第１章 人體生理的奧祕
生命的道理──什麼是生理學？
「生理學」是英文physiology 的譯名，由physio- 及-logy 兩個字根組成，本義是「研究自然的學問」，與物理學（physics）有相同的字源，後來衍生成「研究生物及其組成如何運作的學問」。當初將physiology 譯成「生理學」的先賢，可是相當高明，因為「生理」除了有「生計」與「活路」的意思外，還可以拆解成「生之理」，也就是「生命的道理」，十分貼近physiology 的本意。
中文「生理」一詞，出自魏晉竹林七賢嵇康的〈養生論〉一文。嵇康是這麼寫的：「形恃神以立，神須形以存，悟生理之易失，知一過之害生。」翻成白話文是：「形體需要靠精神的支撐，精神則有賴形體而存在；人要曉得生存之道非常容易失去，只要有一樣過失，就可能對生命造成傷害。」這句話裡頭的「生理」一詞，接近「生存之道」，而非「生命之理」，只不過兩者的界線不是那麼清楚，轉借也無妨。
那究竟什麼是「生命之理」呢？要回答這個問題，我們得先從「生命是什麼？」這個問題著手，才可能有真正的了解。
多數人談到生命，總受到「人」的本位主義影響，以為活著就是有知覺、有思想，能吃、能拉、能動、能睡，卻不見得想到，世間多的是不會自己移動、也不見得會思想，但卻符合生命要求的生物。如果我們往細處看，最簡單的生物是單細胞生物，它們會吸收能源，進行新陳代謝、排泄、生長、生殖等任務，並適應環境變化，這些也就成為生命的基本要求。
單細胞生物的好處，是家裡人口簡單，一人吃飽了全家也就飽了；同時，一個細胞最多就那麼丁點大（直徑在幾個微米，亦即10-6m，肉眼全不可見），養分廢物的運輸，靠單純的分子擴散，就綽綽有餘，不需要什麼特別的系統幫忙。然而，對多細胞生物而言，事情就不那麼簡單了。
十九世紀的科學家已經知道，體積再怎麼巨大的動植物，都是由一個個小細胞堆積而成，這也就是所謂的「細胞理論」。人全身上下由幾十兆個細胞組成，每個細胞都有能源、代謝以及排泄的需求，與單細胞生物無異；只不過人體細胞還多了「分化」這一層，各有不同形狀、負責不同功能。再來，形狀與功能相同的細胞會聚集成組織，各種組織再形成器官，不同器官又連結成系統，分別負責傳訊、循環、呼吸、消化、泌尿、運動、防禦及生殖等功能，如此也才形成完整的人體。
相對於一人飽全家飽的單細胞生物而言，人體這種多細胞生物的負擔，要大上太多，得養活幾十兆人口。不過人體每個細胞也都沒閒著，套句大仲馬的小說《三劍客》裡國王火槍隊的座右銘「人人為我，我為人人」，那也正是人體細胞的寫照：每個細胞都為整個人體的存活盡份心力，而整個人體也照顧了每個細胞的生存。
至於這一點又是怎麼辦到的，就成了生理學這門學問的內容。舉凡多細胞生物的傳訊、循環、呼吸、消化、泌尿、運動、防禦以及生殖等功能，都屬於生理學家感興趣並想辦法了解的問題，也是本書想要介紹給讀者的內容。
Ｑ：怎樣才算多細胞生物呢？最簡單的多細胞生物是什麼？
Ａ：世上生物若以數量計，單細胞微生物可是遙遙領先，但以種類計，卻不見得比多細胞生物多。地球生命的出現，由簡入繁；問題是：單細胞生物活得好好的，為什麼要結合成多細胞？最小的多細胞生物是哪一種？為什麼沒有由兩、三個細胞組成的多細胞生物？
從化石裡發現的最古老生物，是類似今日細菌一般的原核（缺細胞核）單細胞生物，時間約在三十五億年前。接下來才是有細胞核的真核單細胞生物，時間約在十到二十億年前。事實上，真核生物細胞內的粒線體及葉綠體，即來自共生的原核生物；因此單細胞真核生物已經算是變相的「多」細胞生物了。
在形成真正的多細胞生物之前，單細胞生物早已能形成聚落；只不過這種聚落就算細胞數目再多，體積再大，其中成員要是沒有分化，就算不得真正的多細胞生物。好比許多微生物會在人體牙齒、腸道、泌尿道，以及水管、溪石表面形成生物膜的構造，由細胞分泌的細胞外基質相連，數目可達數百萬以上。這種生物膜可對抗消毒水、抗生素以及吞噬細胞的侵害，要比單獨行動的細菌更能在惡劣的環境下存活。只不過生物膜最終仍會解體，釋放出其中個別的微生物，回復自由之身。所以說生物膜只是單細胞微生物可能存在的形式之一，算不得多細胞生物。
