情的意外爆發[67, 68]，在居家隔離期間繼續深入思考該問題，忽然意識到人體的呼吸行為與呼吸功能，實際上應該是由線粒體這個從受精卵開始就「嵌入」到人體細胞中的微生物來源的細胞器在負責引導，因此，就萌發出尋找「四元」相關概念的想法。

帶著這個關於「四元」的思路和想法檢索文獻，在2020年2月下旬，很快就檢索到了哈密爾頓的「四元數」相關資料，頓覺豁然開朗，從而結合近年來的大量研究，形成了人體結構與功能的「四元數」模型。將哈密爾頓對四元數的定義和生命科學的相關知識進行逐一對應，將古老的數學科學與最近、最新的生命科學進行映射和對接，意識到人體共生微生物相當於「虛數」、人體相當於「實數」，就比較容易理解。事實上，在前幾年的思考中，我們一直在考慮參考虛數和複數（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學上的合理表徵，直到發現哈密爾頓四元數模型的相關研究之後，才意識到數學和生物學可能可以對接並進行符合邏輯的科學理解。

值得說明的是，在反覆閱讀叔本華「作為意志和表象的世界」的哲學體系中，經常令人深入思考究竟什麼是意志和表象的關係[69-73]？如果以物質對應表象（因為表象通過物質來體現）、以意識對應意志，那麼，不妨可以說，關於「物質和意識的關係（簡稱為『物意關係』）」，或許應該是人類真正理解世界的關鍵所在。在數學中，已知同類項可以合併[74]，異類項顯然無法合併，那麼，就可以參考類似地使用「虛數」和複數方式處理同類項、異類項的關係，因此，不妨可以這樣描述自然界與世界的邏輯，即「世界=物質+意識*i」，或者說「世界=表象+意志*i」，即可以使用「（物質，意識）」和「（表象，意志）」這種類似於「有序偶」的方式，來表徵我們對於世界的理解，從物質到意識、從表象到意志、從思想到精神，從而體現出物質世界存在的邏輯應該是為在意識層次的理解做準備的辯證過程[70, 73, 75-78]。

3. 人體結構與功能的「四元數」模型在生物學上的意義和應用

就生物學和生命科學而言，應該說非常渴望數學的介入。唯有數學的介入，才有可能實現一門學科的真正發展，這是因為數學強調的並不是直覺、不是經驗，而是邏輯，是推理，是嚴密的科學論證。為此，將哈密爾頓的「四元數」模型引入「什麼是人」這樣的重大生命科學問題之中，必然需要回答其中的若干基礎、基本和關鍵的科學問題，方才有可能夯實「數學生物學」這棟21世紀生命科學新大廈的基石[12, 13]。這一點和科學以及哲學的使命是類似的，即科學的發展不僅是為了解釋世界，而且更是要改造世界，更好地為人類的健康和社會的發展服務[79-81]。

當然，本文最重要的核心之處，在於將菌群向量和線粒體向量作為重點，參考引入到作為人體整體的結構之中，而且在功能上給予了明確的定位，即菌群向量賦予、引導並控制人體飢餓感、線粒體向量賦予、引導並控制人體呼吸（氧氣需求），從而為人體的結構和功能構成了「飢餓源於菌群」和「呼吸源於線粒體」這兩個必須而又完整的生理功能鏈條。鑑於我們實驗室已經發展出可通過靶向調控腸道菌群減少或消除人體飢餓感、人體暫時無需攝食只需飲水的技術方法（此時人體通過啟動庫存糖原和庫存脂肪的生理性消耗為人體提供能量），即已經獲得大量科學實證的支持，因此在研究基礎上是可靠的和牢固的，是能夠經得起醫學實踐和歷史檢驗的[43-54, 66, 82-86]。然而，在人體需氧的調控方面，只有胎兒期間通過臍帶從母體獲得富含氧氣的血液而無需通過肺呼吸滿足線粒體的需求，因此就嬰兒以及成人而言，目前尚難以做到通過靶向線粒體調控而暫時中斷呼吸的方法，這是因為人體內部平時沒有氧氣的庫存和儲備，必須通過頻繁的呼吸過程，從空氣中吸入氧氣。不過，隨著科學技術的快速發展，後續也不排除解決這個問題的可能性。

