龐廣昌，陳慶森，胡志和，解軍波，馬麗娜

（1.天津商業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院，天津市食品生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134；2.天津商業(yè)大學(xué)理學(xué)院，天津 300134）

盡管對(duì)于食品的功能性問題，存在很多爭(zhēng)議，例如食品的功能主要應(yīng)該是為機(jī)體提供生存和生命活動(dòng)必須的營(yíng)養(yǎng)，但是功能性食品及其功能研究還是越來(lái)越成為食品科學(xué)的重要研究領(lǐng)域，因?yàn)樵絹?lái)越多的研究結(jié)果表明：食品決不僅僅為機(jī)體提供生存所必需的營(yíng)養(yǎng)，它同時(shí)也是機(jī)體學(xué)會(huì)如何適應(yīng)周圍的物質(zhì)世界并作出響應(yīng)和適應(yīng)的基礎(chǔ)。也就是說，食品不僅為機(jī)體提供物質(zhì)和能量，更重要的是為機(jī)體提供信息。但是，在功能性食品的功能性研究中，我們遇到了幾個(gè)重大難題。1）雖然營(yíng)養(yǎng)不足會(huì)造成相應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)缺陷癥，但是當(dāng)營(yíng)養(yǎng)過剩時(shí)也會(huì)造成肥胖、高血壓、高血脂、糖尿病甚至癌癥等現(xiàn)代文明??；這個(gè)問題不僅表明了食品科學(xué)，特別是功能性食品研究的重要性，同時(shí)也給我們提出了一個(gè)難題：不同個(gè)體、不同民族的飲食習(xí)慣、家庭背景、甚至不同的腸道微生物都對(duì)機(jī)體的營(yíng)養(yǎng)需求產(chǎn)生不同作用。盡管針對(duì)這些問題的發(fā)展和蔓延，已經(jīng)提出了個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)和試圖針對(duì)不同的個(gè)體基因組提供不同營(yíng)養(yǎng)配方的營(yíng)養(yǎng)基因組學(xué)研究思路，但是表觀遺傳學(xué)研究卻用大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果告訴我們：一個(gè)人的飲食習(xí)慣和經(jīng)歷也可以通過DNA印跡和組蛋白復(fù)雜的修飾作用，塑造和改變其表觀遺傳特性，而且可以傳代。這實(shí)際上相當(dāng)于告訴我們：并非基因組決定我們的飲食需求，可能恰恰相反，飲食在不改變DNA序列的情況下決定基因組的表達(dá)、調(diào)控、修飾、記憶和遺傳，顯然這是對(duì)營(yíng)養(yǎng)基因組學(xué)的致命性挑戰(zhàn)。于是問題又回到了原點(diǎn)：如何為不同的個(gè)體提供科學(xué)飲食和食品配方？2）食品和營(yíng)養(yǎng)對(duì)免疫系統(tǒng)的作用是顯而易見的，也是功能性食品研究的熱門領(lǐng)域，但是近年來(lái)的大量研究表明，機(jī)體的營(yíng)養(yǎng)似乎優(yōu)先保證免疫防御系統(tǒng)的運(yùn)行，只有在嬰幼兒、老年人、疾病狀態(tài)或營(yíng)養(yǎng)嚴(yán)重缺陷時(shí)才會(huì)出現(xiàn)免疫力低下。換言之，在營(yíng)養(yǎng)充分，甚至普遍過剩的今天，往往表現(xiàn)出免疫過強(qiáng)并由此導(dǎo)致炎癥、自身免疫性疾病和代謝綜合征。所以免疫學(xué)研究成果一再告誡我們：免疫是一把雙刃劍，免疫力低下會(huì)導(dǎo)致反復(fù)感染，但是免疫力過強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致炎癥、超敏反應(yīng)等自身免疫性疾病。問題是什么是適當(dāng)?shù)拿庖撸咳绾味炕δ苄允称穼?duì)免疫的作用？盡管已經(jīng)積累了大量有關(guān)食品的免疫調(diào)節(jié)作用，包括食品對(duì)細(xì)胞因子的作用，但是由于至今沒有一個(gè)適合于免疫這一復(fù)雜系統(tǒng)的定量化方法，即使得到一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也難以提供一個(gè)確切的指導(dǎo)意見和結(jié)論，甚至往往互相矛盾、含糊其詞地得出一個(gè)幾乎放之四海而皆準(zhǔn)的結(jié)論：“具有重要的免疫調(diào)節(jié)作用”。這些結(jié)論除了能夠發(fā)表文章以外，難以得出指導(dǎo)性意見，甚至誤導(dǎo)消費(fèi)者。3）實(shí)驗(yàn)方法上的突出問題是：我們往往沿用醫(yī)藥領(lǐng)域?qū)λ幬锏膶?shí)驗(yàn)和藥效評(píng)價(jià)方法，亦即用離體實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物致病模型來(lái)對(duì)食品的功能進(jìn)行評(píng)價(jià)，這實(shí)際上犯了一個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯錯(cuò)誤，因?yàn)槭称凡皇怯脕?lái)治病，而是用來(lái)維護(hù)機(jī)體健康和預(yù)防疾病。我國(guó)明文規(guī)定：保健食品不可標(biāo)記治療作用。而且，對(duì)于這些離體實(shí)驗(yàn)和病理模型動(dòng)物所得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以相信嗎？因?yàn)槿水吘共煌趧?dòng)物。理由很簡(jiǎn)單，不同食性的動(dòng)物食用同樣的食品其后果也不同，就像牛羊可以吃草，而人類不能吃草一樣。之所以用實(shí)驗(yàn)動(dòng)物做食品的功能實(shí)驗(yàn)，主要是因?yàn)橛行┤艘恢闭J(rèn)為：食品對(duì)機(jī)體的健康保護(hù)（治療）作用需要通過對(duì)相應(yīng)組織或器官進(jìn)行測(cè)定才能對(duì)其保護(hù)（治療）作用進(jìn)行評(píng)價(jià)。既然需要取組織甚至器官，當(dāng)然不能通過人，只能通過動(dòng)物。顯然，要想用人對(duì)食品的功能進(jìn)行評(píng)價(jià)，就必須解決無(wú)損檢測(cè)這一難題。4）食品只能通過胃腸道消化后才能吸收，不能吸收的就要排出體外。食品究竟是如何對(duì)機(jī)體內(nèi)的器官或組織發(fā)揮生物功能？至少需要弄清楚：是通過直接進(jìn)入機(jī)體達(dá)到靶器官或組織，還是通過作用于機(jī)體的胃腸黏膜系統(tǒng)，從而影響免疫、代謝、內(nèi)分泌系統(tǒng)？已經(jīng)有大量研究結(jié)果證明：食品和營(yíng)養(yǎng)主要是通過和胃腸黏膜系統(tǒng)的相互作用，繼而通過胃腸道和機(jī)體內(nèi)的循環(huán)系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)在器官和組織之間建立通信并發(fā)揮功能，而不是直接進(jìn)入靶器官或靶組織發(fā)揮作用。但是，如何對(duì)這一復(fù)雜的非線性系統(tǒng)進(jìn)行定量化描述就成了不得不面對(duì)的一個(gè)重大難題。本文將針對(duì)這些問題，在綜合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展，特別是作者課題組近10年的研究成果的基礎(chǔ)上提供一個(gè)綜述和解決方案。

