Quaternion vector mathematical model of human structure and function
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摘要: 近年来，生命医学领域研究逐渐发现人是由人体和共生微生物尤其是肠道菌群组成的超级共生体，在基于"饥饿源于菌群"的基础上结合数学与生物控制论进行深入研究，提出人体结构与功能的四元数矢量模型。"四元数"是爱尔兰数学家哈密尔顿于1843年发现的复数扩展形式（超复数），引发了代数学的革命，将其思路与原理以学科交叉方式用于生命科学领域，结合遗传学、微生物学、生理学以及解剖学相关知识，有可能获得关于"什么是人"的新发现。具体而言，将四元数模型用于解析人体结构与功能，即$\vec z$=$a$+$b\vec i$+$c\vec j$+$d\vec k$，在结构上的对应关系是$\vec z$（人的矢量）=$a$（人体标量）+$b\vec i$（菌群矢量）+$c\vec j$（线粒体矢量）+$d\vec k$（人脑矢量），在功能上的对应关系是$\vec z$（整体的人）=$a$（人体主动）+$b\vec i$（菌脑主吃）+$c\vec j$（粒脑主吸）+$d\vec k$（人脑主思），相当于将"人"视为由1个标量（scalar）和3个矢量（vector）组成的统一体，即可获得对人体结构与功能的新认识。Abstract: In the recent years, the researches in the life and medical field has gradually found that human is a super symbiont composed of human body and symbiotic microorganisms, especially intestinal flora. Here we proposed a quaternion vector model of human structure and function on the basis of "hunger sensation comes from gut flora" combined with mathematical and biological cybernetics. "Quaternion" was discovered in 1843 by Hamilton, an Irish physicist and mathematician, which led to a mathematical revolution. It is possible to obtain new discoveries about "what is human" by applying his ideas and principles to the field of life science in an interdisciplinary way and combining the knowledge of genetics, microbiology, physiology and anatomy. Specifically speaking, the quaternion model is used to analyze the human structure and function in this paper, that is $\vec z$=$a$+$b\vec i$+$c\vec j$+$d\vec k$. In this formula, the corresponding relationship in structure is $\vec z$(human body vector)=$a$(body scalar)+$b\vec i$(gut flora vector)+$c\vec j$(mitochondria vector)+$d\vec k$(human brain vector), the corresponding relationship in function is $\vec z$(holistic human)=$a$(human body for moving)+$b\vec i$(gut flora for eating)+$c\vec j$(mitochondrial for breathing)+$d\vec k$(human brain for thinking). It is equivalent to regarding the "human beings" as a unity composed of 1 scalar and 3 vectors. Therefore, we can get a new understanding of the human structure and function.