為此，我們不妨從生命起源與進化的發展歷程中，通過梳理生物進化過程，來進一步初步探討和分析本文模型的科學性與合理性。

地球科學史的研究告訴我們，地球大約有46億年的歷史[87-89]。大約在36億年前，地球大氣中還沒有氧氣，但是開始出現細菌，宣告了生命時代的開始，隨後陸續出現了藻類、真菌、植物、動物，大約到200萬年前出現原始人類[90-92]。線粒體的出現大約是在24億年前，是隨著地球大氣中的氧氣濃度增加而出現的[92-97]。關於線粒體的起源方面，目前學術界以支持「內共生假說」為主，指的是隨著地球大氣中氧氣濃度的逐漸增加，最初的厭氧細菌在氧氣毒性的壓力下，通過進化獲得了能夠使用氧氣的功能，並被其他細菌所捕獲，並最終形成真核細胞中的線粒體，以細胞器的方式進化而存在至今[98-100]。在細菌中，有嚴格厭氧的，也有兼性厭氧的，還有部分好氧的。健康人腸道菌群中的細菌，通常主要都是厭氧菌，與腸道中的厭氧環境相適應[101, 102]，在一定程度上也體現出了生物重演律，即腸道菌群在腸道中繁殖自己的後代，反覆重演著地球生命起源早期，大氣中沒有氧氣環境下的生命起源過程[103-105]。事實上，人類胚胎早期發育所處的環境，也是低氧條件，即早期的胚胎是在氧含量只有3%的環境中發育的[106, 107]。這些信息充分說明了在生命起源早期，生物是儘可能避免氧氣的毒性的。

既然生命起源與進化過程分別是從微生物、植物、動物到人發展過來的，那麼，在「存在即合理」的科學邏輯下，應該力求對這種情況進行合理解釋。在大量研究的啟發下，我們實驗室於2018年提出「菌心進化論」的觀點，認為人和動物都是在以「飢餓源於菌群」的脅迫壓力下進化過來的，即人和動物與其相應的腸道菌群分別構成了密不可分的統一體和整合體，腸道菌群出於繁殖自身後代的客觀需求，賦予人和動物以飢餓和攝食的壓力、欲望和動機，構成了動物和相應菌群的複合體以及「人菌複合體」而存在和發展[42, 47-49]。這樣的理解，應該說能夠比較合理地解釋作為「異養生物」的人和動物，通過被自然界將腸道菌群接種於其腸道而構成通過飢餓、攝食而生存的科學理解[42, 47-49]。相反，作為「自養生物」的植物，則無需通過共生菌群賦予其攝食「動機」和「欲望」，即便是在一些植物根部的固氮菌存在，也只是一種協同進化的表現而已，並不像人和動物如果沒有腸道菌群、或者腸道菌群嚴重失衡紊亂的話，就會出現自閉症、腸道異常症候群等複雜性疾病的表現[108-112]。因此，近年來學術界將（腸道）菌群視為人和動物不可或缺的一部分，是對人和動物本身認知方面的一大進步，正如目前所認為並強調的「人體是人體和腸道菌群組成的超級共生體」一樣[113, 114]。不過，腸道菌群可以不需要人體而生存，但是人體卻不能沒有腸道菌群，這一點在我們隨後形成的「菌心說」學說和「雙腦論」觀點中，得到了進一步的強調，即腸道菌群微生態負責了人體對於飢餓、攝食和飲食偏好的直接記憶，起到了「菌腦」這一物質（食物需求）記憶體的作用[42, 47]。

至於線粒體這個重要而又十分特殊的細胞器，不同植物、動物都有其不同的線粒體，即便是酵母這樣的真菌，也有其自身共生的線粒體作為不可或缺的細胞器，用來為酵母細胞提供有氧呼吸和氧化磷酸化的能量代謝需求[115, 116]。在人體細胞中，除過成熟的紅細胞之外，其他細胞都有線粒體，即便是精子和卵子裡邊也都有線粒體。在接近受精的時候，精子裡邊的線粒體已經由於為精子運動提供能量而幾乎消耗殆盡，因此受精卵中的線粒體基本上都是卵細胞提供的，從而表現出線粒體基因組DNA的母系遺傳特點[117]。由此可見，人類線粒體本身雖然並非人類基因組的組成部分，但是學術界通常把人類線粒體也認為是人類細胞的一部分。結合線粒體對於細胞呼吸和能量代謝方面的極端重要性，本文強調了線粒體向量用於引導並控制人體的呼吸，理論上也是合乎邏輯的科學解釋。