1 功能性食品及其主要作用機(jī)制

由于近年來(lái)現(xiàn)代文明病的流行和泛濫，促使很多科學(xué)家，特別是細(xì)胞和分子生物學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家對(duì)食品、營(yíng)養(yǎng)和飲食健康問題產(chǎn)生了極大的興趣，特別是在飲食對(duì)胃腸系統(tǒng)微生態(tài)的作用、營(yíng)養(yǎng)吸收與控制的信號(hào)途徑、非營(yíng)養(yǎng)成分——植物化合物（phytochemicals）受體及其信號(hào)傳遞、胃腸道對(duì)神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的作用、胃腸黏膜免疫及其作用機(jī)制等方面進(jìn)行了大量的研究，并取得了舉世矚目的成就。

1.1 胃腸系統(tǒng)的信號(hào)傳遞及神經(jīng)傳導(dǎo)功能

大量研究結(jié)果證明，胃腸道系統(tǒng)可以通過植物神經(jīng)和腦神經(jīng)中樞緊密聯(lián)系在一起，并發(fā)現(xiàn)很多神經(jīng)系統(tǒng)的疾病與飲食密切相關(guān)。大腦通過食欲控制進(jìn)食的機(jī)制已經(jīng)積累了大量研究成果，并說明大腦對(duì)飲食和營(yíng)養(yǎng)的傳感作用除食物的顏色是直接通過光學(xué)信號(hào)傳遞以外，嗅覺、味覺和飽腹感信號(hào)傳遞都是通過受體和食物中的嗅覺成分、味覺成分和營(yíng)養(yǎng)與非營(yíng)養(yǎng)成分的相互識(shí)別，經(jīng)過這些弱相互作用信號(hào)在細(xì)胞內(nèi)的級(jí)聯(lián)放大作用，改變細(xì)胞的鈣離子通道、鈉鉀泵活性，從而通過傳感細(xì)胞釋放定量的電化學(xué)信號(hào)，刺激附近的神經(jīng)末梢，進(jìn)而將復(fù)雜的嗅覺、味覺、營(yíng)養(yǎng)和非營(yíng)養(yǎng)信號(hào)傳遞到大腦，通過大腦控制食欲和進(jìn)食過程[1]。已知這些受體中最重要的受體家族就是G蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptors，GPCRs），它們因?yàn)槎际峭ㄟ^其胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域和G蛋白信號(hào)的級(jí)聯(lián)放大和傳遞途徑相偶聯(lián)而得名。G蛋白信號(hào)放大系統(tǒng)和糖代謝、脂代謝、蛋白質(zhì)代謝等多條代謝途徑交互作用，控制著機(jī)體的神經(jīng)、內(nèi)分泌、免疫和生理代謝等幾乎所有生物功能。已知GPCRs是1個(gè)有上千個(gè)基因成員組成的超家族，不僅分布在視覺、嗅覺、味覺器官或組織，而且也分布在胃腸道系統(tǒng)、白細(xì)胞和循環(huán)系統(tǒng)，控制幾乎所有真核生物的營(yíng)養(yǎng)吸收、免疫、代謝和內(nèi)分泌活性[2]。

1.2 營(yíng)養(yǎng)吸收及其調(diào)節(jié)機(jī)制

人類要生存，就必須滿足機(jī)體的營(yíng)養(yǎng)需求。從進(jìn)化的角度看，最原始的多細(xì)胞動(dòng)物——腔腸動(dòng)物，必須能夠傳感周圍物質(zhì)世界的結(jié)構(gòu)和功能，確定是否可以吸收這些營(yíng)養(yǎng)作為它們的碳源和氮源，以便依賴新陳代謝而生存。它們沒有發(fā)達(dá)的大腦，也沒有復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng)，但是它們可以準(zhǔn)確傳感周圍可利用的營(yíng)養(yǎng)，特別是脂肪、葡萄糖和氨基酸等基本營(yíng)養(yǎng)成分。近10年期間，已經(jīng)獲得并鑒定了多種腸上皮細(xì)胞受體和傳遞體介導(dǎo)這些信號(hào)的傳遞，并進(jìn)一步證明營(yíng)養(yǎng)傳感并不僅僅發(fā)生在舌和鼻咽部，而是整個(gè)胃腸系統(tǒng)。胃腸道似乎可以使用復(fù)雜而精致的受體系統(tǒng)來(lái)區(qū)分食物糜中不同成分的特性和濃度。而且這些傳感受體沿胃腸道分布，對(duì)攝取的食品做出定量化響應(yīng)。雖然有大量的GPCRs參與胃腸道（gastrointestinal，GI）對(duì)食品的吸收與“偵察”，但是對(duì)單獨(dú)營(yíng)養(yǎng)的傳感可以激活多種互相交叉的信號(hào)途徑。而且，一個(gè)細(xì)胞上存在多種受體，激活細(xì)胞內(nèi)不同的信號(hào)途徑，例如：多種受體都可以激活G蛋白信號(hào)級(jí)聯(lián)放大系統(tǒng)?？梢姍C(jī)體可能正是通過這些復(fù)雜的受體和配體（基）之間的弱相互作用激活傳感細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)域，并通過信號(hào)途徑之間的“交談”實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的定量化。已知GPCRs在糖、氨基酸、脂肪、氯化鈉等營(yíng)養(yǎng)的傳感、吸收和定量化和食欲控制中發(fā)揮重要作用。正是GPCRs在味覺，特別是嗅覺信號(hào)傳感中極大的多樣性構(gòu)成了生物各自不同的獲取營(yíng)養(yǎng)的方式和渠道，占據(jù)不同生態(tài)位。

1.3 非營(yíng)養(yǎng)成分的作用途徑

近年來(lái)，來(lái)自飲食的植物化合物（phytochemicals，PhC）對(duì)健康的保護(hù)作用得到了學(xué)術(shù)界的高度重視。人們?cè)缇妥⒁獾?，?lái)自果蔬等植物的這些化合物雖然不是經(jīng)典意義上的糖、脂肪和氨基酸等“大營(yíng)養(yǎng)”，其健康作用則不容忽視。而且，已經(jīng)證明它們?cè)诮】当Ｗo(hù)、抗癌、防癌，特別是預(yù)防現(xiàn)代文明病方面表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。研究發(fā)現(xiàn)，它們主要通過和受體相互作用向機(jī)體、組織和細(xì)胞傳遞信號(hào)。PhC涉及的受體主要是：Toll樣受體（Toll-like receptors，TLRs）、GPCRs和雌激素受體（estrogen receptors，ERs），其中雌激素受體屬于核受體，包括：脂調(diào)節(jié)過氧化物酶體增殖因子激活受體（lipid-regulating peroxisome proliferatoractivated receptors，PPARs）、肝臟X受體（the liver X receptor）、法呢醇X受體（farnesoid X receptor）和孕甾烷核受體（the pregnane nuclear receptor，PXR）；所涉及的信號(hào)途徑主要有：磷酸肌醇3激酶（phosphoinositide 3 kinase，PI3K）、絲裂原-活化蛋白激酶（mitogenactivated protein kinase，MAPK）、蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）；所涉及的轉(zhuǎn)錄因子主要包括：Nrf2、活化因子蛋白-1（activator protein-1，AP-1）、核因子κB（nuclear factor κB，NF-κB）等[3]。不同信號(hào)途徑之間互相“交談”從而構(gòu)成了非常復(fù)雜的信號(hào)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。機(jī)體復(fù)雜的生命活動(dòng)，特別是免疫和防御活動(dòng)依賴于體溫升高、代謝增強(qiáng)，特別是中心代謝途徑所涉及的酶活性的協(xié)調(diào)增強(qiáng)，從而為細(xì)胞和機(jī)體提供能量。與此同時(shí)，不可避免地造成對(duì)自身的傷害，也就是過頭的免疫應(yīng)答，這可能也正是現(xiàn)代文明病的重要病因。值得注意的是，幾乎所有PhC都表現(xiàn)出抑制炎癥，下調(diào)先天免疫、獲得性免疫、分解代謝和內(nèi)分泌[4]?？梢?，當(dāng)今維護(hù)人類健康的主體是下調(diào)免疫，而不是增強(qiáng)免疫。