至於最簡單的多細胞生物，據信是屬於扁盤動物門的絲盤蟲。這種生物基本上只有三層細胞（包括四種類型），由上下兩層表皮細胞加上中間類似結締組織的細胞組成，但細胞數卻有數千。感覺上，絲盤蟲與組成聚落的團藻類似，都屬於原始的多細胞生物，其中細胞只有簡單的分化。
目前所知細胞數最少的多細胞生物，可能是線蟲這種生活在土裡的圓蟲。成年線蟲體內只有九百五十九個細胞（生殖細胞除外），其中包括三百零二個神經細胞，此外還有肌肉細胞、消化系統及排泄系統，可謂麻雀雖小，五臟俱全（唯一缺的是循環系統）。
真正的多細胞生物，其組成細胞可是失去獨立存活的能力，而與整體生死與共，永不分離。對個別細胞而言，這可是做了莫大的犧牲，但也享受了「人人為我、我為人人」的好處。多細胞生物經由分化，讓有些細胞負責吸收外界養分，有些負責排泄廢物，還有的負責輸送物質、移動身體、抵禦外侮及繁殖子代等，要是只有少數幾個細胞，就用不上這許多系統。所以說，自然界看不到由個位數或兩位數的細胞形成的多細胞生物，是沒那個需要及好處，而非有什麼空檔。
Ｑ：人體細胞有多少種？為什麼脂肪細胞容易變大變多，腦細胞卻不會？
Ａ：生命是地球上最寶貴又奇妙的東西，生命形式的多樣化也讓人匪夷所思；但無論生命看來有多麼複雜及與眾不同，其基本構造卻大同小異，都是由細胞所組成。
生命的源起早已湮沒在億萬年歷史當中，大概永遠也難以讓人窺知全貌；但可以確定的是，由一圈脂質薄膜將一些可自我複製分子包裹起來的構造，是地球所有現存生命的始祖，那也是類似細菌或病毒的單細胞生物。
如前文所述，生物從單細胞結合成多細胞，絕對有適應生存的好處。像人體由一個受精卵開始發育，經過十多年時間、無數次細胞分裂及分化的過程，最後形成由五十兆（5×1014）左右細胞組成的個體。人體細胞數雖多，但可大致分為四種：表皮細胞、神經細胞、肌肉細胞與結締組織細胞，其下又可再做細分，好比扁平或柱狀表皮細胞、單極或多極神經元、橫紋或平滑肌，以及脂肪、骨骼與血球等結締組織細胞。
除了經減數分裂產生的生殖細胞外，人體每個細胞的細胞核裡，都攜帶了相同的二十三對染色體，以及染色體上三十億對鹼基的排序。因此，不同種類的體細胞之所以不同，不是因為基因組成有什麼不同，而是由於基因表現的差異。不同基因在不同細胞、不同時期發揮作用，製造出特定構造與功能的蛋白質，也就造成了具有不同型態與功能的細胞；這個過程稱為「細胞分化」。
受精卵最早分裂形成的胚胎細胞，具有分化成所有種類細胞的能力，故此稱為「全能幹細胞」。之後，這種全能細胞逐漸失去該份能力，變成「多能幹細胞」及／或「單能幹細胞」，甚至完全失去再生與分化的能力。至於幹細胞如何分化成體內各種細胞的詳細機制，目前仍是生物學裡最大的奧祕之一。
因此，體內各種細胞的不同，也就在其中基因的表現不同，而造成了不同的外型與功能。像脂肪細胞裡富含貯藏脂質的顆粒，可以不斷擴充，直到撐滿細胞質裡大多數的空間，成為一個圓球形為止；神經細胞的形狀則屬不規則，一頭有許多的突起分支，好接收其他神經傳來的訊息，另一頭則伸出細長的管線，以傳送訊息給其他的細胞。
分化完全的脂肪細胞仍保持部分增生（也就是細胞分裂）的能力，神經細胞則大幅喪失；其理由可能是神經細胞擔負著記憶的功能，不應輕易更動。但近年來發現，還是有一些腦區的神經細胞具有複製增生的能力（也就是擁有一些單能幹細胞），不像前人所認定的那麼死板。
近年來幹細胞研究的最大進展，就是利用各種方法來改變已分化體細胞（如表皮細胞）裡幾個基因的表現，可讓細胞「去分化」，回復到較為原始的多功能幹細胞狀態，然後再誘導其分化成他種類型的細胞。如果這種做法臻於成熟的話，那麼有朝一日，脂肪細胞與腦細胞將可能互相轉變，兩者之間的差異也就不如表面上那麼大了。