綜上所述，人體結構與功能的四元數數學模型，為從生物學角度進一步理解生命起源與進化過程，提供了參考，尤其是將先在厭氧環境下起源的菌群向量和後來隨著地球大氣中氧含量增加之後，自然界進化出來的好氧甚至依賴氧氣的線粒體向量這兩個微生物變量，分別納入到人體的飢餓動機與呼吸需求的生理過程中進行考慮，不僅遵循了地球生命起源過程中「先有菌群（厭氧）攝食、後有線粒體（需氧）呼吸」的時間脈絡，而且對於人體生理學和解剖學的發展，也具有重要意義。當然，在人腦向量方面，該QM模型也完全遵循和繼承腦與神經科學的發展成果，這是因為大腦和神經系統畢竟著統攬人體的感覺信號和運動控制，人腦負責意識和行為，並且需要、而且最終能夠通過科學研究，去弄清楚飢餓、攝食、呼吸等現象和過程的客觀基礎，並在本文所述的QM模型中得到充分體現。為此，不妨可使用「W」字符形狀結合四元數模型，來表徵生命起源與進化以及從物質向意識發展的邏輯過程（圖4）。

圖4、使用「W」字符形狀從生命起源與進化的角度表徵人體結構與功能的四元數模型的科學性與合理性

Figure 4. The scientificity and rationality of the quaternion model of human body to conjecture the structure and function of humab beings from the perspective of life origin and evolution using the &34;-shaped character.

4. 人體結構與功能的「四元數」模型在醫學上的應用

毋庸諱言，生物學、生命科學與醫學的關係至為密切。一切關於生物和生命過程的合理解釋和正確理解，都應該有助於醫學的發展和進步。為此，我們將從四元數模型的角度，分析和探討其在醫學發展中的作用、意義和地位。

首先，可從四元數模型的角度對中醫進行探討。數千年來，中醫的傳統理論得到了充分發展，包括藏象學說、臟腑理論、陰陽平衡、五運六氣等以及相應的針灸推拿和中藥等，形成了傳統的中醫理論體系和實踐系統，為保障我國人民的身心健康做出了重大貢獻[65, 118-120]。然而，在近一百年來，由於西醫的快速發展（尤其是在基因與疾病、新藥研發、臨床診斷標準化等方面），而中醫的發展則相對比較緩慢，導致當前主導我國醫療領域形成了以西醫為主、中醫為輔的現狀和局面[121, 122]。關於中西醫的討論，由於已在其他論文中有所表述[65, 123]，此處不再贅述。中醫現代化以及中西醫結合一直是我國十分關注的重點問題之一，由於中醫實際上是基於長期的直覺和實踐經驗而發展過來的，不太容易實現標準化，因而成為阻礙中醫現代化的一個難點。我們曾經討論過，腸道菌群和菌心學說有望促進中醫現代化[38, 64, 65, 123]。結合本文內容，將中藥的靶點指向腸道菌群（很多中藥不被人體吸收，而是通過腸道菌群發揮治療作用[124-126]）和線粒體（腧穴、經絡等相關[127, 128]）這兩個向量即和，顯然有可能為中醫現代化提供新的參考。我們在後續還將撰文進行系統描述，因為中藥天生具有多樣性、複雜性、系統性的特點，而使用菌群向量和線粒體向量並配合使用相應矩陣和方程組的方式，將有可能從定量化的角度，揭示出中藥的獨特、科學、合理、有效、安全的作用特點。換言之，除過靶向肉體標量直接發揮中醫藥的治療作用之外，使用四元數QM模型來理解，靶向（腸道）菌群（飢餓）向量和（/或）靶向線粒體（呼吸）向量的調控，有可能是理解中醫生命科學和促進中醫藥現代化發展的關鍵所在。如果得以證明，那麼，受到長期困擾、經常被處於邊緣化的祖國傳統醫學，將會得到勢如破竹的迅猛發展，必將為華夏子孫帶來身心健康的新福祉！