1.4 腸道微生態(tài)的復(fù)雜作用及其調(diào)節(jié)機(jī)體健康的途徑

近年來(lái)，腸道微生物、益生元（prebiotics）和微生態(tài)研究取得了舉世矚目的成就。已經(jīng)證明，腸道菌群的構(gòu)成在宿主健康和生命活動(dòng)中發(fā)揮重要作用。2012年，科學(xué)雜志就腸道微生物和健康的關(guān)系發(fā)表了系列綜述，從生態(tài)學(xué)、基因組學(xué)、代謝組學(xué)、免疫學(xué)和大眾健康等多角度綜述了腸道微生物與健康和疾病的關(guān)系[5]。Costello等[6]著重強(qiáng)調(diào)了腸道微生物的種類和多樣性及其與腸黏膜系統(tǒng)的互作，以便更清晰地了解腸共生動(dòng)力學(xué)和生態(tài)理論，了解飲食習(xí)慣與微生態(tài)變化和穩(wěn)定性的關(guān)系。Lemon[7]則重點(diǎn)考察了抗生素治療所造成的微生態(tài)破壞，以及如何通過益生元進(jìn)行修復(fù)的問題。Nicholson等[8]提出，腸道微生物也是宿主代謝系統(tǒng)的參與者，它們受飲食中營(yíng)養(yǎng)的影響，反過來(lái)又影響機(jī)體的代謝網(wǎng)絡(luò)。Haiser等[9]綜述了腸道微生物對(duì)醫(yī)藥和食品在代謝上的相互作用和影響。Hooper等[10]則重點(diǎn)討論了腸道微生物與宿主免疫的關(guān)系，以及腸道微生物對(duì)保持腸道內(nèi)平衡的作用。不論從哪個(gè)方面看，腸道微生物菌群和宿主之間在代謝、生理、內(nèi)平衡和免疫相互作用都是復(fù)雜的，非線性的。例如：到底是飲食結(jié)構(gòu)塑造了腸道微生物，還是腸道微生物塑造了宿主的微生態(tài)？顯然可能都有作用。因?yàn)轱嬍辰Y(jié)構(gòu)顯然是腸道微生物的重要培養(yǎng)基，而腸道微生物和宿主共同形成的代謝組又對(duì)機(jī)體營(yíng)養(yǎng)吸收與代謝平衡發(fā)揮重要作用。需要想強(qiáng)調(diào)的是：宿主的免疫系統(tǒng)對(duì)腸道微生物菌群的作用也是不可忽視的，因?yàn)檠装Y反應(yīng)的發(fā)起者是宿主而不是腸道微生物。

遺憾的是，面對(duì)如此復(fù)雜的系統(tǒng)，除微生物種群和遺傳多樣性以外，至今還沒有一個(gè)定量化的方法來(lái)描述微生物和宿主在代謝、免疫、生理、內(nèi)分泌等復(fù)雜相互作用。原因是面對(duì)如此復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，我們似乎束手無(wú)策。幸運(yùn)的是，如果翻過來(lái)分析：無(wú)論微生物在腸道中和食物以及宿主發(fā)生多么復(fù)雜的相互作用，必需通過作用于宿主體內(nèi)的神經(jīng)、代謝、免疫和內(nèi)分泌才能發(fā)揮作用，那么，只要能夠?qū)︼嬍乘a(chǎn)生的結(jié)果，建立機(jī)體內(nèi)細(xì)胞間無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)作用的定量化模型就能解決這一難題。

2 神經(jīng)內(nèi)分泌生理代謝調(diào)節(jié)的復(fù)雜性和非線性問題

越來(lái)越多的研究結(jié)果表明，食品——特別是功能性食品對(duì)機(jī)體神經(jīng)內(nèi)分泌和生理代謝有明顯的影響，這也正是把免疫失調(diào)、慢性炎癥、糖尿病、高血脂、肥胖、糖尿病等歸納為生活方式癥的原因所在。厭食、暴飲暴食、抑郁、狂躁、孤獨(dú)等疾病也被公認(rèn)飲食不當(dāng)或食欲控制失調(diào)所造成的疾病。慢性結(jié)腸炎、克隆氏病和老年癡呆也與飲食有密切關(guān)系。已有調(diào)查和研究結(jié)果表明，上述病人往往伴隨著細(xì)胞因子異常、激素和內(nèi)分泌失調(diào)等癥狀發(fā)生。但是，由于其作用過程、途徑、分子機(jī)制、代謝復(fù)雜性及其相互作用，構(gòu)成了一個(gè)非線性復(fù)雜體系，至今難以建立定量化研究方法和數(shù)學(xué)模型。

2.1 免疫和細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)的交互作用控制復(fù)雜的免疫防御系統(tǒng)

口服疫苗的成功提示我們，腸道可能是最重要的天然免疫接種系統(tǒng)。特別是腸道上的微皺折細(xì)胞（M細(xì)胞）介導(dǎo)可以完整抗原進(jìn)入PP結(jié)（peyer’s patches）；樹突狀細(xì)胞（dendritic cells，DCs）作為取樣細(xì)胞負(fù)責(zé)提取腸道內(nèi)腔中的抗原，并進(jìn)行處理，自身轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒旒?xì)胞，遷移進(jìn)入引流淋巴結(jié)；腸上皮下的抗原遞呈細(xì)胞（antigen presenting cells，APC）則負(fù)責(zé)處理并提呈抗原決定簇給原態(tài)Th0細(xì)胞，從而構(gòu)成機(jī)體免疫識(shí)別腸腔中食物和微生物的分子基礎(chǔ)[11]。病原體模式識(shí)別受體-TLRs則通過識(shí)別食物中的病原體模式分子激活或抑制炎癥細(xì)胞因子，如白細(xì)胞介素（IL-1、IL-6）、干擾素（IFN-δ）和腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）的釋放，這些炎癥細(xì)胞因子既是激活先天免疫的前提條件，又是產(chǎn)生獲得性免疫的必經(jīng)途徑[12]。

2.2 細(xì)胞因子和激素共同控制復(fù)雜的代謝內(nèi)分泌系統(tǒng)

毫無(wú)疑問，生命活動(dòng)需要能量，而能量則以分解代謝、氧化磷酸化為基礎(chǔ)。不難想象：所有生命活動(dòng)，特別是以白細(xì)胞為基礎(chǔ)的免疫防御系統(tǒng)的運(yùn)行都需要能量供應(yīng)，需要分解代謝。但是代謝是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，由多種酶催化和協(xié)調(diào)控制。其中任何一種酶都不可能控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)增強(qiáng)或減弱。什么條件可以保證整個(gè)代謝網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)改變？當(dāng)然只有溫度，也就是體溫這一重要的狀態(tài)函數(shù)。所以免疫防御系統(tǒng)的激活和抑制必然伴隨分解代謝的增強(qiáng)或減弱、體溫的升高和降低、以及分解代謝、呼吸和氧化磷酸化的上調(diào)或下調(diào)。本質(zhì)上這些正常生命活動(dòng)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)顯然依賴于飲食和胃腸道營(yíng)養(yǎng)吸收及其與食物的相互作用。胃腸黏膜系統(tǒng)不僅是機(jī)體選擇性控制和吸收營(yíng)養(yǎng)的場(chǎng)所、免疫調(diào)節(jié)和黏膜免疫屏障基礎(chǔ)，而且也是機(jī)體最大的免疫及內(nèi)分泌系統(tǒng)。近年來(lái)的大量研究證據(jù)表明：胃腸系統(tǒng)擁有最大的淋巴系統(tǒng)——腸相關(guān)淋巴組織和內(nèi)分泌系統(tǒng)——胃腸激素分泌系統(tǒng)。在胃腸黏膜系統(tǒng)和各個(gè)重要器官之間存在著密切的通信聯(lián)系[13]。