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脓毒症属于宿主对感染产生调节失常性反应，在细菌、真菌感染后，机体固有免疫将对病原体迅速产生应答，一但非特异性免疫作用未能在早期控制感染，将代偿性过度活化免疫细胞及相关细胞因子、补体成分，造成正常组织细胞损伤[1], 异常激活凝血系统，生理性抗凝作用受到抑制，可继发循环功能障碍与弥散性血管内凝血[2], 加重脓毒症病情。作为临床重症监护单元(ICU)收治对象的重要组成部分，随着抗生素滥用影响的不断扩大，全球范围内脓毒症患病率以9%的年均增幅上涨，每年有数以百万计的新发脓毒症患者面临死亡[3]。尽管如此，由于不同区域脓毒症患者存在流行病学、文化环境、经济水平及一般情况的差异，既往针对脓毒症死亡患者的研究结论并不完全一致[4]。本研究对本院脓毒症患者28 d内死亡的相关危险因素进行分析，现将结果报告如下。
1. 资料与方法
1.1 一般资料
回顾性分析2016年4月—2019年3月本院收治的168例脓毒症患者临床资料。纳入标准: ①存在明确感染，且临床症状、化验结果均符合脓毒症相关诊断标准[5]; ②年龄≥18岁; ③临床资料完整。排除标准: ①收入ICU后48 h内死亡或转出; ②诊断出自身免疫性疾病、免疫缺陷性疾病或终末期肝脏、肾脏疾病; ③ 3个月内服用免疫调节剂或化疗药物; ④妊娠期或哺乳期妇女。根据确诊后28 d内存活情况分为死亡组(n=71)与存活组(n=97)。
1.2 研究方法
回顾入选患者病例资料，分别录入以下项目作为统计变量: ①基线资料，包括年龄、性别、收入ICU危重程度[急性生理与慢性健康Ⅱ(APACHEⅡ)评分][6]、合并症; ②血清生化指标(以收入ICU时所测为研究内容)，包括白蛋白(Alb)、C反应蛋白(CRP)、葡萄糖(Glu)、乳酸(Lac)、丙氨酸氨基转移酶(ALT)、肌酐(SCr)、D-二聚体(D-D)、维生素D(VitD); ③干预措施，包括机械通气、血液净化等。
1.3 统计学处理
将所得数据资料录入SPSS 20.0进行处理，连续变量通过Kolmogorov-Smirnov正态性检验均已证实近似服从正态分布，故以平均值±标准差描述，组间单因素比较采用独立样本t检验; 分类变量以[n(%)]描述，组间单因素比较采用Pearson卡方检验; 将检验所得有统计学意义的单因素纳入Logistic多因素回归模型去除混杂偏倚，回归方法选择“向前Wald”, 筛选出有意义的变量作为独立影响因素; 将独立影响因素数据录入Medcalc 18.2绘制受试者工作特征(ROC)曲线以探讨对终点事件的预测效能，获取曲线下面积(AUC)、置信区间(95%CI)、最大Youden指数及cut-off值(仅限其中的连续变量)。
2. 结果
2.1 2组脓毒症患者临床资料比较
死亡组年龄、APACHEⅡ评分、恶性肿瘤率、心力衰竭率、休克率、机械通气率、血液净化率及血清CRP、Lac、ALT、SCr、D-D水平均显著大于存活组，而血清VitD水平则显著低于存活组(P < 0.05或P < 0.01), 见表 1。
表 1 死亡组与存活组患者临床资料比较(x±s)[n(%)]变量 死亡组(n=71) 存活组(n=97) 年龄/岁 69.49±12.74 62.68±13.95** 性别 男 39(54.93) 58(59.79) 女 32(45.07) 39(40.21) APACHEⅡ评分/分 26.13±6.87 20.64±6.38** 合并症 恶性肿瘤 11(15.49) 6(6.19)* 呼吸衰竭 12(16.90) 12(12.37) 心力衰竭 20(28.17) 9(9.28)** 休克 39(54.93) 28(28.87)** 血清生化指标 Alb/(g/L) 28.69±7.29 30.84±7.94 CRP/(mg/L) 47.76±11.47 39.54±13.17** Glu/(mmol/L) 7.52±1.86 7.27±2.04 Lac/(mmol/L) 3.35±0.82 2.74±0.54** ALT/(U/L) 32.19±9.91 28.26±8.63** SCr/(mmol/L) 107.58±26.45 85.92±19.79** D-D/(mg/L) 5.06±1.53 3.93±1.30** VitD/(ng/L) 26.48±7.81 34.42±9.25** 干预措施 机械通气 68(95.77) 72(74.23)** 血液净化 50(70.42) 51(52.58)* APACHEⅡ评分: 急性生理与慢性健康Ⅱ评分; Alb: 白蛋白; CRP: C反应蛋白; Glu: 葡萄糖; Lac: 乳酸; ALT: 丙氨酸氨基转移酶; SCr: 肌酐; D-D: D-二聚体; VitD: 维生素D。与死亡组比较, *P < 0.05, **P < 0.01。 2.2 多因素回归分析