其次，西醫的發展也可從本文所述四元數模型中得到新的啟發，從而有利於走出當前難以破解慢病高發困局的窘境。為什麼西醫會陷入漫長的寒冬季節呢？我們在此前的多篇論文中曾經進行過詳細討論[51-55, 64, 65, 129, 130]，其中的主要原因應該是基於「（人類）基因是慢病的元兇」這樣的局部、有限認識。眾所周知，上世紀遺傳學、生物化學和分子生物學獲得了快速發展，尤其是包括地中海貧血、血友病在內的家族性遺傳病致病基因的鑑定，為「（人類）基因致病論」提供了大量科學依據。隨後醫學界在未經充分研究和詳細論證的前提下，想當然地將這樣的概念和觀點，直接推廣到慢病領域，在近30-50年時間裡，投入了大量人力、物力、財力，企圖找到糖尿病、心腦血管疾病、惡性腫瘤、老年痴呆以及自閉症、抑鬱症等的致病基因，期望能夠為研發新藥防控這些慢病提供科學依據。然而，理想很豐滿，現實很骨感，當前的慢病高發態勢，已經反覆證明「（人類）基因致病論」並不適於慢性非傳染性疾病[131-136]。筆者實驗室近年來在該領域也做了長期的研究，甚至包括使用自己的身體直接做研究，最終發現「基因致病論」並非完全不正確，而是需要將慢病的重心進行前移，形成「導致人類慢病的主因可能首先是人體共生微生物基因異常，其次才是人類基因異常的聯合基因致病論」的新觀點，即「醫學遺傳學2.0」，並順應性地提出了「醫學3.0」的概念[129, 130, 137]。具體地，一旦人體共生微生物尤其是腸道菌群出現異常即菌群基因組系統紊亂，那麼，由於「飢餓源於菌群」，即便是在正常攝食、飲食安全的情況下，這些異常的菌群基因組也會持續導致食物產生異常的代謝產物，通過胃腸道輸入體內，持續導致機體異常，人體基因和蛋白產生突變和表達異常，人體表現為慢病持續，從而可以很自然地解釋「吃五穀，得百病」的現象[129]。將這些新的研究使用四元數模型來看，就變得很容易理解了，即菌群向量所對應的「人類第二基因組」作業系統OS/2出現異常，累及人體標量所對應的人類基因組作業系統OS/1，就構成了慢病的基因病因學基礎[129]。由此可見，以往所有只是致力於糾正人體標量（受OS/1操控）的慢病防控研究，註定只能「治標不治本」，因為人體標量的異常只是慢病的「標」，而慢病的「本」則在於菌群向量的異常。除非將菌群向量同時並作為最高優先等級進行調控和糾正的話，才有可能真正解決慢病防控難題。當然，在惡性腫瘤的情況下，線粒體向量本身也出現了嚴重異常，也需要予以糾正，否則腫瘤患者仍然難以擺脫慢病的糾纏。

有必要對西醫在近30-50年來的困境進行進一步的分析。客觀地來說，當代西醫可以說是既「贏在基因」，然而同時又「輸在基因」。基於以基因組學為代表的組學研究成果，西醫在慢病發生、發展的相關檢測和診斷領域，取得了大量成果，即「贏在基因」。然而，由於陷入「（人類）基因致病論」的誤區和盲區而不能自拔（類似於數學和物理學上的局部最小化），導致無法通過糾正基因和蛋白表達異常而治療慢病，則表現出「輸在基因」上。尤其是結合本文所述的四元數模型來看，只是集中於人體標量所對應的人類基因異常，而忽視了菌群向量和線粒體向量的基因異常，顯然在針對「人」這個總體的慢病進行防診治的時候，缺了兩個重要的關鍵向量。當然，這也是人類對於疾病和基因認識過程中的必然局限，畢竟隨著1953年DNA雙螺旋的發現[138, 139]，2000年人類基因組草圖完成等重大事件的出現[140, 141]，當時學術界過於樂觀，甚至出現了「基因淘金熱」的現象[142, 143]，以為掌握了人類基因組的「天書」，就意味著能夠將慢病掃入歷史的垃圾堆了。現在看起來顯得比較膚淺，只是陷入到了一個新的邏輯窪地，誤以為人類基因決定了人類的一切。不過，在本文所述四元數模型新認識的啟發下，通過聯合糾正人體標量、菌群向量、線粒體向量和大腦向量，確保人體標量能夠在、和的坐標軸的順時針、正方向旋轉，理論上這個作為整體的「向量人」就能夠擁有長期的身心健康（圖2、圖3）。這一點也是我們所期望看到的「健康管理2.0」的願望，本文則為此提供了重要的理論依據[129, 137]。