胃腸系統(tǒng)的食物、微生物通過和胃腸黏膜受體之間復(fù)雜（直接或間接）的相互作用向機(jī)體內(nèi)發(fā)送信號(hào)：細(xì)胞因子、趨化因子和激素（各種腸激素），這些信號(hào)分子通過循環(huán)系統(tǒng)傳遞到各器官、組織或細(xì)胞，它們?cè)诮拥叫盘?hào)后還可以再發(fā)出相同或不同的信號(hào)傳遞給其他細(xì)胞，從而形成一個(gè)由自分泌、旁分泌和內(nèi)分泌構(gòu)成的局域或全局性的細(xì)胞通訊網(wǎng)絡(luò)。胃腸黏膜系統(tǒng)至少有400 m2的面積，不僅是機(jī)體最大的防御系統(tǒng)，也是最大的信息、物質(zhì)（營(yíng)養(yǎng)）和能量交流系統(tǒng)。它以分泌細(xì)胞因子、趨化因子和激素作為通訊的信號(hào)分子，通過循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)體內(nèi)細(xì)胞間無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)該網(wǎng)絡(luò)控制和調(diào)節(jié)機(jī)體的神經(jīng)、生理、免疫、內(nèi)分泌和代謝網(wǎng)絡(luò)。

激素對(duì)代謝內(nèi)分泌系統(tǒng)的控制已經(jīng)得到了充分的研究和證實(shí)，細(xì)胞因子除了控制先天免疫、獲得性免疫、免疫平衡外，對(duì)代謝也發(fā)揮非常重要的控制作用。一個(gè)重要的問題是：為什么機(jī)體的免疫防御作用總是和炎癥、體溫升高相伴？這個(gè)問題從能量的角度進(jìn)行分析就變得很清晰：免疫防御作用需要大量的能量來(lái)保證其生物活性，特別是白細(xì)胞的動(dòng)員、趨化到達(dá)靶位點(diǎn)（部位）及其對(duì)靶細(xì)胞的殺傷作用。這一切都需要能量的不斷補(bǔ)給和保證。而細(xì)胞的能量當(dāng)然來(lái)自代謝，特別是分解代謝和氧化磷酸化。動(dòng)員機(jī)體的能源物質(zhì)（肝糖原、肌糖原）需要內(nèi)分泌系統(tǒng)的配合，同時(shí)需要經(jīng)過相應(yīng)代謝網(wǎng)絡(luò)中所有酶活性的協(xié)調(diào)提高。能使分解代謝中所有酶的活性同時(shí)提高的只有體溫。所以機(jī)體的免疫，特別是先天免疫應(yīng)答過程一定伴隨著體溫的升高和分解代謝的增強(qiáng)。除此之外，機(jī)體本身的能量貯存也對(duì)分解代謝控制發(fā)揮重要作用：當(dāng)能量（主要以脂肪的形式貯藏在皮下，特別是腹部）儲(chǔ)存超過一定的界限時(shí)，機(jī)體也會(huì)隨時(shí)拉響（由mTOR所發(fā)動(dòng)）“需要增強(qiáng)能量消費(fèi)”的警報(bào)?？梢姺逝?、糖尿病、高血脂甚至癌癥等現(xiàn)代代謝綜合征的原因也正是機(jī)體調(diào)節(jié)能量?jī)?chǔ)存和消費(fèi)的一種應(yīng)激機(jī)制[14]。有趣的是，當(dāng)機(jī)體接收到病原體入侵信號(hào)時(shí)就會(huì)激活機(jī)體的炎癥反應(yīng)，升高體溫，激活免疫防御系統(tǒng)，但是，為了防止炎癥反應(yīng)所帶來(lái)的自身?yè)p傷，同時(shí)也啟動(dòng)抗炎癥信號(hào)，其作用在于：一方面可以將炎癥反應(yīng)嚴(yán)格控制在安全范圍內(nèi)；另一方面，一旦完成了免疫防御作用可以隨時(shí)關(guān)閉炎癥反應(yīng)，如圖1所示。這些細(xì)胞因子、趨化因子和激素在機(jī)體中通過自分泌、旁分泌和內(nèi)分泌形成一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，表現(xiàn)為極端的復(fù)雜的非線性，盡管定量化測(cè)定這些作用非常迫切，但是至今沒有一個(gè)能夠真正實(shí)現(xiàn)定量化描述的數(shù)學(xué)模型。

圖1 炎癥和抗炎癥平衡調(diào)節(jié)Fig.1 The balance between inflammatory and anti-inflammatory reactions

病原體所誘發(fā)的信號(hào)途徑通過對(duì)IκB的磷酸化和泛素化解除其對(duì)NF-κB的控制，起動(dòng)NF-κB轉(zhuǎn)入細(xì)胞核，轉(zhuǎn)錄炎癥細(xì)胞因子，促使機(jī)體通過發(fā)炎，亦即提高體溫激活免疫防御系統(tǒng)，發(fā)揮免疫應(yīng)答和防御作用，但是與此同時(shí)NF-κB也會(huì)促進(jìn)IκB的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)，除非有持續(xù)的入侵信號(hào)刺激IκB的降解，否則新合成的IκB就會(huì)通過將NF-κB扣押在胞漿中，不再啟動(dòng)炎癥細(xì)胞因子的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。除此之外，還有：SOCS、IL-10和TGF等多種機(jī)制控制炎癥細(xì)胞因子的表達(dá)，防止過頭的炎癥反應(yīng)。

3 網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)方法在生物學(xué)領(lǐng)域異軍突起

網(wǎng)絡(luò)研究方法的應(yīng)用在幾乎整個(gè)生命科學(xué)領(lǐng)域中產(chǎn)生了一場(chǎng)革命。生物大分子（DNA、RNA、蛋白質(zhì)，如轉(zhuǎn)錄因子）之間互作網(wǎng)絡(luò)的研究結(jié)果已經(jīng)改變了生命科學(xué)諸多領(lǐng)域，特別是分子生物學(xué)領(lǐng)域的各個(gè)方面，如：科學(xué)家的思維方式、技術(shù)路線和研究思路[15-16]。盡管已經(jīng)在Nature、Science和Cell等頂尖雜志上不斷發(fā)表研究和綜述性論文，盡管在多種模式生物，特別是酵母菌中進(jìn)行了全局性分子互作網(wǎng)絡(luò)的研究，并得出若干幾乎可以顛覆性的結(jié)論，但是生命活動(dòng)的基本單位并不是這些大分子本身，而是細(xì)胞[17]。所有的生物活性分子都必需通過細(xì)胞發(fā)揮其生物學(xué)功能。遺憾的是，雖然科學(xué)家早就意識(shí)到高等動(dòng)物除存在一個(gè)以腦為中心的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它控制著機(jī)體的運(yùn)動(dòng)和神經(jīng)活動(dòng)以外，一定還存在著一個(gè)控制代謝、內(nèi)分泌和免疫防御系統(tǒng)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，但是到目前為止對(duì)這些網(wǎng)絡(luò)的研究還處于一般的文字表述水平。