多因素Logistic回归分析结果显示，年龄、APACHEⅡ评分、休克、CRP、Lac均是脓毒症患者28 d死亡的独立危险因素(OR > 1, P < 0.05), 而VitD是其独立保护因素(OR < 1, P < 0.05), 见表 2。
表 2 脓毒症患者28d死亡的多因素的Logistic回归模型变量 β S. E Wald·χ2 P OR 95%CI 年龄/岁 0.251 0.113 4.934 0.028 1.285 1.030~1.604 APACHEⅡ评分/分 1.442 0.459 9.870 0.002 4.229 1.720~10.398 休克 2.727 0.861 10.031 0.002 15.287 2.828~82.645 CRP/(mg/L) 1.146 0.318 12.987 <0.001 3.146 1.687~5.867 Lac/(mmol/L) 1.272 0.465 7.483 0.007 3.548 1.434~8.876 VitD/(ng/L) -1.387 0.498 7.757 0.006 0.250 0.094~0.663 APACHEⅡ评分: 急性生理与慢性健康Ⅱ评分; CRP: C反应蛋白; Lac: 乳酸; VitD: 维生素D。 2.3 独立危险因素变量的ROC曲线
年龄、APACHEⅡ评分、休克、CRP、Lac、VitD预测脓毒症患者28 d死亡的ROC曲线AUC分别为0.645、0.732、0.630、0.676、0.707、0.738, 均显著大于参考线AUC(P < 0.05), 其中属于连续变量的年龄、APACHEⅡ评分、CRP、Lac、VitD的cut-off值分别为59岁、24分、37.99 mg/L、3.31 mmol/L、29.73 ng/L, 见图 1、表 3。
表 3 ROC曲线相关参数变量 AUC 95%CI 最大Youden指数 cut-off值 年龄/岁 0.645 0.567~0.717 0.313 59岁 APACHEⅡ评分/分 0.732 0.659~0.798 0.393 24分 休克 0.630 0.553~0.703 0.261 — CRP/(mg/L) 0.676 0.599~0.746 0.287 37.99 Lac/(mmol/L) 0.707 0.632~0.775 0.373 3.31 VitD/(ng/L) 0.738 0.665~0.803 0.377 29.73 3. 讨论
脓毒症好发于各年龄段人群，老年人由于存在免疫功能低下、并发症较多、营养不良、院前身体状态较差等生理特点，其脓毒症易感体质较为突出[7]。由于老年脓毒症患者与年轻患者在治疗策略上并不具备特殊性，疾病管理趋于一致，其预后治疗结局与生活质量往往较年轻患者更差[8], 尤其伴有心力衰竭、糖尿病、脑血管或外周血管疾病的老年患者，身体对治疗措施的反应更不明确，并已通过Meta分析指出该类患者具有更高的ICU入住率、住院时间与病死率[9]。
休克属于各种强烈致病因素作用于机体后致循环功能急剧减退，而导致的组织器官微循环灌注严重不足，生命器官机能、代谢障碍性全身性危重化病理过程[10]。据相关文献[11]报道，脓毒性休克发生早期重要器官缺血、缺氧尚不十分严重，整体需氧与摄氧平衡还能基本维持，医护人员需及时对其病情变化做出准确判断，第一时间采取应对措施，增加其抢救成功率。本研究结果显示，年龄≥59岁、APACHEⅡ评分≥24分、发生休克均是导致脓毒症患者28 d内死亡的独立危险因素，这表明年龄越大或病情越严重的脓毒症患者死亡风险越高，临床需在收治患者时及早通过APACHEⅡ对其病情进行评价，观察是否存在休克相关体征变化，并以此为据采取有效干预措施，积极改善患者预后。
CRP是一种肝脏合成的急性时相反应蛋白，能通过激活补体系统与淋巴细胞发生特异性结合，限制淋巴细胞过度活化效应，并提高巨噬细胞吞噬活性，代偿性减少炎症损伤对机体的损害作用，通常炎症反应越剧烈，其表达水平越高[12]。既往研究[13]也通过测定其水平来鉴别脓毒性休克、脓毒症、普通感染患者及健康受试者，其诊断ROC曲线AUC可达0.745, 较白细胞计数(WBC)的0.698更为理想，可作为脓毒症病情评估的血清标志物。本研究中，血清CRP≥37.99 mg/L被证实是引起脓毒症患者28 d内死亡的高危因素，提示早期检测CRP能反映出脓毒症患者病情演进阶段，从而指导临床干预策略的制定与实施。
Lac是人体组织在缺氧情况下产生的无氧代谢产物，是器官功能障碍的标志物之一，目前已在脓毒症与脓毒性休克液体复苏治疗中作为常用的疗效描述性动态观测指标[14]。部分研究[15]指出，脓毒症患者继发Lac中度升高或高乳酸血症并不单纯由组织低灌注、低氧状态所致，还可能由心脏骤停、酮症酸中毒或恶性肿瘤等原因引起，其水平高于4 mmol/L提示脓毒症患者院内死亡的风险提高5.53倍。本研究也通过Logistic多因素回归分析发现，血清Lac≥3.31 mmol/L是导致脓毒症患者28 d内死亡的独立危险因素，这说明积极监测脓毒症患者Lac水平变化有助于指导其早期液体复苏与抗生素治疗思路，并实现早期识别与分层管理。