在此基礎上，顯然就可以適當、並有必要討論中西醫結合甚至融合的問題了，這是因為傳統中醫雖然將人體視為一個整體，然而對菌群向量和線粒體向量卻並不知曉，而現代西醫雖然對微生物和線粒體做了大量研究，然而卻並未發現「飢餓源於菌群」，亦未突出強調「呼吸源於線粒體」這樣的認識，只是從人體本身的肺臟功能看呼吸的生理需求、從人體本身的胃腸道（消化道）看飢餓與攝食的生理與心理需求[144-146]。這樣的研究方式符合常規思路，雖然是只關心呼吸的過程與功能、飢餓與攝食的過程與功能，但是卻難以觸及呼吸和飢餓的「客觀動機」，甚至未曾想到過，呼吸和飢餓是否在人體中具有「客觀動機」這樣的問題，因為在（人體）生理學的研究與應用過程中，通常是不考慮微生物這些因素的，這是學科劃分的必然結果。本文的研究充分提示，在人體生理學中，已經到了需要將人體共生微生物因素充分、正面考慮進來的時候了，有望形成「人體生理學2.0」的新階段，而不是像此前只是將腸道菌群等作為一個環境因素而進行忽視和忽略。鑑於人體生理學是醫學的重要研究基礎之一，因此，雖然中醫、西醫都在努力，但是卻由於志同而道不合，最終結果只能是結而不合、融而不合。即便是通過行政力量進行幹預，然而在現實的臨床實踐中也往往難以奏效。

隨著向醫學中引入四元數模型，將「人」視為由標量、菌群向量、線粒體向量以及人腦向量組成的統一整體，就為實現中西醫從結合到融合提供了強有力的科學基礎和客觀依據，這是因為作為一個小世界的人體，其運行架構也必然是建立在邏輯基礎上的。傳統中醫以直覺和經驗為基礎上，現代西醫強調了人類基因組而忽視了人體共生微生物（菌群和線粒體）基因組，在四元數模型的基礎上，兩者都能夠得到良好的互補和統一，從而完全有可能實現中西醫從結合到融合，共同努力為華夏子孫提供健康支持。之所以將四元數這樣的數學模型引入醫學領域，這是因為邏輯、只有邏輯，才是引導人類從直覺和經驗走向科學的關鍵。我們同時也期望，本文所述的QM模型，或許能夠為正在蓬勃發展的整合醫學、整合生物學以及系統生物學提供新思路。

5. 人體結構與功能的「四元數」模型對於人的認識與理解

雖然醫學界還處在理論上應該接受、雖然打算接受、然而卻又在觀望而並不情願、更談不上快速接受人體是由人體本身和人體共生微生物組成的超級共生體這樣的科學事實之中，然而，隨著科學的發展，總會有一批激進、積極、前瞻的科技工作者，試圖將最新、最前沿的、關於並涉及到人的科學知識，用來推動對人和人性的認識，成為促進科學進步和社會發展的急先鋒[147]。顯然，人體四元數模型為這種伴隨著科學研究新時代的快速發展，提供了初步而又重要的科學基礎與數學鋪墊，有必要在新的起點和層次上，前瞻性地討論四元數模型為人、人性和社會發展可能帶來的新認識。

首先，四元數模型為重新認識「什麼是人」帶來了兩個重大而又基本的問題：第一，基於菌群向量的判斷與看法，人類的飢餓欲望與攝食動機，並不再完全只是人類自身的問題，而是在人體出生後，人體從自然界獲取菌群向量向胃腸道的被動接種之後，由菌群向量向人體施加的「飢餓壓力」所導致的客觀動機而並非主觀需求，即此前所說的「萬有菌力」[42, 47]。這一點決定了人們的飢餓與攝食是被動的，雖然表面來看是天生的、本能的，然而事實上卻是外來的、源於菌群、與菌俱來的現象。之所以強調這一點，是由於我們實驗室已經發展出能夠調控菌群向量的生物技術，可以通過靶向腸道菌群調控而消除人體飢餓感[41-46]。由此，「制菌權」或稱通過靶向腸道菌群而調控人體食物需求的「制生權」，已經能夠為人類更加科學、高效地駕馭飢餓感（注意：不是消滅飢餓本身，而是控制飢餓信號）提供了理論依據和技術方案。第二，基於線粒體向量來看，人類的呼吸欲望與客觀動機，亦不再完全是人類自身的問題，而是從卵細胞開始就被自然界嵌入到人體細胞中的線粒體向量所控制，即線粒體向量向人體施加了「呼吸壓力」。之所以此前未曾注意到這個問題，是因為在日常的生活條件下，地球大氣中氧氣的含量是21%左右，每個人能夠自由地呼吸，使得人們幾乎「忘記了」線粒體主導人體呼吸功能這個重要事實。只是由於2019年末的新冠病毒肺炎傳染病疫情的突然性大爆發，很多患者由於肺功能喪失、呼吸衰竭而不幸病逝，才讓我們意識到原來人體的呼吸行為，事實上應該也是終生被人體共生微生物線粒體所控制的。