根據(jù)來(lái)自動(dòng)物、植物和微生物的大量代謝研究結(jié)果，已經(jīng)繪制出細(xì)胞的代謝網(wǎng)絡(luò)。但是這張代謝網(wǎng)絡(luò)圖只是根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)、酶、化學(xué)平衡和自由能等參數(shù)推測(cè)而來(lái)，并非體內(nèi)或細(xì)胞內(nèi)的真實(shí)情況。最先通過網(wǎng)絡(luò)和化學(xué)劑量學(xué)方法對(duì)代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究的是生物化工領(lǐng)域，主要目的是通過對(duì)代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通量及其控制分析獲得更大產(chǎn)量的代謝產(chǎn)物。但是隨著研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)在通過模式微生物，如大腸桿菌進(jìn)行代謝網(wǎng)絡(luò)的通量控制分析時(shí)，并不像生物化學(xué)家所預(yù)料的那樣存在著限速步驟和限速酶。這實(shí)際上已經(jīng)宣布：很多生物化學(xué)和分子生物學(xué)推測(cè)在現(xiàn)實(shí)中并不存在。當(dāng)我們要了解體內(nèi)代謝網(wǎng)絡(luò)及其控制時(shí)，必需重新進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)。隨基因操作、基因芯片等高通量檢測(cè)技術(shù)、核磁共振技術(shù)等的不斷發(fā)展與應(yīng)用，代謝網(wǎng)絡(luò)研究取得了舉世矚目的進(jìn)展[18]，從網(wǎng)絡(luò)理論來(lái)看，細(xì)胞中蛋白之間相互作用，代謝相互作用、信號(hào)相互作用和轉(zhuǎn)錄相互作用可以構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)的相互作用形成“網(wǎng)中之網(wǎng)”（network of networks），這些網(wǎng)中之網(wǎng)負(fù)責(zé)機(jī)體、器官、組織和細(xì)胞的行為。網(wǎng)絡(luò)生物學(xué)的主要任務(wù)是要集成理論和實(shí)驗(yàn)來(lái)繪制出這些網(wǎng)絡(luò)，從而以定量的形式搞清楚生命活動(dòng)的動(dòng)力學(xué)和拓?fù)鋵W(xué)特性。

近來(lái)，一種半自動(dòng)的酵母菌雙雜交篩選生物芯片技術(shù)（stemi-autmated yeast two-hybrid screens）[19]和生物分子互作的SPR技術(shù)可以使科學(xué)家測(cè)定生物大分子是何時(shí)并如何相互作用的。這些研究已經(jīng)揭示出細(xì)胞內(nèi)分子互作網(wǎng)的建筑學(xué)特性就如同互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)芯片和社會(huì)網(wǎng)絡(luò)。Jeong等[20]利用SAYTHS技術(shù)研究了43種生物的細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)得出：1）它們都是無(wú)標(biāo)度（scale-free）的、強(qiáng)健的和容錯(cuò)（error-tolerant）的，也就是抗干擾的網(wǎng)絡(luò)。2）具有小世界（small-world）特性，任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以有少量的代謝反應(yīng)（連接點(diǎn)）與其連接。3）高度連接的是底物而很少連接的則是種屬特異性酶的產(chǎn)物[20]。4）生物網(wǎng)絡(luò)都是統(tǒng)計(jì)異質(zhì)的，也就是說不同的節(jié)點(diǎn)由不同的連接數(shù)k，復(fù)合倍數(shù)定律分布（the power-law distribution（P（k）≈kγ）），在這樣的網(wǎng)中，新的節(jié)點(diǎn)偏向于和已經(jīng)連接了節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)連接。此種網(wǎng)即強(qiáng)健又具有抗出錯(cuò)能力。5）所有已測(cè)定的43種生物的代謝網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和規(guī)模都是一樣的。6）所有已測(cè)定的生物的平均連接數(shù)目（兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連接數(shù)目）都意外地相近，在3左右。7）如果一種底物（節(jié)點(diǎn)）由于催化其反應(yīng)的酶的突變而突然降低，則很快就可能有一條最短的生化代謝途徑和少數(shù)新酶的表達(dá)，通過更大的網(wǎng)絡(luò)半徑來(lái)補(bǔ)救，這顯然相似于互聯(lián)網(wǎng)中的TCP/IP協(xié)議。8）大腸桿菌代謝網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)模擬和在體突變（in silico and in vivo mutagenesis）研究表明，細(xì)胞可以耐受若干代謝酶的刪除。9）擁有最多連接的節(jié)點(diǎn)也就是“hubs”在所有已測(cè)生物中都是相同的。

蛋白質(zhì)之間的互作網(wǎng)（protein-protein interaction network）研究表明[21-22]，無(wú)標(biāo)度網(wǎng)有驚人的抗意外損傷的能力，即使80%的隨機(jī)選定的節(jié)點(diǎn)斷裂，保留的20%仍能形成互聯(lián)簇，使任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間保持連接。當(dāng)然，這一特征依賴于hubs。在酵母菌中，0～10%的蛋白質(zhì)少于5個(gè)連接，大于60%的多于15個(gè)互連（互相作用），這表明蛋白的互連度在決定缺陷基因表型中具有重要作用，只有約18.7%的酵母基因（約14.4%的大腸桿菌基因）缺失使細(xì)胞致死。很多大腸桿菌的基因同時(shí)缺失甚至不會(huì)發(fā)生任何表型變化。證明很多基因在無(wú)標(biāo)度網(wǎng)中是可以互相替代的。圖2為酵母菌蛋白互作網(wǎng)。

圖2 酵母菌蛋白互作網(wǎng)[[2233]]Fig.2 Yeast protein-protein interaction network[23]

該圖依據(jù)早期酵母雙雜交測(cè)定結(jié)果繪出[23]。該圖表明只有很少高連接的節(jié)點(diǎn)，也就是hubs。其中最大的簇含有所有蛋白的約78%。節(jié)點(diǎn)的色度表示移去相應(yīng)蛋白之后的表現(xiàn)型[24]。已經(jīng)測(cè)定到7 048種蛋白質(zhì)之間具有相互作用，其互作評(píng)價(jià)也已經(jīng)搞清楚。在蛋白互作網(wǎng)中，高度互作的蛋白占總互作蛋白（4 679）的66%。

各代謝途徑中基因的相關(guān)性和互作也有大量的研究報(bào)道[25]，圖3顯示出了基因互作和代謝途徑的關(guān)系。

Ihmels等[26]根據(jù)自己和他人的資料進(jìn)行了層次模塊分析，其結(jié)果見圖4。細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)的這些研究成果促使科學(xué)家不得不從新的角度來(lái)看待生命科學(xué)研究。通過細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)研究，人們可以應(yīng)用各種分子生物學(xué)技術(shù)，數(shù)學(xué)、拓?fù)鋵W(xué)、網(wǎng)絡(luò)知識(shí)從整體上，從生物分子的相互作用上觀察和研究生物及其基本生命活動(dòng)單位——細(xì)胞。大量的研究結(jié)果顯示出，細(xì)胞內(nèi)的生物網(wǎng)絡(luò)屬于無(wú)標(biāo)度網(wǎng)（scalefree network）和分級(jí)網(wǎng)（hierarchical network），這種網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的自穩(wěn)定、抗干擾和進(jìn)化能力。通過將細(xì)胞中的各種組分連接成網(wǎng)絡(luò)，我們可以研究細(xì)胞系統(tǒng)的自組織、自穩(wěn)定、自調(diào)整和細(xì)胞的整體結(jié)構(gòu)、功能和行為。細(xì)胞的生物網(wǎng)絡(luò)研究成果同時(shí)也對(duì)基因操作和生物工程提供了重要的理論依據(jù)。這提示我們：生物很少有單基因性狀，尤其是面對(duì)復(fù)雜非線性系統(tǒng)時(shí)，必需從系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的觀點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)操作方案，重點(diǎn)要考慮影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，如hubs。