身體的智慧──恆定的力量
一以貫之的生理學中心思想
一九四○年底，以提出「戰或逃」、「身體的智慧」以及「恆定」等觀念而知名於世的哈佛大學生理學教授坎能，以即將卸任的會長身分在美國科學促進會（AAAS）年會中發表演說。坎能的講題是：〈人體生理與政治體制〉，他把人體比喻成社會；因此，生理之於人體，就等於政治之於社會。
任何類比，都有它的好處，也有其限制。人體由億萬細胞組成，一如社會由千萬人組成；人體細胞無法脫離個體而存活，一如現代人難以自絕於社會而獨立生存；人體細胞經分化後就謹守崗位，各司其職，不再改變身分，以至於死，一如人在社會中各盡所能，各取所需；要是有細胞不安本分，任意複製並在全身亂竄，則將危及個體生存，一如人類社會不遵守法治的反社會人物，也會造成社會動盪不安。
人類社會的安定，從自發性的道德規範，到強制性的法令規章，都有賴社會成員的遵守，或是執法者的行使公權力。至於人體這個由細胞組成的小型「社會」如何運作及維持穩定，可是困擾了東西方智者達數千年之久；前人提出過生命力、氣血體液，或陰陽五行生剋之道，來解釋身體的運作，只不過都是想像重於事實，經不起驗證。一直要到十九世紀中葉，法國生理學家伯納才對人體的運作，提出合理的解釋。
伯納的創見，是提出「內在環境」這個觀念。所謂內在環境，指的是環繞在體內所有細胞外圍的液體，又稱為「細胞外液」；除了與細胞直接接觸的組織間液外，在血管及淋巴管內流動的血液及淋巴液也包含其中。無論多細胞生物所處的外在環境如何變化，只要這個內在環境的溫度、滲透度、酸鹼值、養分、氧分壓等維持穩定，每個身體細胞就都能生存，個體也就得以活著。
曉得了這一層，生物體內絕大多數的生理功能，也就有了意義。譬如消化與呼吸系統負責把養分與氧帶入體內，並連同泌尿系統將不用的廢物排出體外，循環系統把各種物質送往全身各處，皮膚與免疫系統負責防禦外侮，神經與內分泌系統則整合上述所有系統。
這些生理功能的終極目的，自然是維持個體的存活，但它們真正進行的工作，則是維持細胞外液這個內在環境的穩定，讓體內每個細胞都活得健康。一九二六年，坎能根據拉丁文字根鑄造了「恆定」（homeostasis）這個名詞，來描述這個現象；八十多年來，恆定已成了生理學當中一以貫之的中心思想。任何人只要了解恆定的真諦，也就對生理的運作有了正確的認識。
動態的平衡
我們看到「恆定」一詞，難免想到恆常安定的狀態，事實上，身體的內在環境可是瞬息萬變，隨時處於更新狀態，而非毫無動靜的一灘死水；宋儒朱熹詩句：「問渠哪得清如許，為有源頭活水來。」就相當貼切地描述了恆定狀態。
以體溫為例：人體表面不斷有熱量流失到周遭的空氣當中（由溫差造成），新的熱能也源源不絕地從每個細胞產生（尤以某些內臟組織及運動中的肌肉為最），由血液循環在全身散布，如此人體溫度也才能維持在攝氏三十七度左右，不會直往下掉。
再以血中葡萄糖（血糖）濃度為例：體內每個細胞隨時都需要從血液中吸取葡萄糖，以供維生之需，因而造成血糖濃度的不斷下降；同時，血液也從消化道（用餐後三至四小時內）、肝臟、脂肪、肌肉（用餐四小時後）等器官，不斷取得新鮮葡萄糖供應，因此血糖濃度也得以維持在每公合九十毫克（90 mg/dL）上下。
類似體溫與血糖這種體內變數的例子，還有很多，像血液的酸鹼值（pH 7.4）、氧分壓（100 mmHg，由溶於動脈血的氧含量造成）、滲透壓（290 mOsm），與各種離子（鈉、鉀、鈣等）、養分（脂肪酸、胺基酸等）、廢物（例如尿素）以及荷爾蒙（有上百種
之多）的濃度都是；此外諸如血壓（120/80 mmHg）、心跳，甚至體重，都屬於受恆定控制的變數。這些變數的共同特徵，就是不斷地在某個設定值上下波動，而不是完全固定不動。因此，恆定屬於「動態」而不是「靜態」的平衡。
事實上，許多人造的自動控制系統，都有人體恆定系統的影子，譬如室內的恆溫裝置，就與體溫控制類似。當我們在恆溫器上設定好溫度，只要室溫高過該設定值，冷氣就會自動開啟，降低室溫；等到室溫降到了設定點，冷氣也就自動關上。溫帶與寒帶地區的暖氣控制，也是一樣，只不過冷氣機換成了暖氣機。