眾所周知，「吃、喝、拉、撒、睡」是人的基本生活要求，也是事關人們的生存權的具體體現。考慮到呼吸同時也是人體生存不可或缺的一部分，因此，不妨可將上述擴充為「吃、喝、拉、撒、呼、吸、睡」。然而，結合本文四元數模型所指出的上述兩個要點即「飢餓權」源於菌群向量、「呼吸權」源於線粒體向量來看，在人體所需要的基本生存權「吃、喝、拉、撒、呼、吸、睡」中，主導吃喝的菌群向量和主導呼吸的線粒體向量，幾乎佔據了人體肉體存在這一現實需求的大半壁江山！是的，人們的生存需要物質，需要食物和營養，需要呼吸和氧氣，然而，在四元數模型來看，正是拜大自然中菌群向量和線粒體向量向人體施加的壓力所賜，人們才能夠生而飢餓、生而攝食、生而呼吸，從而充分體現了我們每個人需要物質、然而以食物和氧氣等為代表的物質需求，卻是源於這些先於人類、數億年前即在地球上出現的微生物向人體的施壓所控制，在一定程度上體現出了「生物控制論」的科學邏輯與技術路徑。當然，由於目前已經發展出能夠控制這種萬有菌力的生物技術，讓人們能夠超越並暫時擺脫這種源於菌群對人體的原始欲望之控制而身心健康地愉悅生存，從而為擺脫「人為物役」的控制提供了堅實的科學依據[38, 42, 47, 64]。

相應地，當我們能夠輕易地通過靶向菌群向量而控制人體對於物質的過度需求（例如貪慾於美食過度而導致罹患糖尿病、脂肪肝、高血壓等），那麼我們的心理素質和精神意志就必然能夠得到相應提升，從而能夠更好地控制自己的行為，不會因為任意放縱菌群向量向自己的肉體過度索取物質需求，更好地關懷他人，提升自我和社會總體的幸福體驗，讓人性變得更加光輝和美好起來，並更加熱愛大自然、熱愛生活，從而充分表現在大腦向量正能量、正方向、高價值、高意義的顯著提升，正好佐證了中醫所說的「正氣存內，邪不可幹」的意義和價值。

6. 人體結構與功能的四元數模型在哲學社會科學中的應用

鬥轉星移，時光荏苒，人類總是帶著好奇的心理，睜大眼睛在認識這個世界，包括認識我們自己。隨著歷史的指針指向21世紀第20年的今天，帶著四元數模型看人體，不免令人產生眾多紛繁複雜的聯想與遐想。其中，最為重要的問題是，關於物質和意識的關係問題[148-151]，這一點也是長期困擾筆者自己的大問題，當然這個問題同時也是哲學與社會科學中長期面對的基本問題。世界是有意識、還是無意識的？為什麼有意識、為什麼無意識？無意識的世界有意義嗎？因此，就人本身而言，總想通過科學研究來了解關於意識的起源和發展問題，即這個世界是否總是在從無意識走向有意識？如果是的話，就可以比較好地解釋生命的起源和進化，尤其是人類的出現，為通過意識和思維理解這一切，提供了科學保障（圖4）。事實上，在本文所述的四元數模型中，人腦向量具有最重要的權重，這是不言而喻的，既是人類聰明才智的表現，同時又是人類智慧的結晶，更是人類對未來文明、不論是物質文明還是精神文明追求的依託與憧憬，從而有望進入「物意關係」理解的新時代。

在四元數模型中，人體標量和菌群向量以及線粒體向量都是由物質所構成的，本質上都可以被還原為化學元素，有的是無機物，有的是有機物，從億萬年前到今年，能量守恆，物質不滅，地球上有限的化學元素在龐大的各類生物基因組DNA引導的化學反應的驅動下，反覆進行著生命過程的化學反應與發育進化，確保各個物種基因組DNA的保真性而發展。然而，唯有人腦這個向量在持續不斷地發生著日新月異的新變化，其雖然依賴於人腦這個物質架構，但是在人腦所對應的知識作業系統即OS/3之中，運行的卻是符號記憶體和邏輯推理器[42, 137]，具體表現在後人的知識總會比前人的知識豐富，這是因為人類的知識在發展，文明在進步，尤其是隨著資訊時代的快速發展，大數據、人工智慧、5G時代等，已經能夠讓後代晚輩們擁有比我們這一代人多得多的新知識。或許，人類的出現和發展的目的和意義就在於此，即自然界通過人類來促進並實現對自己的認識與理解，甚至讚美，因為自然界的本來，有可能是充滿真善美的邏輯，否則這個世界將難以被人類真正地理解[152, 153]。