圖3 同一代謝途徑中蛋白（酶）基因的相關(guān)性[[2266]]Fig.3 The correlations among protein (enzyme) genes of the same metabolic pathways[26]

圖4 代謝網(wǎng)絡(luò)的層次模塊[[2266]]Fig.4 The Hierarchical module of the metabolic network[26]

4 機(jī)體內(nèi)細(xì)胞間無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的建立

筆者早在2006年[27-28]根據(jù)大多數(shù)功能性食品和藥物雖然不能進(jìn)入體內(nèi)，但可以發(fā)揮重要的生物學(xué)功能（最為典型的是可食性纖維）的事實(shí)和當(dāng)時(shí)的國(guó)內(nèi)外有關(guān)免疫學(xué)研究進(jìn)展提出：食品或藥物主要是通過和胃腸黏膜系統(tǒng)的受體進(jìn)行相互作用誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生細(xì)胞因子、趨化因子或激素，從而影響和改變機(jī)體的免疫和生理功能。本課題組通過大量實(shí)驗(yàn)建立了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法，通過一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：食品——特別是功能性食品——的確是通過改變機(jī)體的細(xì)胞因子、趨化因子和激素發(fā)揮生物功能[29-37]。但是當(dāng)我們面對(duì)進(jìn)食功能性食品后，多種細(xì)胞因子都有顯著性變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，也必須面對(duì)另一個(gè)問題：這些細(xì)胞因子的顯著變化到底意味著什么？有什么生物學(xué)意義？細(xì)胞因子、趨化因子和激素歷來(lái)是醫(yī)藥、生物化學(xué)及子生物學(xué)研究的熱門領(lǐng)域，幾乎每一種細(xì)胞因子都具有無(wú)數(shù)多種功能，但是這些功能都是在不同條件、不同場(chǎng)合下所發(fā)揮的，例如IL-6既具有促炎功能，也具有抗炎功能，還具有調(diào)節(jié)脂肪酸代謝的功能。如果僅僅是為了寫文章，似乎可以依照個(gè)人意愿和想象力列出其相應(yīng)的功能，但是其真實(shí)作用和實(shí)際意義到底是什么我們卻不得而知或者說僅僅是推測(cè)和想象而已。

顯然，要解決這些問題，必需澄清一個(gè)重要的邏輯問題：生物功能的最小單位到底是細(xì)胞還是分子？或二者皆是？回答當(dāng)然是細(xì)胞而不是分子。分子只能通過細(xì)胞發(fā)揮生物學(xué)作用。于是在此基礎(chǔ)上筆者所在的課題組針對(duì)酪蛋白酶解肽所產(chǎn)生的顯著性變化的細(xì)胞因子通過當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)庫(kù)檢索出分泌這些細(xì)胞因子的細(xì)胞和這些細(xì)胞因子作用的靶細(xì)胞，并通過這兩個(gè)矩陣的運(yùn)算建立起由這些細(xì)胞因子所形成的機(jī)體內(nèi)細(xì)胞間無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的變化情況[38-39]。這是一個(gè)有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)，也是機(jī)體內(nèi)天然存在的細(xì)胞間無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)。它和由神經(jīng)纖維所構(gòu)成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不同，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上屬于有線連通網(wǎng)絡(luò)，只能形成以腦為中心，和固定的組織、器官之間的神經(jīng)纖維通訊，傳遞的是電信號(hào)（神經(jīng)興奮），速度快，但是不能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)細(xì)胞（例如血液中的紅細(xì)胞、白細(xì)胞）、組織和器官之間的通信。無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的通信介質(zhì)，亦即信號(hào)分子是細(xì)胞因子、趨化因子和激素，其傳播動(dòng)力是循環(huán)系統(tǒng)，發(fā)送信號(hào)依賴于信號(hào)分子的合成與分泌，接收信號(hào)依賴于細(xì)胞表面的受體，放大信號(hào)則要靠細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)級(jí)聯(lián)放大系統(tǒng)。值得強(qiáng)調(diào)的是，該網(wǎng)絡(luò)不僅可以實(shí)現(xiàn)器官、組織和固定細(xì)胞之間的通訊，而且可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)細(xì)胞之間，以及移動(dòng)細(xì)胞和固定細(xì)胞之間的通訊[40]。其實(shí)這個(gè)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)并不陌生，通常所說的細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上就是由信號(hào)發(fā)起者細(xì)胞合成與分泌細(xì)胞因子，經(jīng)過循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)送到帶有其特異性受體的靶細(xì)胞所構(gòu)成的細(xì)胞間的通訊網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際上細(xì)胞因子在發(fā)送過程中并沒有分子間的相互作用，細(xì)胞因子本身不可能構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。最早對(duì)這個(gè)以細(xì)胞因子作為信號(hào)分子所形成的細(xì)胞通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模和分析的是Frankenstein等[41]，通過對(duì)細(xì)胞因子的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行收集與分析，建立起一個(gè)復(fù)雜的細(xì)胞通訊網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)還比較了當(dāng)時(shí)所公布的100個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)免疫細(xì)胞之間通過細(xì)胞因子所構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)的密度最高，達(dá)0.61，比猴腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)密度0.15高得多。排在第二位的是免疫細(xì)胞和非免疫細(xì)胞之間通過細(xì)胞因子所構(gòu)成的通訊網(wǎng)絡(luò)，密度為：0.40。

5 機(jī)體中代謝網(wǎng)絡(luò)及其研究方法

代謝網(wǎng)絡(luò)及其通量控制分析主要在模式生物，如酵母菌中進(jìn)行，這是因?yàn)樾枰ㄟ^基因操作才能實(shí)現(xiàn)代謝途徑中不同酶的定量化表達(dá)與合成，從而得出各自對(duì)通量的控制作用（通量控制系數(shù)），而要得到足夠多有關(guān)代謝途徑中酶的不同表達(dá)并進(jìn)行通量控制分析幾乎是不可能的，因?yàn)榇呋x，特別是中心代謝途徑的酶的突變體往往是致死性的或者由于其調(diào)節(jié)酶特性和容錯(cuò)能力造成表型上的無(wú)反應(yīng)。而且通量控制分析需要在穩(wěn)態(tài)的條件下進(jìn)行，顯然這是通量控制分析主要停留在模式生物的主要原因。筆者發(fā)現(xiàn)：只要改變細(xì)胞或動(dòng)、植物機(jī)體的環(huán)境溫度，就可以將代謝網(wǎng)絡(luò)中所有酶的合成量變成變量，再通過其對(duì)通量（變量）的數(shù)學(xué)處理，即可以進(jìn)行代謝網(wǎng)絡(luò)的通量控制分析。課題組從2003年開始進(jìn)行代謝網(wǎng)絡(luò)，特別是中心代謝途徑的通量及其控制分析研究，已經(jīng)先后對(duì)水稻、瑞士乳桿菌、螺旋藻、蟾蜍、黃鼠、人類、哈密瓜進(jìn)行了代謝網(wǎng)絡(luò)的通量控制分析[42-44]，并充分證明了通過通量及其控制方法對(duì)食品的體內(nèi)作用進(jìn)行評(píng)價(jià)的可行性。在此基礎(chǔ)上，課題組通過志愿者分析了食用不同溫、涼、寒、熱、平屬性的食品所引起的體內(nèi)乳酸代謝的通量變化，發(fā)現(xiàn)：乳酸通量可以作為機(jī)體分解代謝和氧化磷酸化的一個(gè)重要指標(biāo)，凡熱性食品都會(huì)增加其通量，而涼、寒性食品則降低乳酸通量（尚未發(fā)表的材料）。因此，通過代謝網(wǎng)絡(luò)的通量及其控制分析可以定量化描述食品對(duì)體內(nèi)分解和合成代謝的控制作用。顯然這在普遍存在營(yíng)養(yǎng)過剩和生活方式病的今天具有非常重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。有趣的是，由代謝及其通量所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)與上述機(jī)體內(nèi)細(xì)胞間無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)一樣也屬于有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)[45]，可見有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)可能正是生命活動(dòng)的主體和主旋律。