當然，身體的產熱與散熱，以及冷氣暖氣的開與關，靠的都不是什麼心電感應，而是經由溫度感應器在察知溫度偏離設定點後，發出訊號進行的控制作用。由該訊號引發的機制，會讓上升的溫度下降，或是低落的溫度回升；這種控制模式通稱為「負回饋」。
因此，任何恆定控制系統，都有幾個必要的組成，像是能偵測變數變化的感應器、能調節設定值的整合器，以及能造成變數改變的作用器等。此外，感應器與整合器以及整合器與作用器之間，還需要有傳遞訊息的裝置，缺一不可。
以人體而言，感應器包括分布全身的各式各樣感覺接受器；整合器以神經細胞與內分泌細胞為主；作用器包括肌肉與內外分泌腺體；傳訊裝置則以神經與血液循環為主。
因此，所謂健康，就是體內大多數的恆定控制系統運作正常；所謂生病，也就是某些系統出了問題，無法完善控制。人從生到死，無時無刻不受到環境變化、創傷、感染、突變等內外衝擊，人體也隨時進行因應；除非衝擊過猛過大，人體恆定控制系統一般都承受得起長期及反覆的壓力刺激，而不至於生病。直到天年將屆，問題才會逐漸呈現。要是年紀尚輕，身體就出了問題，除了先天遺傳因素、感染病原菌及受傷等因素外，多數是由於生活及飲食習慣不佳所引起，那自然是可以避免的。
失落的平衡
有則關於工程師的笑話，是說某民航機在飛行途中，引擎逐一失靈；機上有位工程師不斷計算出飛機將延誤抵達的時間，要其他乘客放心。等到四個引擎全部停擺，飛機開始往下掉時，該工程師還在計算，以致遭人譏笑。
上述笑話斧鑿痕跡甚重，顯然是刻意編撰來挖苦工程師的死板不知變通；但其中有點倒是不假：工程師在設計飛機、汽車、建築或橋樑等與人身安全有關物件時，都有過度設計的情形。如笑話中所言，飛機就算只剩一個引擎在運轉，還是可以設法安全降落；至於道路橋樑房屋等建築儘量採用高安全係數，就更不用說了。
同樣的觀念，也適用於人體。人身上好些器官，譬如肺、肝、腎、性腺等，都有備份；就算少了一個或一部分，人還能活得好好的。至於只有獨一份的器官，好比腦、心、胃腸道等，也都有相當大的儲備緩衝功能，經得起部分損傷或功能下降，而不致危及性命。
在此舉幾個例子：因中風或腦瘤而傷及某些腦區的病人，手術後通常能夠恢復大部分的腦部功能；局部冠狀動脈阻塞，導致部分心肌梗死（俗稱心臟病）的病人，只要搶救得宜，也都能存活並恢復健康。至於因各種理由切除部分消化或生殖管道的病人，更不會因此致命，在在顯示人體構造的強韌。
話雖如此，設計再怎麼完善的機械或建築，碰上超乎尋常的外力，仍免不了損壞或倒塌；如果再加上年久失修，更是免不了出問題；這個道理，自然也適用於人體。比起人造物件，人體還有項優勢，就是身體組織擁有自行修補及更新的能力，這是靠活細胞的複製與適應所成就的。許多人肆意濫用身體這項功能，抽菸、喝酒、嗑藥、縱慾、熬夜樣樣都來，以為休息過後，一切就會復原；等到身體儲備功能給消耗得差不多了，毛病自然一一浮現。
人體的恆定控制系統還有幾項特性，值得一提；其中之一是許多設定點都可能改變，像是體溫、血壓、血糖血脂濃度以及體重等。除了體溫外，其餘的設定值發生改變（通常是升高）後，就不一定能夠回復；身體在不正常的設定點下運作，將承受更大壓力，時間長了也更容易出毛病。
其次，身體會依輕重緩急，優先維持某些變數的恆定，而犧牲一些較不重要的，好比說周邊循環、消化與生殖功能。許多人未能認清此點，而讓身體長期處於失衡狀態，終究也是要生大病的。
坎能把體內恆定控制系統稱為「身體的智慧」，十分貼切；問題是有再大的智慧，也經不起長年累月的濫用。許多人非要等到身體出了問題，才心生恐懼，想要用藥物補救；這就好比孟子所言：「七年之病，求三年之艾。」只怕到時緩不應急，悔之已晚。
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