在哲學問題中，最重要和最基本的是關於生和死的問題[154-158]，應該說這是一個元命題，同時也是一個根命題，與著名的「哲學的終極三問」密切相關，即：我是誰？我從哪裡來？我到哪裡去？在四元數模型中，我們已經比較清楚地討論了人體標量、菌群向量和線粒體向量都只是由物質（化學元素）所構成的反覆循環、並通過人體標量來展示而已，而真正重要的因素和關鍵變量，則是「人腦向量」，這一點才是「哲學的終極三問」的核心。為此，我們不妨可以給出這樣的參考答案：人的肉體只是一個過程，充其量也就只是一百年左右的壽命而已，在人體這個肉體皮囊中完成碳、氫、氧、氮、磷、硫、鈣、鉀、鈉、鎂、鋁、鐵、銅、鈷、碘、錳等化學元素的反覆重組與循環而已，而且人們的飢餓受到（微生物）菌群向量的引導、脅迫和控制，人們的呼吸受到（微生物）線粒體向量的控制，這些構成了人的肉體的物質層面，而人的思想、意識、精神、意志、信仰等高級層面，即人腦向量，才是我們每一個人需要重點關心的地方。因此，人們的肉體只是意識和精神的載體，人們的知識從人類文明的繼承與傳承學習而來，人們的努力將向人類文明的新發展而去。

綜上所述，每一個真正的人，亦即能夠真正理解「什麼是人」的人，將不再是拘泥於肉體本身的人，因為他的肉體終將隨著時光的流逝而消失，或者化為泥土，或者化為灰燼，或者化為菌群，或者化為白雲，然而，他的思想和精神，必將會因為對人類文明有貢獻、有發展、有價值、有意義，而得到後人的繼承、傳承與發展。只有這樣的人，才能夠成為人類歷史上的大寫的人，對人類歷史發展有真正貢獻的人[159-162]。因此，在一個人對於自身的學習和認識過程中，想方設法、千方百計地調控好菌群向量的正能量、調控好線粒體向量的正能量、尤其是通過刻苦學習和開發教育而深度、顯著、科學地提升人腦向量的正能量，積極成為對社會有用的人，而不是成為「人為物役」、動輒計較個人物質利益得失的普通人、平凡人，才是每一個「真正的人」終生值得努力的目標和方向[163, 164]。

在提出、發展和完善四元數模型的過程中，最為關鍵的步驟，是其中關鍵要點即「菌心說」學說，基於對菌群向量的深度理解和相應的生物調控技術而形成的，是筆者在使用自己直接測試「飢餓是否源於菌群」以及如何能夠擺脫菌群向量對人體施以「飢餓控制力」的過程中，經常遇到的思考[42, 46-49, 129]。正是通過大量的科學研究和臨床實踐，最終證明在靶向腸道菌群調控以消除人體飢餓感的情況下，每天的一日三餐不再是人體的「必修課」，而且人體趨於身心健康的新狀態，方才意識到所謂的飢餓、所謂的低血糖、所謂的營養需求以及營養過剩、所謂的糖尿病和代謝異常以及內分泌失調等問題，都只不過是四元數模型中菌群向量失控紊亂之後，通過人體標量的異常表現而已。針對這樣的慢病，一旦弄清楚其科學道理、內在邏輯與調控技術之後，就比較容易開展更有針對性、事半功倍的防控研究，必將有利於促進「健康中國2030」戰略目標的實現[129, 137, 165]。

結合薛丁格的「生命是什麼」[166, 167]來看，雖然本文的四元數模型尚難以回答完全這個問題，不過由於菌群向量和線粒體向量的引入，應該說至少已經部分地逼近了這個問題，即「生命有可能是實現從物質到意識發展、並通過意識理解物質進而理解意識本身的一個過程」。當然，就「人」本身而言，還有與情感等密切相關的心理學、精神科學等複雜問題[168-170]。不過，隨著對於四元數模型的進一步發展與完善和理解的深入，相信這些複雜問題也都會陸續得到新的解釋與理解，畢竟目前已經能夠在四元數模型的框架下，逐漸明確人體共生微生物（菌群向量和線粒體向量）的重要性，從而對於人本身的理解也將必然提升到一個新的層次。