6 有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)模型為復(fù)雜非線性問題提供了一系列定量化方法

雖然有關(guān)腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究由來(lái)已久，但是網(wǎng)絡(luò)研究真正成為研究熱點(diǎn)則是由于互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的建立、完善和推廣應(yīng)用。通過網(wǎng)絡(luò)不僅把地球變成了一個(gè)實(shí)際上的“地球村”，而且網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上已經(jīng)成為一門數(shù)學(xué)，一種哲學(xué)和一種新的思維、推理方法，網(wǎng)絡(luò)方法和系統(tǒng)方法已經(jīng)應(yīng)用于通信、信息、生物、生態(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和政治等各個(gè)領(lǐng)域。特別是網(wǎng)絡(luò)方法可以為復(fù)雜非線性系統(tǒng)提供多角度的量化方法。

在生命科學(xué)領(lǐng)域，現(xiàn)有的研究工作主要是通過構(gòu)建無(wú)向無(wú)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，如：代謝網(wǎng)絡(luò)[46-47]、蛋白互作網(wǎng)絡(luò)[48-49]、蛋白結(jié)構(gòu)免疫球蛋白網(wǎng)絡(luò)[50]和有向無(wú)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，如：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模擬和分析生物復(fù)雜系統(tǒng)的發(fā)展和演化規(guī)律。然而，在生物學(xué)各領(lǐng)域中普遍存在的卻是有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)，例如代謝網(wǎng)絡(luò)、群體之間所形成的食物鏈、微生態(tài)系統(tǒng)所形成的群絡(luò)等。很少有研究同時(shí)考慮權(quán)重和方向（即基于有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)開展研究），原因之一就是已有數(shù)據(jù)不支持構(gòu)建有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬和分析生物復(fù)雜系統(tǒng)。

由于生物系統(tǒng)，往往面對(duì)的是多變量、非線性、復(fù)雜體系，所以其定量化問題始終是一個(gè)最大的難題。在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域，雖然已經(jīng)有很多離體研究成果，但是根本不可能用這些成果進(jìn)行精確的體內(nèi)作用推測(cè)，因?yàn)轶w內(nèi)是一個(gè)非常復(fù)雜的多變量非線性體系。面對(duì)這一復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，盡管包括數(shù)學(xué)家在內(nèi)的科學(xué)家已經(jīng)進(jìn)行過不懈的努力，但是至今并沒有一個(gè)公認(rèn)的量化方法。只有網(wǎng)絡(luò)方法給我們展示了廣闊的解決這些難題的希望。

雖然對(duì)于有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有一些文章發(fā)表，但是總體上還處于初級(jí)階段。筆者所在的課題組最近提出了出度、入度、總度，出權(quán)重、入權(quán)重、總權(quán)重，出聚類系數(shù)、入聚類系數(shù)、總聚類系數(shù)和最短路徑等數(shù)學(xué)模型。特別是聚類系數(shù)，既考慮了節(jié)點(diǎn)之間相互作用的方向也考慮了相互作用的強(qiáng)度，是一個(gè)比較科學(xué)的定量化刻畫這種網(wǎng)絡(luò)的指標(biāo)。有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)可以簡(jiǎn)化為無(wú)向無(wú)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，換言之，無(wú)向無(wú)權(quán)網(wǎng)實(shí)質(zhì)上只是有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化形式（尚未發(fā)表的材料）?？傊W(wǎng)絡(luò)，特別是有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)方法可以從不同的角度為復(fù)雜的非線性系統(tǒng)提供一系列定量化參數(shù)。在食品或藥物的體內(nèi)、外生物功能的定量化研究、動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)、胃腸道微生態(tài)、代謝等目前最重要的研究領(lǐng)域提供了新的定量化研究途徑和解決方案。

7 通過外周血可以實(shí)現(xiàn)食品功能的無(wú)損傷檢測(cè)