VitD缺乏与病毒、细菌感染的相关性已被临床所广泛认同，但国内研究对脓毒症病情影响的研究还停留在新生儿范畴，低VitD脓毒症患儿预后与免疫功能均不能达到预期理想水平[16]。有国外学者[17]指出，危急重症患者由于缺乏VitD，其甲状旁腺亢进明显，且由于机体缺少通过VitD抑制炎症因子表达的机制，抗生素治疗耐药性更为突出，住院时间有所延长，也更倾向于获得不良治疗结局[18-19]。本研究发现，血清VitD水平≥29.73 ng/L可作为脓毒症患者28 d内死亡的独立保护因素[20]，这提示确保患者住ICU期间摄入充足的VitD能保障其免疫功能恢复效率与抗感染治疗有效性，促进病情转归，降低其近期死亡率。
综上所述，脓毒症患者28 d死亡率受年龄、APACHEⅡ评分、休克、CRP、Lac、VitD等因素独立影响，临床可围绕上述变量开展早期病情评估、相关指标监测及干预措施优化。
编者按2021年，在"元宇宙"(Metaverse)的概念向人类展现出构建与传统物理世界平行的全息数字世界的可能性的同时，从宇宙宏观尺度引发了对传统的生命概念、时间概念、能量概念、族群概念和价值观念的改变和颠覆了整个人类对"人"的哲学甚至伦理学的重新定位与思考。在微观层次，张成岗教授(见右图)多年来一直致力于从"菌群与人的关系"角度来思考"人是什么""为什么会有人类"等复杂而又基本的问题，并力求通过数学工具来解释"什么是人"这个复杂的社会哲学问题，并创造性地提出"人体结构与功能的四元数矢量数学模型构想"，力求认识世界、解释世界！ -
表 1 基于人体结构与功能的四元数模型对人体标量和矢量的解析
条目性质 肉体标量(a) 菌群矢量、饥饿矢量($b\vec i$) 线粒体矢量、呼吸矢量($c\vec j$) 人脑矢量、思维矢量($d\vec k$) 基因组信息系统 23对染色体, 30亿碱基对，编码2.5万个基因，由父母垂直遗传给后代 成人肠道菌群总质量1~2 kg, 含有1 000~2 000种菌群，编码300万~1 000万个基因，通过环境向后代横向传递 环状DNA, 长度为16 569 bp, 编码37个基因，通过卵细胞进行母系遗传 通过学习、教育向后代传承知识，并发展思维能力 参考操作系统分类 人类第一基因组(OS/1) 人类第二基因组(OS/2) 线粒体基因组系统，简记为OS/2.01 可理解为人类语言和知识操作系统，简记为OS/3 进化史上出现的年代 约200万年以前 约36亿年前 约24亿年前(伴随真核细胞出现) 约200万年前(伴随肉体而出现，在不考虑动物大脑情况下) 在成人体内的数量 约1013个人体细胞 约1014个微生物细胞(以细菌为主，同时还有少量真菌等) 约1015个线粒体 约1010个神经细胞，约1013个神经突触 对酸甜苦辣咸的感知 √(通过神经而感知) × × √(通过神经电信号而感知) 对氧气的需求 需氧 厌氧 需氧、耗氧 高度耗氧 对饥饿的感知 不直接感知(由菌群传递感知) √(直接负责) √(表现为乏力而并非饥饿) 不直接感知，通过神经电信号而感知 对呼吸的感知 不直接负责(由线粒体调控) × √(直接负责) 不直接负责，通过神经电信号而感知 对氧气的需求 √ × √ √ 通常所说的人 √ ×(未考虑、不包括) ×(未强调、未突出) √ 属于微生物 × √ √ × 是否属于物质 √ √ √ √(高于物质) 是否具有意识 × × × √ 对肉体作用力 — 产生饥饿信号与摄食欲望并向人体传递 产生呼吸需求信号并向人体传递 以思想、精神、信仰引领人的行为 对肉体否定后 — 分解肉体导致腐败、腐烂和死亡 呼吸窘迫、缺氧、窒息而死亡 心理崩溃、精神失常而自杀 正向发展功能 — 正常的生理需求: 饥饿与摄食，不危害肉体，与人体协同共生 正常的生理需求: 呼吸，不危害肉体，与人体协同共生 正能量、积极上进、团结合作、精神愉悦等 负向发展结果 — 坏菌群、致病菌群等，导致慢病、传染病 线粒体异常突变导致炎症、癌症等；坏病毒如天花病毒、SARS等导致传染病 负能量、思想阴暗、精神萎靡、疑神疑鬼等 是否可调控 √ √ ×(很难) √ 调控方法手段 运动、体育锻炼等 微生态调控技术 呼吸调控技术(如调呼吸) 学习、教育 异常后的结果 疾病(慢病、外伤等) 自闭症、糖尿病、老年性痴呆、炎症等 线粒体(功能) 缺陷性疾病、炎症等 心理病、精神病、思想病等 功能表现 人体主动 菌脑主吃 粒脑主吸(线粒体负责呼吸) 人脑主思 发展方向 健康 摄食 呼吸 知识、逻辑、科学、哲学 
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