7. 總結與展望

綜上所述，從「菌心說」學說到「雙腦論」觀點、再到「三體觀」理念並發展到「四元數」模型，體現了筆者對於近年來深度從事理論醫學研究以及理論生物學理念的逐步發展與完善過程。在菌心說中，突出強調了「飢餓源於菌群」。在雙腦論中，強調了「菌腦」負責人體的物質記憶，而人腦則負責人的符號記憶和思想與精神，體現出「菌腦管吃（菌腦主吃），人腦管思（人腦主思）」，加上「人體管動（人體主動）」，就形成了三體觀的理解方式。然而，類似於從實數到虛數再到複數的發展過程中一樣，直到找到哈密爾頓的四元數模型、並將其用於統攝統攬菌心說、雙腦論、三體觀的理解之後，尤其是結合「呼吸源於（微生物）線粒體」並將其簡化為「粒腦管吸（粒腦主吸）」的相關知識（此方面將另文討論），才初步確立了人體結構與功能的四元數數學與生物學模型，這也是使用數學科學來解釋生物學以及生命科學的新嘗試。從目前來看，這樣的解釋是科學的、合理的，通過深入研究和論證與驗證，必將有助於推動生物學、生物醫學以及生命科學的新發展。

設若將菌群向量作為X軸，將線粒體向量作為Y軸，那麼，人體標量就相當於是在這樣的XY二維平面上的展開式，其中，菌群向量驅動人體飢餓與攝食，線粒體向量迫使人體呼吸，人體標量必須通過攝食和呼吸，在確保菌群基因組DNA複製和線粒體基因組DNA複製的基礎上，在短短100年左右的人生歷程中，持續著人們肉體基因組DNA的複製與人體的生命。然而，就人體標量在上述XY二維平面的存在而言，應該說只是類似於動物層面的「吃、喝、拉、撒、睡」等基本的生理行為，可能並無更深層次的意義。只有將人腦向量作為Z軸，構成由X+Y+Z（，，）三者構成的三維空間，才能夠真正形成的「人」即向量的整體存在，具體表現在人的意識、思想、精神、意志、信仰等方面。如果一個人只是貪吃貪婪，那麼相當於其向菌群向量的妥協，難以實現其自身的人腦向量向Z軸的精神提升，難以成為一個真正大寫的人。

不過，值得深入思考和反思的是，生命的世界裡，難道真的會是一個四元數模型嗎？就目前的知識理解而言，至少從物質（含無機物、有機物等生命元素）層面來看，或許可以說可能應該是的。自然界從生命起源與進化的發展過程中，從菌群向量到線粒體向量再到人腦向量，似乎一步步地將生命從一維結構、二維平面向三維空間發展過來。在人腦向量的Z軸坐標中，顯然是一個以意識和思想為代表的純粹意識、純粹精神與純粹意志的世界[69-73]。自然界中這樣的安排，既符合數學上的美感，同時又符合自然界的邏輯，不過其實數學和邏輯學本質上也是統一的，而且可以說這個世界是唯美的，也是符合邏輯學，因為只有唯美以及真善美，才能被人類通過邏輯來理解[171, 172]。這一點，不僅是科學的勝利，而且能夠指向並佐證人性的光輝，因為我們每一個人必須善待自己的菌群向量和線粒體向量，因為這兩個微生物向量也都是為了我們自己身體的生理信號需求（飢餓與呼吸）而來，而我們的人腦向量則為理解自然界的真善美而存在！

由此可見，我們的身體基於物質、基於化學元素，無論是肉體標量還是菌群向量以及線粒體向量，都是由物質所組成的，而且菌群飢餓向量和線粒體呼吸向量分別代表了出生後和出生前自然界通過微生物向賦予人體的控制力，對於人體標量這一肉體的存在至為關鍵。但是，只有、而且只能通過人腦向量對人的向上的、積極的、正向的引力和自我學習、教育的努力，才能夠讓我們每一個人通過意識、思想、精神、意志和信仰而超越，實現對自己、自然、社會以及世界的新理解，從而比較完美地體現出生命的意義在於理解自己、理解他人、理解社會以及理解自然界，並且在四元數模型的基礎上，實現科學地認知自己、科學地把握欲望、科學地調控人生物質需求、科學地升華自己的精神追求，更好地為社會發展和人類進步貢獻自己的智慧和力量。

8. 參考文獻

[1] 麻海山. 達爾文進化論對人類發展觀念的深刻影響. 自然辯證法研究. 2014. 30(01): 78-82.

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