一個(gè)非常值得思考的問題是：為什么食品功能不能通過人而只能通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)？顯然，人和人之間對(duì)食品的功能都不一樣，何況人和動(dòng)物？生態(tài)學(xué)家早就告訴我們，不同的動(dòng)物占據(jù)不同的生態(tài)位，主要源于其取食方式，如捕食與被捕食的關(guān)系。而且，尚無(wú)任何一種動(dòng)物和人具有相似的食性，更不要說相同的基因型。體外實(shí)驗(yàn)所得出的結(jié)果和結(jié)論當(dāng)然對(duì)人的參考價(jià)值非常有限。近年來(lái)，動(dòng)物模型被大量用于功能性食品或功能因子的功能性評(píng)價(jià)，這些方法原封不動(dòng)地照搬了醫(yī)藥學(xué)研究領(lǐng)域。但是我國(guó)明確規(guī)定：功能性食品不能標(biāo)注治療作用，于是經(jīng)過動(dòng)物模型所做的實(shí)驗(yàn)的實(shí)際意義是什么？是為了治病還是防?。靠梢娫谑称房茖W(xué)領(lǐng)域照搬醫(yī)藥學(xué)實(shí)驗(yàn)方法從根本上是行不通的。食品的目的是為了獲取生存所需要的營(yíng)養(yǎng)、維護(hù)機(jī)體健康，而不是為了治病。換言之，食品是所有人生存的基礎(chǔ)，而藥物則是治病。當(dāng)然，另一個(gè)不可回避的問題是：功能性食品只有吸收到體內(nèi)才能發(fā)揮功能嗎？事實(shí)上，幾乎所有的食品都必需經(jīng)過胃腸系統(tǒng)的消化才能被吸收，蛋白質(zhì)要消化成氨基酸或二肽、三肽；淀粉要消化為葡萄糖；脂肪要消化為脂肪酸和甘油；核酸要消化為核苷酸。不消化成和自身基本營(yíng)養(yǎng)成分相同的物質(zhì)就不能被吸收，特別是親水物質(zhì)包括：鈉、鉀離子都不能隨便進(jìn)入機(jī)體。為什么？因?yàn)闄C(jī)體必須保證自身的獨(dú)立性和穩(wěn)定性。顯然，食品營(yíng)養(yǎng)以外的功能，至少主體上并不是通過進(jìn)入體內(nèi)發(fā)揮作用，而是通過和胃腸道系統(tǒng)復(fù)雜的相互作用發(fā)揮功能，特別是可食性纖維、多糖、多肽和大多數(shù)水溶性成分，當(dāng)然也包含腸道微生物及其代謝產(chǎn)物。這本來(lái)是經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)證明了事實(shí)，但是在食品功能性評(píng)價(jià)研究中卻經(jīng)常被忽略。再一個(gè)問題是：對(duì)哪個(gè)臟器有作用，就需要摘取那個(gè)臟器進(jìn)行功能評(píng)價(jià)嗎？例如，評(píng)價(jià)醋的護(hù)肝作用，就需要制造肝損傷模型，然后取肝臟進(jìn)行評(píng)價(jià)？這顯然正是食品只能用實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行評(píng)價(jià)的重要原因。難道有心病的人真的只有把心掏出來(lái)化驗(yàn)才能證明其心病是否存在嗎？奇怪的是，這種簡(jiǎn)單的邏輯錯(cuò)誤在國(guó)內(nèi)外食品科學(xué)領(lǐng)域的論文里大量地存在甚至發(fā)展。機(jī)體是一個(gè)由腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和循環(huán)系統(tǒng)作為信號(hào)傳遞系統(tǒng)的體內(nèi)細(xì)胞間無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成，在臟器之間，例如胃腸道系統(tǒng)和其他器官、組織和細(xì)胞之間傳遞信號(hào)，根本不需要任何外來(lái)成分的參與，通過細(xì)胞因子、趨化因子和激素可以傳遞任何信息包括發(fā)育、分化、功能調(diào)節(jié)、代謝調(diào)節(jié)、生理調(diào)節(jié)等。換言之，通過循環(huán)系統(tǒng)中這些信號(hào)分子的測(cè)定，理論上可以獲得所有生物功能和生理信息。而所有這些信號(hào)分子的測(cè)定已經(jīng)積累了海量的研究數(shù)據(jù)和高通量的測(cè)定方法。更值得一提的是：這些信號(hào)分子的測(cè)定只需要2～3 mL外周血，也就是說：基本上屬于無(wú)損傷檢測(cè)。最后一個(gè)問題是：以往的大多數(shù)功能性食品評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)往往需要至少3～4周的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)（例如小鼠實(shí)驗(yàn)），而小鼠的壽命只有2年左右，4周相當(dāng)于小鼠壽命的1/24，相當(dāng)于人的3～4年。功能性食品真的需要吃那么長(zhǎng)的時(shí)間才能發(fā)揮作用嗎？如此長(zhǎng)時(shí)間食用同一種功能性成分很可能造成機(jī)體的耐受性，或偏性。為了弄清楚食品發(fā)揮作用的規(guī)律，本課題組已經(jīng)進(jìn)行過系統(tǒng)研究，結(jié)果證明：食品發(fā)揮最大功能的時(shí)間是在食用后2.5～3.0 h，而且最適當(dāng)?shù)臋z測(cè)時(shí)間是下午的2點(diǎn)半到3點(diǎn)。為了最大限度地避免基因型和遺傳背景所造成的誤差，人們往往選擇純系小鼠作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，但是這卻很難適用于食品功能評(píng)價(jià)，因?yàn)闆]有哪一種動(dòng)物和人的基因型完全吻合。只要不再認(rèn)定護(hù)肝作用只能摘取肝臟來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，只要能夠通過采集少量的外周血就能夠建立起機(jī)體內(nèi)細(xì)胞間的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，就可以通過志愿者進(jìn)行真正意義上的食品功能評(píng)價(jià)。而且完全可以通過同一個(gè)人食用不同的食品來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，這樣可以有效避免基因型所造成的偏差。

8 結(jié) 語(yǔ)

科學(xué)家夢(mèng)寐以求，要解決復(fù)雜非線性系統(tǒng)的定量化問題，但這一直是傳統(tǒng)數(shù)學(xué)的極大挑戰(zhàn)。腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展不僅改變了整個(gè)科學(xué)，也改變了人們的生活方式甚至思維方法。網(wǎng)絡(luò)方法已經(jīng)成為一種數(shù)學(xué)和哲學(xué)方法，為復(fù)雜非線性系統(tǒng)的定量化提供了一套近乎完美的科學(xué)方法。網(wǎng)絡(luò)方法已經(jīng)被大量用來(lái)研究DNA、RNA、蛋白等分子互作，取得了大量成果，大大改變了該領(lǐng)域前沿科學(xué)家的認(rèn)識(shí)和思維方式，甚至正在引發(fā)分子生物學(xué)領(lǐng)域的革命。在代謝領(lǐng)域，通過代謝網(wǎng)絡(luò)的研究，可以大大減少代謝組學(xué)所面對(duì)的變量上極大的復(fù)雜性和多樣性，在生物化工和生物技術(shù)領(lǐng)域則已經(jīng)產(chǎn)生了巨大影響和廣泛應(yīng)用。功能性食品的功能性評(píng)價(jià)是一個(gè)充滿爭(zhēng)議和挑戰(zhàn)的領(lǐng)域，筆者所在的課題組經(jīng)過多年努力，已經(jīng)建立了一套適合于食品和藥物體內(nèi)功能評(píng)價(jià)的方法：體內(nèi)細(xì)胞間無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)方法。由于該網(wǎng)絡(luò)屬于有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)，所以可以參考生物大分子互作網(wǎng)絡(luò)——無(wú)向無(wú)權(quán)網(wǎng)絡(luò)模型和有向加權(quán)代謝網(wǎng)絡(luò)模型，引入多種參數(shù)，可以從多個(gè)不同角度定量刻畫這種網(wǎng)絡(luò)。食品和營(yíng)養(yǎng)代謝密切相關(guān)，筆者所在的課題組已經(jīng)成功創(chuàng)建了適合于研究人機(jī)體內(nèi)中心代謝途徑的通量和通量控制分析方法，可以定量化研究食品對(duì)機(jī)體內(nèi)合成與分解代謝的作用，從而為食品對(duì)機(jī)體合成與分解代謝的功能評(píng)價(jià)提供了一個(gè)定量化研究方法。值得注意的是圍繞中心代謝途徑所形成的代謝網(wǎng)絡(luò)同樣可以將通量轉(zhuǎn)化為加權(quán)值，反應(yīng)方向作為有向性，從而將代謝網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)橛邢蚣訖?quán)網(wǎng)，用有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行定量化描述。由于這兩種網(wǎng)絡(luò)全部是通過采集適量的外周血進(jìn)行測(cè)定，近乎無(wú)損傷檢測(cè)，從而為實(shí)現(xiàn)功能性食品的定量化功能性評(píng)價(jià)提供一種新的近乎無(wú)損檢測(cè)的定數(shù)量化方法。

到目前為止的大部分食品營(yíng)養(yǎng)和功能評(píng)價(jià)是通過實(shí)驗(yàn)動(dòng)物作出的，還有一部分是離體實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)人類本身的功能評(píng)價(jià)卻很少，多數(shù)來(lái)自調(diào)查。所以一系列適合于人類食品營(yíng)養(yǎng)及其功能評(píng)價(jià)方法的建立、完善和推廣具有極其重要的意義，相信上述體內(nèi)細(xì)胞無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)和代謝通量控制網(wǎng)絡(luò)模型的建立與完善在食品或醫(yī)藥的體內(nèi)功能評(píng)價(jià)方面必將發(fā)揮舉足輕重的作用。除此之外，有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)是無(wú)向無(wú)權(quán)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展形式，具有更普遍的意義和適用范圍。腸道微生態(tài)系統(tǒng)、果蔬表面微生態(tài)系統(tǒng)、動(dòng)物、植物和微生物生態(tài)系統(tǒng)、捕食與被捕食者以及社會(huì)上人和人之間的關(guān)系實(shí)際上都可以構(gòu)成有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)模型為復(fù)雜非線性體系提供了一個(gè)從不同的角度進(jìn)行定量化刻畫的解決方案，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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